深入学习MipiCamera相关基础知识
0 2023-11-29

前言:

mipi类型的摄像头,在我们做嵌入式音视频开发的过程中是会经常遇到的,所以一些基本的mipi协议知识学习是非常有必要的!

MIPI全称Mobile Industry Processor Interface,即移动产业处理器接口。MIPI联盟在2003年由ARM, Nokia, ST ,TI等公司成立,成员包括手机设备制造商、半导体厂商、软件厂商、系统供应商、外围设备制造商、知识产权提供商、其他公司。联盟成立的目的是把手机内部的接口如摄像头、显示屏接口、射频/基带接口等标准化,从而减少手机设计的复杂程度和增加设计灵活性。MIPI并不是一个单一的接口或协议,而是包含了一套协议或标准,以满足手机内不同子系统的独特需求,如摄像头接口CSI、显示接口DSI、射频接口DigRF、麦克风/喇叭接口SLIMbus等。统一接口标准的好处是手机厂商根据需要可以从市面上灵活选择不同的芯片和模组,更改设计和功能时更加快捷方便。

mipi官网:

https://www.mipi.org/

MIPI 主要包含四个方面的协议:

  • Multimedia

  • Control&Data

  • Chip-to-Chip Inter Process Communications

  • Debug & Trace

其中,多媒体方向是MIPI讨论最多的协议,也是本文介绍的重点。在多媒体方向,MIPI可以大致分为三层:应用层、协议层和物理层。如下图。

上图中,一些常见的概念介绍如下:

  • CSI:Camera Serial Interface,定义了摄像头模组与主处理器soc之间的高速串行接口。

  • DSI:Display Serial Interface,定义位于显示模组与著处理器soc之间的高速串行接口。

  • D-PHY、C-PHY、A-PHY、M-PHY:均是CSI/DSI的物理层标准。

  • Tx:Transmitter,指发送端

  • Rx:Reciever,指接收端。

  • PPI:PHY-Protocol Interface,CSI/DSI与phy之间的接口,该接口包括了控制,数据,时钟等多条信号。

下图表示一个摄像头模组通过CSI接口采集图像信息,并经由soc处理,再经由DSI接口传递给显示设备进行显示的过程。

二、CSI-2:

CSI-2协议是指CSI协议的第二层,简单介绍一下CSI-2协议。根据层级,CSI协议分为五层,如下图。

MIPI CSI2的分层方法有好几种,根据MIPI联盟的规范,CSI-2大致分为三层,分别为:应用层、协议层、物理层。协议层再分为三层:像素/字节组包/解包层、底层协议层、通道管理层。

对于CSI发送端,每层的作用如下:

接收端的操作与发送端相反:接收数据->将各lane数据合并->拆掉包头包尾->unpack,最终得到原始数据。

三、物理层协议

物理层规范了传输介质、电气特性、IO电路、和同步机制。通俗地说,就是指定在MIPI协议的最底层物理层,发送端如何拿到上层编码好的数据、转化成怎样的电信号、并通过多少根/组通道以何种形式发送给接收端等等。

CSI和DSI的物理层由专门的工作组负责制定。以CSI为例,在目前公布的协议中有三类基于摄像头的物理层接口,分别是D-PHY、C-PHY和M-PHY。其中最为简单基础、使用最广泛的是D-PHY接口,2009年发布D-PHY 1.0版本。

为了提供更高的接口带宽和更好的通道布局灵活性,CSI-2 v1.3引入了C-PHY接口。C-PHY 1.0是MIPI联盟于2014年9月发布的新物理接口,能够兼容之前的D-PHY v1.2版本。

D-PHY和C-PHY都是串行接口,它们解决了并行的接口的很多问题,比如降低了接口功耗,改善了并行难以扩展的问题。物理层协议除了这两者外还有M-PHY——这是一种高速Serdes接口,异步传输,相较于D-PHY有更少的引脚和更高的信号传输速度,在移动端应用的还没有那么广泛,但在车载领域应用较多,此处暂时不做重点讨论。

D-PHY和C-PHY均支持LP和HS两种传输模式,两种模式的传输电平和传输机制均不同。传输有效数据时,进入HS(high speed)模式,该模式电平较低,传输速率高;不需要传输数据时进入LP(low power)模式,该模式电平高,传输速率低但功耗也很低。

1. D-PHY:

下图是CSI-2中典型的D-PHY接口。

在D-PHY中,有1组clock lane和1~4组data lane,皆为单向传输,可以支持1/2/4 lane的传输。每组lane在物理上是两根接线,传输差分信号。

下图为某个摄像头模组采用D-PHY协议传输出的图像数据。从图中可以看出LP模式下电平高、HS模式下传输差分信号等特点。

CCI(Camera Control Interface)接口是一个双向通信的控制接口,本质是I2C接口的子集,用来提供MIPI接口对sensor进行控制的传输通道。

2. C-PHY:

下图是CSI-2协议中的C-PHY接口。

C-PHY是在D-PHY基础上的改进,以达到更快的传输速率。其特点如下:

  • D-PHY是两线一组的传输,C-PHY是三线一组的传输,每一组线称为一路trio,最多三trio,可以支持1/2/3组trio同时传输。

  • C-PHY是一种嵌入式时钟链路,因此不再需要额外的时钟线。

  • C-PHY也不再使用差分信号传输,而是采用三相符号编码来传输数据,高速模式下有3/4电平、1/2电平、1/4电平三种电平状态。



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