串行通信層MIPI D‘PHY RX詳細解讀

　　隨著計算機網絡化和微機分級分布式應用系統的發展，通信的功能越來越重要。通信是指計算機與外界的信息傳輸，既包括計算機與計算機之間的傳輸，也包括計算機與外部設備，如終端、打印機和磁盤等設備之間的傳輸。在通信領域內，數據通信中按每次傳送的數據位數，通信方式可分為：并行通信和串行通信。

　　串行通信是指使用一條數據線，將數據一位一位地依次傳輸，每一位數據占據一個固定的時間長度。其只需要少數幾條線就可以在系統間交換信息，特別適用于計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信。串口通信時，發送和接收到的每一個字符實際上都是一次一位的傳送的，每一位為1或者為0。

　　MIPI D‘Phy是一種物理上的串行通信層，用于連接應用處理器與顯示器或照相機，作為物理層，它具有諸多方面的優勢。

　　MIPI（移動行業處理器接口）聯盟是一個非贏利組織，致力于建立移動設備中的軟硬件接口標準。它的愿景是為移動和受移動影響的產品開發全球最全面的接口規范集，從而最大程度地提高設計復用率、驅動創新、縮短產品上市時間，并有助于提高各家公司推出的產品間的互操作性。

　　手機中照相機和顯示器與應用處理器的連接框圖

　　MIPI D’Phy是一種物理性串行數據通信層，上面運行著像CSI（照相機串行接口）和DSI（顯示器串行接口）這樣的協議。它在物理上連接著相機傳感器和應用處理器（針對CSI）以及應用處理器和顯示器（針對DSI），如上圖所示。

　　D‘Phy是一種高速、低功耗的源同步物理層，由于采用了高功效設計，因此非常適合功耗大的電池供電設備使用。它里面同時包含了有助于實現高功效的高速模塊和低功耗模塊。載荷數據（圖像數據）使用高速模塊，控制和狀態信息的發送（在照相機/顯示器和應用處理器之間）使用的是低功耗模塊（利用低頻信號）。它具有在單個數據包脈沖中發送高速和低功耗數據的特殊能力。低功耗模塊有助于節省功耗，高速模塊則有助于實現高清晰度照片質量數據信號要求的較高帶寬。

　　D’Phy的架構

　　為了滿足高清質量圖像的高帶寬要求，MIPI D‘Phy包含有一個時鐘通道和數量可設置（最多4個通道）的數據通道。通過增加數據通道數量就可以達到增加帶寬的目的。通過增加通道數量，同樣數量的數據在多個通道上傳輸可以花更短的時間。MIPI D’Phy使用正向源同步時鐘，D‘Phy接收器的所有數據通道都用這個時鐘捕獲高速數據信號。

　　通用的D’Phy通道

　　為了同時滿足低功耗和高速度要求，通用型D‘Phy IP（如上圖所示）的每個數據通道由低功耗發送器（LP-TX）、高速發送器（HS-TX）、用于發送MIPI D’Phy特殊圖案的串化器組成，接收側由低功耗接收器（LPRX）、高速接收器（HS-RX）、解串器和用于接收這些MIPI D‘Phy特殊數據信號的低功耗競爭檢測器（LP-CD）組成。

　　時鐘通道由低功耗發送器（LP-TX）、用于發送MIPI D’Phy特殊時鐘通道圖案的高速發送器（HS-TX）組成，接收側由低功耗接收器（LP RX）、高速接收器（HS-RX）和用于接收這些MIPI D‘Phy特殊時鐘信號的低功耗競爭檢測器（LP-CD）組成。

　　接收器的每個數據通道（或時鐘通道）通過兩根導線Dp和Dn （或Clkp和Clkn）連接到發送器。高速和低功耗數據傳輸都在這兩根連接著這兩大通信模塊的導線上進行。

　　低功耗模塊是一種未端接的模塊，工作在單端方式，使用1.2V的邏輯電壓。用于提供控制和狀態信息的低功耗信號的數據速率不到10Mbps。

　　高速模塊工作在差分方式。它們使用低電壓擺幅的載荷數據信號傳送信息（高速信號——Dp–Dn——的典型差分輸出擺幅是200mV）。這種模塊通常在裸片上有端接，在Dp和Dn之間，其典型值為100Ω。

　　D’Phy的工作原理以及相機輸出到MIPI D‘Phy接收器之間的數據流動

　　相機傳感器捕獲的圖像數據經MIPI發送器處理后在多個數據通道上傳輸。用于數據傳輸的數據通道數量是可配置的。

　　發送器根據用于數據傳輸的數據通道數量對圖像數據加以組織。然后發送器對每個通道上的數據進行串行化，并發給相應的接收通道。

　　舉例來說，如果用了兩個通道，那么載荷數據的第一個字節在數據通道0上發送，第二個字節在數據通道1上發送。同樣在接收側，來自每個數據通道的串行數據在D’Phy的每個接收通道中使用的解串器幫助下轉換為字節格式。然后由CSI控制器將來自每個通道解串后的字節合并到一起。

　　在每個高速載荷數據脈沖出現在每個通道上之前，發送的D‘Phy都會插入一個同步序列（00011101），如下圖所示。這個同步序列被接收D’Phy的數據通道用來建立與高速載荷數據的同步。只有當同步信號被接收D‘Phy正確解碼時，載荷數據才會轉發給MIPI CSI 2控制器，完成對數據的進一步處理。

　　發送圖案中的同步序列

　　作為D’Phy初始化的一部分，最初所有通道保持在LP11狀態（1.2V電平）一段特定的時間。這個LP11狀態也被稱為停止狀態。在這之后，為了發送圖像數據，發送器會向接收器發送一個特定的序列，使接收器通道從低功耗模式進入高速模式。高速進入序列包含在接收器通道上驅動LP11-》LP01-》LP00 （LP-》HS轉換），如下圖所示。在成功接收這個序列后，高速接收器模塊激活其終端接收高速差分數據。

　　現在高速接收器終端變成激活狀態，接收器開始接收來自發送器的高速數據。然而，在經過LP-》HS轉換后，發送器會在一段特定時間內發送HS Zeros （V（Dn）》V（Dp）），用于確保在任何載荷數據被發送前接收器被正確地激活。

　　一旦接收器被激活，高速接收器會持續地接收數據，直到在它的通道上遇到LP11狀態。LP11狀態會將數據通道從高速模式帶回到低功耗模式。

　　數據通道上的高速脈沖描述了LP到HS的轉換以及HS Zero

　　通過D‘Phy數據通道發送的載荷數據采用的是數據包的格式。它可以是長的數據包，也可以是短的數據包。長數據包包含32位的包頭、有效載荷數據和16位的數據包腳注。短數據包只包含32位的包頭。

　　在每次高速脈沖串過后數據通道都會進入LP11狀態。單個高速脈沖代表對應于一幅圖像水平線上的數據，而高速脈沖之間的LP11狀態代表消隱期間。因為低功耗命令要求信號以較低的頻率發送，因此D’Phy在低功耗和高速模式之間的這種間歇運動有助于降低總的功耗。

　　當沒有數據需要傳輸時，所有通道都保持在ULPS狀態（超低功耗模式）。這是一種特別的低功耗模式，有助于進一步降低功耗。ULPS狀態是通過特定的低功耗模式進入的。一旦處于ULPS狀態，所有通道都被驅動到低電平（0V）。時鐘通道和數據通道的ULPS進入模式是不同的。

　　差分時鐘和數據之間的時序關系

　　來自發送器的高速載荷數據在高速差分時鐘（DDR時鐘）的兩個邊沿傳送，如下圖所示。發送器傳送的高速差分時鐘和數據在相位上差90度，數據先發送。時鐘和數據之間的這種時序關系有助于實現接收器數據通道對建立和保持時間的要求。

　　時鐘和數據之間的時序關系

　　本文小結

　　作為物理串行通信層的MIPI D‘Phy具有低功耗工作的特性，因此對今天功耗較大的移動應用以及與移動有關的應用來說吸引力越來越大。