By GRL team on Mar 14, 2022

MIPI C-PHY Overview

   

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

 

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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

Published by GRL team Mar 14, 2022