常用通信接口电气特征(九):MIPI

时间:2024-04-06 08:38:18

MIPI联盟,即移动产业处理器接口(Mobile Industry Processor Interface 简称MIPI)联盟。MIPI(移动产业处理器接口)是MIPI联盟发起的为移动应用处理器制定的开放标准和一个规范。
MIPI是一个比较新的标准,其规范也在不断修改和改进,目前比较成熟的接口应用有DSI(显示接口)和CSI(摄像头接口)。CSI/DSI分别是指其承载的是针对Camera或Display应用,都有复杂的协议结构。
DSI接口:
常用通信接口电气特征(九):MIPI
CSI2接口:
常用通信接口电气特征(九):MIPI
DSI协议层结构:
常用通信接口电气特征(九):MIPI
CSI2协议层结构:
常用通信接口电气特征(九):MIPI
CSI/DSI的物理层(Phy Layer)由专门的WorkGroup负责制定,其目前的标准是D-PHY。D-PHY采用1对源同步的差分时钟和1~4对差分数据线来进行数据传输。数据传输采用DDR方式,即在时钟的上下边沿都有数据传输。物理层规范了传输介质、电气特性、IO电路、和同步机制,物理层遵守MIPI Alliance Standard for D-PHY,D-PHY为MIPI各个工作组共用标准;所有的CSI-2接收器和发射器必须支持连续的时钟,可以选择支持不连续时钟;连续时钟模式时,数据包之间时钟线保持HS模式,非连续时钟模式时,数据包之间时钟线保持LP11状态。
D-PHY结构示意图:
常用通信接口电气特征(九):MIPI
D-PHY协议最多支持5个Lane(通道)(一个时钟Lane,4个数据Lane),最少需要两个Lane(一个时钟Lane,一个数据Lane)。如上图所示,一个通用的Lane中包含LP-TX、LP-RX、HS-TX、HS-RX和LP-CD模块,所有收发模块均共用同一个差分线Dp,Dn(在LP模式下,为两根单独的信号线)。整个Lane通过PPI接口(PHY Protocol Interface)与系统的其他部分连接。其中,LP-CD模块仅在存在于需要双向通信(Bidirectional)的系统中,对于不需要双向通信(Unidirectional)的系统,如CSI协议,则不需要LP-CD模块。显然,在Unidirectional系统中,主机(一般固定为Transmitter)则不需要RX模块,从机(一般固定为Receiver)则不需要TX模块。在需要双向通信的系统中,如DSI(当然,在特定的系统中,DSI也可以是Unidirectional的),一般只需要一个Data Lane具有双向收发的能力,其他的Data Lane和Clock Lane则可以根据实际需求,去除RX或者TX模块。需要注意的是,即使实在Unidirectional的系统中,Clock Lane也不需要反向传输,即当从机向主机发送数据时(反向传输),此时的DDR时钟仍然是由主机提供(HS模式下,LP模式下则不需要时钟)。在LP模式下(包括Control Mode和Escape Mode),采用的是Spaced-One-Hot Coding机制。在该机制下,时钟可以从传输的数据中得以体现,因此不需要传输时钟。

D- PHY的物理层支持HS(High Speed)和LP(Low Power)两种工作模式。HS模式下采用低压差分信号,功耗较大,但是可以传输很高的数据速率(数据速率为80M~1Gbps); LP模式下采用单端信号,数据速率很低(<10Mbps),但是相应的功耗也很低。
MIPI D-PHY协议定义了两种传输模式:高速模式(High Speed,HS)和低功耗模式(Low Power,LP),两种模式使用不同的传输电平和传输机制。HS模式和LP模式的电平如下图所示:
常用通信接口电气特征(九):MIPI
常用通信接口电气特征(九):MIPI
HS模式下,信号传输速度较快,较低的压摆有利于提升传输速度,同时降低功耗和EMI;那么为什么LP模式下不用HS的传输机制呢?是因为LP模式下,传输的信号速度较慢,较低的压摆不利于系统的稳定(此时可能会有比较严重的过冲,如果采用100mV~300mV的电平的话)。

其中,HS模式下,为差分信号传输,信号电平在100mV300mV(200mV的压摆);LP模式下,为单端信号传输,信号电平在01.2V(1.2V压摆)。HS模式下,信号传输速度可达80Mbps1Gbps(v1.0)或80Mbps1.5Gbps(v1.1),采用源同步的传输方式,由主机(Master)设备向从机(Slave)设备提供DDR时钟。LP模式下,信号传输速度最大10Mbps,此时传输通道的差分线(HS模式下的)是两根独立的信号线。无论是HS模式还是LP模式,都采用LSB fisrt,MSB last的传输方式。
两种模式的结合保证了MIPI总线在需要传输大量数据(如图像) 时可以高速传输,而在不需要大数据量传输时又能够减少功耗。下图是用示波器捕获的MIPI信号,可以清楚地看到HS和LP信号。
电平变化与逻辑关系:
常用通信接口电气特征(九):MIPI

  1. During High-Speed transmission the Low-Power Receivers observe LP-00 on the Lines.
  2. If LP-11 occurs during Escape mode the Lane returns to Stop state (Control Mode LP-11)

在高速模式下,通道状态是差分的0或1,定义P比N高时定义为1,P比N低时定义为0,此时线上典型电压为差分200mv
在LP模式下,只用lane0传输数据和时钟,双向数据传输。链路层的模式分为:Command模式和Video模式。
传输模式和操作模式是不同的概念,Video Mode操作模式下必须使用High-Speed的传输模式 ,Command Mode操作模式并没有规定使用High-Speed或Low Power的传输模式,即使外部LCD模组为Video Mode,但通常在LCD模组初始化时还是使用Command Mode模式来读写寄存器,因为在低速下数据不容易出错并且容易测量。Video Mode也可以用High-Speed的方式来发送指令,Command Mode操作模式也可以使用High-Speed,只是没有必要这么做。 DSI在Low Power模式下的信号测量图:
常用通信接口电气特征(九):MIPI
DDR采样,即在时钟的上升和下降沿均采集数据,保证高速传输又可以有效降低时钟频率,要求时钟和数据相位为正交关系。 实际中因为负载差异,会限制时钟的建立速度,同时数据的不规律输出(不是确定的输出序列),所以对setup或者hold时间要求不同。
常用通信接口电气特征(九):MIPI
数据Lane的三种操作模式 :Escape mode, High-Speed(Burst) mode, Control mode ;
从控制模式的停止状态开始的可能事件有:
• Escape mode request (LP-11→LP-10→LP-00→LP-01→LP-00)
• High-Speed mode request (LP-11→LP-01→LP-00)
• Turn around request (LP-11→LP-10→LP-00→LP-10→LP-00)
Escape mode是数据Lane在LP状态下的一种特殊操作 ,在这种模式下,可以进入一些额外的功能:LPDT、ULPS、Trigger ,数据Lane进入Escape mode模式通过LP-11→LP-10→LP-00→LP-01→LP-00 ;
一旦进入Escape mode模式,发送端必须发送1个8-bit的命令来响应请求的动作 ,Escape mode 使用Spaced-One-Hot Encoding
•超低功耗状态(Ultra-Low Power State) 这个状态下,lines处于空状态 (LP-00)
•时钟Lane的超低功耗状态 :
•时钟Lane通过LP-11→LP-10→LP-00进入ULPS状态
•通过LP-10 → TWAKEUP →LP-11退出这种状态,最小TWAKEUP时间为1ms
高速数据传输:
•发送高速串行数据的行为称为高速数据传输或触发(burst)
•全部Lanes门同步开始,结束的时间可能不同。
•时钟应该处于高速模式
各模式下的传输过程:
•进入Escape模式的过程 :LP-11→LP-10→LP-00→LP-01→LP-00→Entry Code → LPD (10MHz)
•退出Escape模式的过程:LP-10→LP-11
•进入高速模式的过程:LP-11→LP-01→LP-00→SoT(00011101) → HSD (80Mbps ~ 1Gbps)
•退出高速模式的过程:EoT→LP-11
•控制模式 - BTA 传输过程:LP-11→LP-10→LP-00→LP-10→LP-00
•控制模式 - BTA 接收过程:LP-00→LP-10→LP-11
状态转换关系图:
常用通信接口电气特征(九):MIPI
传输线阻抗:MIPI 的差分线阻抗控制标准是100 欧姆,误差不能大于±10%。
允许并联电容:Tx最大允许电容70pF
支持设备数量:1对1
应用场合:摄像头、显示器
设计要点:PCB 差分layout要点