Granite River Labs, GRL 陈明忠 Allen Chen
随着数字传输技术快速发展，手持式设备在人们的日常生活中已成为不可或缺的标准配备，在消费市场大量需求的驱动力之下，各种应用于手持式设备上的高速传输技术也被快速的推动着；MIPI（Mobile Industry Processor Interface）就是在这样的需求下应运而生的，MIPI是一种可用于手持式设备应用处理器上的沟通介面，举例来说，我们每天都会使用的手机相机功能，就是通过MIPI C / D-PHY的CSI协议与手机应用处理器进行沟通，进而让使用者可以通过手机上的相机功能来进行拍照。
图1: MIPI Multimedia Specification
（图片来源：https://www.mipi.org/about-us）
规格符合性测试vs. 规范合格性测试
对于数字界面的测试而言，大多数的测试都有所谓的测试规范（CTS, Compliance Test Specification）来明确定义测试的条件、方法与项目，MIPI当然也不例外，不过MIPI比较特别的地方是，这份由MIPI联盟制定的测试文件是一份规格符合性测试文件（Conformance Test Suit, CTS）或者可以称为一致性测试文件，与规范合格性测试（Compliance Test Suit, CTS）就性质上来说是不同的；符合性测试大多都可依照测试文件自己进行测试，而规范合格性测试则需依照所谓的认证程序，在经过一定的认证程序、且产品通过认证测试后，就可以将产品的相关信息列在规范制订组织的网站上，现行DisplayPort（简称DP）就是属于规范合格性测试的范畴。
MIPI最新规范
目前最新的MIPI D-PHY规范版本为2021年7月发布的版本3.0，其通道速率由4.5 Gbps提升到9.0Gbps，D-PHY最新的CTS版本为2.1，是在2018年12月发布；MIPI D-PHY是基于时钟通道与数据通道为基础的一个主从式架构，用于同步的时钟信号是由通道上的源设备发送，如图2的功能方块图所示，可知MIPI D-PHY的最基本配置为单一个时钟与数据通道，一共为4条信号线，每个正负信号都可以独立控制，D-PHY在数据通道上分成两种工作模式，其细节可参考GRL另一篇技术文章：MIPI D-PHY Overview。本文会着重于MIPI C-PHY之介绍。
现行MIPI C-PHY规范版本为2.1，是在2021年的7月发布，相较于过去的版本在通道速率由原本的3.5Gsps提升到6.0Gsps，而其最新的CTS版本为2.0，是在2020年4月发布的。接下来说明MIPI C-PHY的架构，MIPI C-PHY的高速传输通道是以三线式组成的主从式架构（图2），从方块图可以看到C-PHY并没有时钟通道，而其传送模式是跟D-PHY一样有两种，分别为低功率（Low Power, LP）模式与高速（High Speed, HS）模式，低功率模式主要是用于介面控制信号的传送，但也可以用于低速数据数据传送；而高速传输模式利用3相位编码的方式将通道数据以16比特编码成7种不同的symbols，以5个不同值的方式呈现，其编码增益为2.28，即每个symbol可以2.28个比特来表示。
如同D-PHY，C-PHY的数据传送机制是通过协议层沟通完成，各别通道数据传输启动与终止可以是独立的，但就应用层面上来说，多数数据传输的启动是同步的，但是终止则可以分开，这是因为C-PHY在处理数据传送位元组不是等分的，传输通道同样可以在定义的数据速率上有弹性的选择进行数据传送，最高可以单一通道传送6Gsps的数据速率，另外由于C-PHY与D-PHY在特性上是类似的，因此在设计上是可以共存在同一传输通道上。
图2: MIPI C-PHY Block Diagram
（图片来源：MIPI Specification for C-PHY Version 2.1）
MIPI C-PHY传输原理
MIPI C-PHY的高速传输依据三相编码运作（Three-phase coding）原理，运作原理请参考图3，先从传送端到接收端数据传送的过程来说明C-PHY字节与通道状态的关系，C-PHY的高速数据传送首先是将16比特的数据字节通过16比特到7个字符（Symbol）转换模块机制转换，每个字符以3个比特来表示，因此内部形成一个21比特宽度的数据，再通过序列转串列的方式排成3比特的数据宽度以利于3线数据的处理，接下来再通过符号编码成3线码型（VA, VB, VC）输出，物理传输线上会将实际上使用的6个线状态（5个线状态转换）以三相编码的方式来表示，如图4所示，这是由于需要传送16比特的数据而采用的数据传输编码，当接收端收到后，会以同样的方式将线状态解码出16比特的数据，这里我们说明一下字符编码模块接收的3比特数据代表的意义，这3个比特的数据将决定下个线状态转换的结果，其中FLIP比特位是指仅正负状态改变而线状态不变，Rotation比特位代表线状态转换的方向为顺时钟或是逆时钟，最后的极性比特位会决定下个线状态的正负极性。
图3: MIPI C-PHY Symbol encoding and mapping functions
（图片来源：MIPI Specification for C-PHY Version 2.1）
图4: MIPI C-PHY Six Wire States
（图片来源：MIPI Specification for C-PHY Version 2.1）
MIPI C-PHY vs. MIPI D-PHY
如果与D-PHY做个比较的话，C-PHY的运作样貌与D-PHY是非常相似的，举个例子来说，D-PHY的通道传输状态转换会运用LP-00、LP-01与LP-11这三个低速信号状态来进行，同样的C-PHY也有类似的运作机制，C-PHY会通过通道上低速状态信号LP-111、LP-001、LP-000的切换来达成通道传输模式的转换，同样的从高速切换到低功率模式也是类似，只是C-PHY是基于3线架构，唯一比较大的差异是在高速传输时通道上的数据呈现方式，如下图，我们可以由图上的比较看出D-PHY与C-PHY通道传输不同的地方。
图5: MIPI D-PHY, C-PHY High Speed Burst Comparison
（图片来源：MIPI Specification for C-PHY Version 2.1）
C-PHY的量测环境与接法则是通过示波器探棒将通道上三线码型输出（VA, VB, VC）信号进行量测，其高速传输模式量测结果如图6。
图6: MIPI C-PHY Measurement Result
（图片来源：Keysight Technologies）
综合以上的介绍，MIPI C-PHY 在编码上较为复杂且通道利用率较高。同样的在规范设计上MIPI D-PHY与C-PHY都具备低功耗、高效能与有效的抗电磁干扰能力，展望未来，我们能预见MIPI C-PHY与MIPI D-PHY在手持式设备应用上的快速发展。
参考文献
- MIPI Alliance Specification for C-PHY Version 2.1 – 1 April 2021
- Keysight U7250A MIPI® C-PHYSM Compliance Test Application Methods of Implementation
作者
GRL 台湾技术总监 陈明忠 Allen Chen
在ITRI , Sunplus, XinzeDigital等公司拥有15年以上的研发工作经验，擅长领域包含：IP Verification、SI/PI Simulation、Mipi、HDMI®、DisplayPort、DDR等技术及规范研究
本文件中规格特性及其说明若有修改恕不另行通知。
发布日期2022/03/14 AN-220314-CN