MIPI接口简介

MIPI将彻底改变移动产品设计方式【作者】PrakashKamath，工程副总裁，Arasan公司MIPI联盟定义了一套接口标准，把移动设备内部的接口如摄像头、显示屏、基带、射频接口等标准化，从而增加设计灵活性，同时降低成本、设计复杂度、功耗和EMI。未来的产品都将朝着移动的方向发展，例如智能手机、数码相机、摄像机、平板电脑、媒体播放器、游戏机等，这些产品需要能执行多任务，包括处理多个不同的传感器如麦克风、图像传感器、磁罗盘、三轴加速度计和精细的触摸屏等，它们也要能够扑捉、处理及播放高清晰度的音频、视频和图像，能通过WiFi或者2G/3G/4G网络上网冲浪，以及能够支持GPS导航和移动定位服务(LBS)。当然每种产品各有不同。为了更好地说明问题，我们假设这样一个常见的由电池供电的系统(移动设备)，它包括一个应用处理器、一些存储器、数字摄像头和麦克风等传感器、显示屏和扬声器等输出设备、一个基带芯片和一个射频(RF)芯片。在一些情况下，除了像传感器和输出设备等外围设备外，许多这些功能模块可能会被集成到一个SoC中，要不就是用一个或多个SoC以增加现有应用处理器的能力。无论怎样，最终这个产品都需要用到某种芯片与芯片、传感器与芯片以及芯片与显示器之间的通信机制。当许多人听到和硅片有关的IP时，他们的条件反射就是：它应该是像微处理器(ARM、MIPS)或者数字信号处理器(DSP)内核一样酷的东西。然而除了这些重要的内核外，奋战在第一线的设计工程师们知道，构建他们SoC非常重要的IP中，其实很多是用来实现接口应用的。随着时间的推移，涌现出了许许多多的接口标准，例如UART协议、I2C、I2S、SPI、SDIO等，同时也出现了各种与摄像头传感器和显示器相关的并行接口，多种不同的接口标准导致了设计时的混乱。移动设备的设计人员在设计某个功能系统时，可能得处理多达五种相互有冲突的专用物理层接口。多种不同的标准不利于设备接口的互联互通，也限制了产品开发者的选择。例如有时无法用一个更便宜的传感器来替代现有的，因为两者常常是基于不同的接口标准。至于并行接口，通常摄像头传感器要涉及10路以上信号，而显示器则涉及到多达20路甚至更多，这么多路信号可能导致传输拥塞。另外并行连接器的费用、大小、重量都得考虑；还有一个是可靠性，因为每个信号和节点都可能是导致故障的原因。另外，随着技术的发展，硅片正不断缩小，也就意味着移动设备的芯片会被封装得越来越轻小，而这样的封装会用到的输入输出引脚更少，使得并行接口更缺乏吸引力。为了解决移动设备中的这些问题，在2003年，一些企业联合组建了MIPI(移动行业处理器接口)联盟。联盟的目的是制定一套用于移动设备和消费类电子产品的接口标准，使这些设备的接口既能增加带宽、提高性能，同时又能降低成本、复杂度、功耗以及EMI。MIPI主要针对下列系统部分：图像子系统(摄像头和显示器)；存储子系统；无线子系统；电源管理子系统；低带宽子系统(音频、键盘、鼠标、蓝牙)。有一点很重要，MIPI并不是一个单一的接口或协议，而是包含了一套协议和标准，以满足各种子系统独特的要求。传统接口一般都与多个物理层相关，与此不同的是，MIPI接口只在需要时连接到D-PHY或者M-PHY这两个物理层之上。下面我们将介绍已经在开发或者即将开发的MIPI主要标准，还会讨论到一些关于选择MIPIIP的注意事项。CSI-2、DSI和D-PHY标准MIPI涵盖很多方面，对新手来说很难把所有东西都理解清楚，所以我们先从摄像头串行接口(CSI)和显示器串行接口(DSI)说起。目前发布的CSI-2和DSI都要求最多不超过6路信号，信号数的多少则取决于设计者使用的线路数。另外CSI-2和DSI共享一个名为D-PHY的通用物理层接口，这样设计是为了提高速率、降低功耗和EMI(如图1)。特别要注意用于连接D-PHY和高层协议的物理层协议接口(PPI)的连接方式，后文会介绍设计人员从不同的IP供应商中选择MIPIIP时需要考虑的各种事项。不同的系统处理多任务会采用不同的方式，这点很重要。拿摄像头传感器来说，一些传感器是直接把未经处理的数据传给应用处理器/SoC，让它来完成后期的处理；而有些传感器则是先进行数据的预处理然后把处理后的结果传给应用处理器/SoC。CSI-2可以处理诸如此类的各种不同情况。并且，虽然CSI-2和DSI都是串行方式传递数据，但他们都保存着与数据流相关的实时信息。例如DSI会包含类似V-Sync和H-Sync信息的事件数据。另外值得提的其他两个MIPI标准是SLIMbus(串行低功耗芯片间媒介总线)和HSI(高速同步串行接口)。SLIMbus是一个低功耗、低速率外围总线，它支持多路时钟/采样率，用于处理控制信号和音频通道等。它可以直接取代现有的I2C和I2S接口，且与这两者的组合使用相比，SLIMbus能提供更多功能并降低功耗。而HSI则是为SLIMbus和CSI-2、DSI接口之间提供中级带宽能力的通用接口。基于M-PHY的MIPI协议前面已经讨论过了，原先的MIPI物理层是D-PHY，但在行业中已经开始向名为M-PHY的下一代物理层过渡。这两个物理层要么提供高速信号，要么提供低功耗信号。M-PHY使用更少的引脚，但是能提供更多的选择和更灵活快速的信号传输，传输速率可达6GB/Sec。与CSI-2和DSI在D-PHY层之上的概念一样，各种高层协议共享M-PHY，如图2所示。统一协议(UniPro)规范为移动设备等消费电子产品内部设备和元器件之间的互联定义了一个分层协议，它适用于包括应用处理器、协处理器、调制解调器等器件以及像控制信号、批量数据传输、打包流等数据传输。UFS(UniversalFlashStorage)接口为移动设备中的非易失性存储器(NVM)提供一个简单的标准接口，是一个JEDEC标准中的低层协议，它使用MIPI标准作为子集。CSI-3和DSI-2协议分别是CSI-2和DSI协议的下一代版本。新版本将支持更高的带宽和分辨率，以适用于3D摄像机和3D显示器等新兴应用产品。LLI(LowLatencyInterface)接口提供芯片间低延时通信，而高速低功耗DigRFv4接口则用于应用处理器/SoC和基带IC、基带IC和RFIC之间的连接。另外，SSIC(SuperSpeedInterChip)规范正在开发中，它由USB3.0开发组和MIPI联盟一同开发，目的是将高速USB3.0引入芯片内部通信中，且只需更少的引脚和更低功耗，并允许使用现有的USB驱动(此接口目前正在定义中)。根据IPNest预计，到2013年100%智能手机都会使用MIPI标准。MIPI也不只限于在移动市场中使用，而是会变成整个消费类电子产品的标准，只要这类产品带有应用处理器和一大堆外围设备。根据InStat预计，2016年各种消费类电子产品和电脑设备中有70%的产品都将使用MIPI标准。Arasan提供完整MIPIIP解决方案，帮助客户实现MIPI化当选择IP的时候，设计工程师最大的顾虑就是互操作性(例如某个供应商提供的IP能不能与另一个供应商提供的IP一起工作)、集成的简易性、系统的性能和稳定性。如图1的CSI-2和DSI，一些IP供应商提供CSI-2发送器，但另一些提供CSI-2接收器，有些供应商则两者都提供。DSI设备和主机控制器也有这样的情况。事实上，现实世界中情况可能会复杂得多。因为有些IP供应商只提供数字部分IP，而D-PHYIP只能从别的供应商获得，而有些IP供应商则只提供D-PHY或者M-PHY，但对接口的数字部分却了解得不多。这样的问题就是，在关于图1所做的讨论中已经提到，数字IP模块通过PPI与D-PHY通信，但这个接口只是可选的并且取决于判读，总之结果可能会不够好。另一个需要考虑的就是和主IP核相随的IP验证(VIP)的质量。IP供应商一般都构建IP核和相应的VIP，一个潜在的问题就是接口规范并不总是能100%被理解的，于是会产生这样的结果：某一极端情况下可能会在IP中引入一个非标准的判读(甚至有可能是溢出错误)，然后就会产生为验证这个错误的VIP。为了改正这个问题，虽然Arasan有生成和使用自己的VIP，但还使用其他领先供应商的VIP来复查核对IP。Arasan可提供现有的所有MIPI标准数字IP和模拟PHY，包括CSI-2、DSI、SLIMbus和HIS，以及D-PHY和M-PHY，而除了IP还有RTL(用于数字部分)和GSDII(用于模拟模块)。Arasan提供完整的MIPIIP解决方案也即提供RTL/GDSII、ESL、TLMs(传输层模型)、VIP、软件驱动和堆栈以及参考设计和全套硬件开发工具(HDKs)和平台。作为这个领域的专家，除了MIPIIP外，Arasan还提供不同架构方案的咨询服务，如在一个特别应用中如何选择最优的线路数。另外，Arasan还让开发IP的工程师直接为客户提供技术支持。(本文原文刊载于《集成电路应用》杂志2012年第2期，转载请注明出处。)发送方数据处理框图：接收方数据处理框图：【引言】MIPI是为移动应用处理器制定的开放标准，旨在为移动设备内部的摄像头、显示屏、射频/基带等提供标准化接口，利用针对此标准开发IP可以简化系统设计，加快产品验证和上市速度。MIPI联盟是一个由240多家企业组成的标准制定机构，包括移动平台、半导体和IP供应商等。自2004年以来，Arasan一直是直接参与且提供具体贡献的MIPI成员之一，参与了联盟的多个工作组，包括物理层(PHY)工作组。图1是一个典型的移动设备主要组件，我们将重点介绍连接到相机的CSI-2与连接到显示器上的DSI，以及连接到相机与显示器上的D-PHY物理层与链路层协议。MIPI的CSI-2和DSI标准已经存在多年，但在过去三年中，特别是在最近一年半时间里，我们看到移动设备厂商更积极采用CSI-2和DSI，而且使用厂商在快速增加。CSI-2和DSI这两个标准都指定使用D-PHY为其物理层。D-PHY物理层的特性包括低功耗、减少EMI以及在CSI-2或DSI的主机与对接配件之间采用串行通信，CSI-2、DSI和D-PHY物理层这三个MIPI标准都经过了多次更新和修改。MIPI还有其它标准如SLIMbus是不需要物理层的，但是所有新的协议如LLI和CSI-3都要求M-PHY作为物理层，不仅如此，CSI-3更增加使用UniPro作为链路层。因此，CSI-3并不向旧版本CSI-2协议兼容。有经验的设计工程师都会要求最具经济效用的一流解决方案。通常情况下的做法是从不同的供应商选择不同模块，这样的做法会达到怎样的效果呢，让我们先来看看一个D-PHY物理层如何与链路协议控制器(如CSI-2和DSI)互连。在界定主控制端和从属控制端，或发射器和接收器连接关系时，一般来讲，负责配置和控制功能的是主控制器端，在这样的定义下，产生图像数据的一端便是主控制端，而图像数据的接收端便是从属控制端。主控制端和从属控制端各自有自己的物理层(D-PHY)。D-PHY采用差分信号与另一端的D-PHY连通以高速传输图像数据，低速传输控制与状态信息则采用单端信号进行。在MIPI的定义里，HS操作模式用在串行高速数据传输，LP操作模式用在低速(或低功率)数据传输。如果主控制端和从属控制端任何一方没有数据需要传送，D-PHY便进入最省电模式，称为ULPS，代表超低功耗状态。当双方恢复通信，则从ULPS过渡到LP操作模式，然后转移到HS操作模式以达到高速传输的要求。整个转换过程由主控制端来主导，从属控制端的D-PHY和控制器随之做相应的反应。这样的操作使得MIPI的D-PHY和控制器的省电能力远远地超出了以传统SerDes为基础的设计。PPI接口D-PHY物理层和控制器之间的接口称为PPI接口。我们首先来看一下摄像机应用。当符合MIPI规格的摄像机模块(主控制端)需要和移动应用处理器上的接收器(从属控制端)进行通信时，所有数据传输都是由主控制端的CSI-2发射器通过HS高速传输模式传输到从属控制端的CSI