By GRL team on Oct 27, 2021

MIPI D-PHY Overview

   

Granite River Labs, GRL
Nicole Lan 蓝婉甄

 

MIPI(行动产业处理器接口)由MIPI联盟发起,全名为Mobile Industry Processor Interface,是为行动产业处理器所制定的开放标准。MIPI联盟于2003年由美国德州仪器(TI)、意法半导体(ST)、芬兰诺基亚(Nokia)以及英国ARM等公司共同成立。MIPI联盟为开放的会员制组织,所有手机行业内的公司皆可加入,包含:手机设备制造商、系统供货商、软件厂商、半导体厂商等公司。

MIPI联盟主要目的在于推进手机内部硬件和软件接口的标准化,提供了全面的规范组合,用于连接行动设备中的芯片组和外围设备。手机制造商因而能使用这些规范来优化性能、简化设计过程、降低开发成本、创造规模经济并缩短产品的上市时间。

 

MIPI接口与多媒体类别

MIPI规范包含六种类型的接口:

  1. 物理层(Physical layer)
  2. 多媒体(Multimedia)
  3. 芯片到芯片/处理器间通信(Chip-to-chip/inter-processor communications)
  4. 设备控制和数据管理(Device control and data management)
  5. 系统除错(System debugging)
  6. 软件整合(Software integration)
 

其中每个规范皆经过优化以满足行动设备所需的严格操作条件,包含以下三个特征:高带宽性能、低功耗和低电磁干扰(EMI。下图为目前MIPI规范的系统架构:

图 1(https://www.mipi.org/about-us)

 

而MIPI规范当中的多媒体(Multimedia)类别,主要分为三个层面(图2):

  1. 应用层(Application Layer)
  2. 协定层(Protocol Layer)
  3. 物理层(PHY Layer)

其中,与影像传输相关的CSI(Camera Serial Interface)为相机串行接口,定义了一个位于摄像模块和处理器之间的高速串行接口;而DSI(Display Serial Interface)则为显示串行接口,定义了一个位于处理器和显示模块之间的高速串行接口。由下图所示,CSI-2以及DSI/DSI-2之物理层包含D-PHY与C-PHY,而本篇文章将着重于前者D-PHY的介绍。

图 2(https://www.mipi.org/about-us)

 

MIPI D-PHY 介绍

MIPI D-PHY将百万像素相机和高分辨率显示器连接到应用处理器,提供灵活、高速、低功耗且低成本的解决方案。同时,由于链路收发器的主从关系显著降低了链路的复杂性,适合具有一个主要数据传输方向的显示器和相机案例。

D-PHY的配置包含一条时钟信道(Clock Lane)以及一条/多条数据信道(Data Lane),其中时钟信道皆为单向信道,而数据信道可为单向或双向通道。每条时钟通道包含Cp、Cn,每条数据信道包含Dp、Dn。

D-PHY当中每条链路都有一个主控端(Master)和一个从端(Slave),从主控端至从端为数据传输的正向。主控端为时钟通道提供高速DDR时钟信号,是主要的数据来源;从端在时钟信道接收时钟信号,是主要的数据接收端。在所有情况下时钟信道与单向数据信道皆保持在正向传输,只有双向数据信道可以反向传输,由从端获取数据。完整的双向数据信道模块(Universal Lane)示意图如下:

图 3(MIPI Alliance Specification for D-PHY, Version 2.0)

 

MIPI D-PHY 通道收发器

D-PHY通道拥有高速和低功耗两种收发器,分别为:高速传送器(HS-TX)、  高速接收器(HS-RX)、低功耗传送器(LP-TX)、低功耗接收器(LP-RX),因此支持HS(High Speed)和LP(Low Power)两种传输模式。HS模式采用低压差分信号,虽功耗较大,但是能够拥有很高的数据传输速率(80M~4.5Gbps);LP模式则采用单端信号,虽数据传输速率低(<10Mbps),但相对功耗低。HS讯号的电压范围为140mV~270mV,而LP讯号的电压约为1.2V,如下图所示。此两种模式的结合使D-PHY能够在需要时以高速传输大量数据,在其余时间又能够减少功耗。

图 4(MIPI Alliance Specification for D-PHY, Version 2.0)

 

其中高速传送器以差分方式驱动信道,有两种信道状态:Differential-0Differential-1。低功耗传送器则以单端方式独立驱动两条线路,因此有四种通道状态:LP-00、LP-01、LP-10和LP11,如下表。LP模式下不同信道状态的组合可用于控制传输讯号进入不同的操作模式,此部分会于后面详细说明。

表 1(MIPI Alliance Specification for D-PHY, Version 2.0)

 

MIPI D-PHY 操作模式

D-PHY的操作模式主要共有三种:控制模式(Control Mode高速模式(Burst Mode以及逃逸模式(Escape Mode。于一般正常操作期间,数据信道将处于控制模式或高速模式。

– 控制模式(Control Mode)

在控制模式之下,数据信道所传送的讯号为LP讯号,且如上所述有四种通道状态:LP-00、LP-01、LP-10和LP-11。其中,进入高速模式的顺序是:LP-11、LP-01、LP-00,此时数据信道保持高速模式,直到收到停止状态(LP-11)。而进入逃逸模式的顺序是:LP-11、LP-10、LP-00、LP-01、LP- 00。此两者模式皆须通过控制模式内的请求来进入。

– 高速模式(Burst Mode)

在高速模式之下,高速数据传输以突发形式发生,从停止状态(LP-11)开始和结束。在HS讯号开始传输前,数据信道将离开停止状态,并通过传输开始程序(Start-of-Transmission)准备进入高速模式。如表 2,分别描述TX和RX两侧的事件顺序。当LP讯号依序走完LP-11、LP-01、LP-00的顺序后,RX将会进行Line Termination,TX则会关闭LP讯号驱动程序,并且于同时启用HS讯号驱动程序。而在数据信道传输HS讯号的期间,时钟信道应处于高速模式,提供 DDR 时钟。

表2(MIPI Alliance Specification for D-PHY, Version 2.0)

 

当数据突发结束时,数据信道将通过传输结束程序(End-of-Transmission)进入停止状态,如表3:

表3(MIPI Alliance Specification for D-PHY, Version 2.0)

 

于一般讯号传输时,会从控制模式进入高速模式,此时将传输HS讯号,当HS讯号传输结束,会再从高速模式离开回到控制模式。整个数据突发传输期间的事件序列便如同下图。每条信道的传输可以由协议独立地开始和结束,对于大多数应用程序信道将同步启动,但由于每个通道传输的字节数不等,可能会在不同的时间结束。

图5(MIPI Alliance Specification for D-PHY, Version 2.0)

  – 逃逸模式(Escape Mode)

逃逸模式是当数据信道使用低功耗状态时的特殊操作模式,例如:LPDT(Low-Power Data Transmission)、ULPS(Ultra-Low Power State)、Remote Triggers等。当LP讯号依序走完LP-11、LP-10、LP-00、LP-01、LP- 00,数据信道便进入逃逸模式,此时发送器将发送一个8位的进入命令来指示请求的动作,如下表。其中,所有未分配的命令都保留用于将来的扩展。停止状态(LP-11)将用于退出逃逸模式,并且立即返回控制模式。

表4(MIPI Alliance Specification for D-PHY, Version 2.0)

 

以上即为MIPI D-PHY两种数据传输模式(High Speed、Low Power)以及三种操作模式(控制模式、高速模式、逃逸模式)的相关介绍。

 

参考文献

  • MIPI Alliance Specification for D-PHY, Version 2.0, 23 November, 2015
 

作者

GRL 资深测试工程师 蓝婉甄 Nicole Lan

拥有四年DP测试经验,擅长DP、HDR、MIPI等接口测试。GRL技术文章作者及讲师。

 

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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 2021/10/27 AN-211027-TW

Published by GRL team Oct 27, 2021