M31谈MIPI物理层的规格与发展

 

摘要

 

MIPI 是Mobile Industry Processor Interface（行动产业处理器界面）的简称。本文将介绍MIPI体系结构中之物理层规格，并分别说明D-PHY和C-PHY的特性与优点。接着分享MIPI在车用电子之发展与挑战中的观点与M31所能提供的专业MIPI技术服务。

 

MIPI与物理层IP结构图

 

MIPI协会为一开放的会员制组织，2003年7月，由德州仪器（TI）、意法半导体（ST）、安谋（ARM）和诺基亚（Nokia），四家公司共同成立。十余年间，此规格蓬勃发展，大量应用在手机、穿戴式产品等行动装置，其中包含显示、镜头、储存、桥接等讯号收发，都采用MIPI协会所制定的各项标准。时至今日，MIPI也陆续导入人工智能和车用电子等应用，与人类生活中所使用到的各项电子产品紧密结合。

 

在MIPI体系结构中，包含应用层（Application Layer）、协议层（Protocol Layer）和物理层（PHY Layer）。其中，物理层负责处理讯号在实体信道传输。M31物理层IP框架图中（图一），主要包含PCS（Physical Coding Sub layer，物理编码子层）和PMA（Physical Medium Attachment，物理媒体衔接层）两个部分。PCS是利用PPI（PHY Protocol Interface，实体协议接口）与MIPI控制器做沟通，实现数据传输，以及各种模式切换; PMA则是包含了对外传输所需要的模拟电路，包含频率产生器，发射机，以及接收机等等。M31在PPI的部分维持标准化设计，提高与各大MIPI厂家的控制器兼容度；另一方面，我们并同时预留了一些特化的边带控制讯号，来满足客户对于多样化的应用需求。

随着讯号数据量越来越大，除了提升操作速度外，MIPI协会更提出了一系列的物理层，包含M-PHY、D-PHY和C-PHY。下面的段落中，将针对D-PHY和C-PHY的特性与优点做进一步的介绍。

图一 M31 MIPI物理层框架图

 

D-PHY特性与优点

 

D-PHY的架构包括一条频率通道（Clock Lane），以及一条或多条数据信道（Data Lane），其中频率信道皆为单向信道，而数据信道可为单向或双向通道。物理层主要分为HS（High Speed）、LP（Low Power）和ALP（Alternate Low-Power）三种工作模式。HS模式为低电压之差分讯号，依目前最新的D-PHY v3.0，最高的传输速率为11Gbps；LP模式则为单端讯号，应用为低速传输（<10Mbps），相对地，耗电也非常低；ALP模式则是透过HS电路模块进行低速传输，缩短系统在HS和LP切换过程之等待时间。透过各种模式的搭配可优化D-PHY功耗，而藉由频率通道，从发射端传送高速DDR（Double Data Rate）讯号至接收端，可使接收端之CDR（Clock and Data Recovery，频率数据回复）电路设计更为简易。

在数据信道的双向功能方面，能应用于逃逸模式（Escape Mode）以及状态和显示模块信息的传输。双向传输分为两种方式，分别为基于LP模式之Control Mode Lane Turnaround和ALP模式之Fast Lane Turnaround，前者为传统实现方式，后者则为D-PHY v2.5之后提出的新方式。Fast Lane Turnaround具备即便在单向和双向传输间切换，也不耗费进出LP模式所需之等待时间，虽需在发射机与接收机加入高速收发电路，但对于整体数据产出（Data Throughput）的提升是十分可观的。M31 IP针对上述两种双向传输方式皆能支持，并同步优化电路布局面积。

图二 D-PHY 信道模块系统图

 

C-PHY特性与优点

 

因应讯号数据量日益遽增，C-PHY应运而生，其架构为A/B/C三信道系统，频率嵌入数据讯号中，没有频率通道，此目的为增加带宽，并对数据进行编码。首先，将16 bits的讯号转换为7个符号（Symbol），每个符号都藉由三条通道传输，并使用6个线状态（Wire States）达成5个线状态转换（Wire States Transitions），如C-PHY规格书中撷取之图三所示。每3 bits的讯号会决定下个线状态转换，其中Flip代表讯号正负改变而线状态不变，Rotation代表线状态为顺时针或逆时针变化，Polarity代表线状态的正负极性变化。

 

  

图三 C-PHY 线状态转换示意图

 

图四 C-PHY HS讯号波型图

 

 

物理层同样分为三种工作模式。HS模式为低电压之三相符号编码讯号，并透过两两相减，得到传统的差分讯号（图四），编码增益则为2.28（16/7）。依目前最新的C-PHY v2.1，最高的传输速率为8Gsps；LP和ALP模式则与D-PHY相似。双向传输同样可支持Control Mode Lane Turnaround和Fast Lane Turnaround两种方式。C-PHY省去了频率通道，改善D-PHY存在的EMI（Electromagnetic Interference，电磁干扰），更进一步地降低所需之功耗，并藉由编码增益，在节省脚位数（Pin Count）的情况下，达到讯号传输量(图五)。

图五 C-PHY/D-PHY Pin Count

 

MIPI在车用电子的发展与挑战

 

近年车用电子应用需求显著提升，相对于消费性电子的差异在于，对于抗高温和故障率等可靠度和安全标准都有严格要求，因此，在开发车用IP必须考虑AEC-Q100和ISO26262等验证规范，并通过相关功能认证。此外，MIPI也极度广泛应用于车载，包含显示端应用如导航、中控台、仪表板以及娱乐系统等；镜头端的应用如环景侦测、驾驶状态监测、ADAS等。

目前，M31在MIPI M-PHY 、MIPI D-PHY Transceiver IP及设计流程皆已获得ISO26262认证，将能提供ASIL-B规格的高质量IP。

 

M31专业MIPI技术服务

 

M31已于MIPI领域耕耘十年时间，拥有专业的技术团队，提供技术节点55nm至5nm，团队不只专注于IP开发，也同时具备完整的技术支持服务，在与显示技术、智能影像侦测等多媒体芯片设计公司，乃至车用电子芯片设计公司皆有丰富的合作经验，并已建构完整的量测设备，从讯号质量分析、电气特性量测到系统兼容性测试，皆与客户保持密切合作。累积至今，M31在MIPI领域已针对不同需求有完整的布局，更能从产品应用上提出芯片设计优化方案，进一步提高客户产品竞争力。