串行通信层MIPI D‘PHY RX详细解读

　　随着计算机网络化和微机分级分布式应用系统的发展，通信的功能越来越重要。通信是指计算机与外界的信息传输，既包括计算机与计算机之间的传输，也包括计算机与外部设备，如终端、打印机和磁盘等设备之间的传输。在通信领域内，数据通信中按每次传送的数据位数，通信方式可分为：并行通信和串行通信。

　　串行通信是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。串口通信时，发送和接收到的每一个字符实际上都是一次一位的传送的，每一位为1或者为0。

　　MIPI D‘Phy是一种物理上的串行通信层，用于连接应用处理器与显示器或照相机，作为物理层，它具有诸多方面的优势。

　　MIPI（移动行业处理器接口）联盟是一个非赢利组织，致力于建立移动设备中的软硬件接口标准。它的愿景是为移动和受移动影响的产品开发全球最全面的接口规范集，从而最大程度地提高设计复用率、驱动创新、缩短产品上市时间，并有助于提高各家公司推出的产品间的互操作性。

　

　　手机中照相机和显示器与应用处理器的连接框图

　　MIPI D’Phy是一种物理性串行数据通信层，上面运行着像CSI（照相机串行接口）和DSI（显示器串行接口）这样的协议。它在物理上连接着相机传感器和应用处理器（针对CSI）以及应用处理器和显示器（针对DSI），如上图所示。

　　D‘Phy是一种高速、低功耗的源同步物理层，由于采用了高功效设计，因此非常适合功耗大的电池供电设备使用。它里面同时包含了有助于实现高功效的高速模块和低功耗模块。载荷数据（图像数据）使用高速模块，控制和状态信息的发送（在照相机/显示器和应用处理器之间）使用的是低功耗模块（利用低频信号）。它具有在单个数据包脉冲中发送高速和低功耗数据的特殊能力。低功耗模块有助于节省功耗，高速模块则有助于实现高清晰度照片质量数据信号要求的较高带宽。

　　D’Phy的架构

　　为了满足高清质量图像的高带宽要求，MIPI D‘Phy包含有一个时钟通道和数量可设置（最多4个通道）的数据通道。通过增加数据通道数量就可以达到增加带宽的目的。通过增加通道数量，同样数量的数据在多个通道上传输可以花更短的时间。MIPI D’Phy使用正向源同步时钟，D‘Phy接收器的所有数据通道都用这个时钟捕获高速数据信号。

　　通用的D’Phy通道

　　为了同时满足低功耗和高速度要求，通用型D‘Phy IP（如上图所示）的每个数据通道由低功耗发送器（LP-TX）、高速发送器（HS-TX）、用于发送MIPI D’Phy特殊图案的串化器组成，接收侧由低功耗接收器（LPRX）、高速接收器（HS-RX）、解串器和用于接收这些MIPI D‘Phy特殊数据信号的低功耗竞争检测器（LP-CD）组成。

　　时钟通道由低功耗发送器（LP-TX）、用于发送MIPI D’Phy特殊时钟通道图案的高速发送器（HS-TX）组成，接收侧由低功耗接收器（LP RX）、高速接收器（HS-RX）和用于接收这些MIPI D‘Phy特殊时钟信号的低功耗竞争检测器（LP-CD）组成。

　　接收器的每个数据通道（或时钟通道）通过两根导线Dp和Dn （或Clkp和Clkn）连接到发送器。高速和低功耗数据传输都在这两根连接着这两大通信模块的导线上进行。

　　低功耗模块是一种未端接的模块，工作在单端方式，使用1.2V的逻辑电压。用于提供控制和状态信息的低功耗信号的数据速率不到10Mbps。

　　高速模块工作在差分方式。它们使用低电压摆幅的载荷数据信号传送信息（高速信号——Dp–Dn——的典型差分输出摆幅是200mV）。这种模块通常在裸片上有端接，在Dp和Dn之间，其典型值为100Ω。

　　D’Phy的工作原理以及相机输出到MIPI D‘Phy接收器之间的数据流动

　　相机传感器捕获的图像数据经MIPI发送器处理后在多个数据通道上传输。用于数据传输的数据通道数量是可配置的。

　　发送器根据用于数据传输的数据通道数量对图像数据加以组织。然后发送器对每个通道上的数据进行串行化，并发给相应的接收通道。

　　举例来说，如果用了两个通道，那么载荷数据的第一个字节在数据通道0上发送，第二个字节在数据通道1上发送。同样在接收侧，来自每个数据通道的串行数据在D’Phy的每个接收通道中使用的解串器帮助下转换为字节格式。然后由CSI控制器将来自每个通道解串后的字节合并到一起。

　　在每个高速载荷数据脉冲出现在每个通道上之前，发送的D‘Phy都会插入一个同步序列（00011101），如下图所示。这个同步序列被接收D’Phy的数据通道用来建立与高速载荷数据的同步。只有当同步信号被接收D‘Phy正确解码时，载荷数据才会转发给MIPI CSI 2控制器，完成对数据的进一步处理。

　

　　发送图案中的同步序列

　　作为D’Phy初始化的一部分，最初所有通道保持在LP11状态（1.2V电平）一段特定的时间。这个LP11状态也被称为停止状态。在这之后，为了发送图像数据，发送器会向接收器发送一个特定的序列，使接收器通道从低功耗模式进入高速模式。高速进入序列包含在接收器通道上驱动LP11-》LP01-》LP00 （LP-》HS转换），如下图所示。在成功接收这个序列后，高速接收器模块激活其终端接收高速差分数据。

　　现在高速接收器终端变成激活状态，接收器开始接收来自发送器的高速数据。然而，在经过LP-》HS转换后，发送器会在一段特定时间内发送HS Zeros （V（Dn）》V（Dp）），用于确保在任何载荷数据被发送前接收器被正确地激活。

　　一旦接收器被激活，高速接收器会持续地接收数据，直到在它的通道上遇到LP11状态。LP11状态会将数据通道从高速模式带回到低功耗模式。

　　数据通道上的高速脉冲描述了LP到HS的转换以及HS Zero

　　通过D‘Phy数据通道发送的载荷数据采用的是数据包的格式。它可以是长的数据包，也可以是短的数据包。长数据包包含32位的包头、有效载荷数据和16位的数据包脚注。短数据包只包含32位的包头。

　　在每次高速脉冲串过后数据通道都会进入LP11状态。单个高速脉冲代表对应于一幅图像水平线上的数据，而高速脉冲之间的LP11状态代表消隐期间。因为低功耗命令要求信号以较低的频率发送，因此D’Phy在低功耗和高速模式之间的这种间歇运动有助于降低总的功耗。

　　当没有数据需要传输时，所有通道都保持在ULPS状态（超低功耗模式）。这是一种特别的低功耗模式，有助于进一步降低功耗。ULPS状态是通过特定的低功耗模式进入的。一旦处于ULPS状态，所有通道都被驱动到低电平（0V）。时钟通道和数据通道的ULPS进入模式是不同的。

　　差分时钟和数据之间的时序关系

　　来自发送器的高速载荷数据在高速差分时钟（DDR时钟）的两个边沿传送，如下图所示。发送器传送的高速差分时钟和数据在相位上差90度，数据先发送。时钟和数据之间的这种时序关系有助于实现接收器数据通道对建立和保持时间的要求。

　　时钟和数据之间的时序关系

　　本文小结

　　作为物理串行通信层的MIPI D‘Phy具有低功耗工作的特性，因此对今天功耗较大的移动应用以及与移动有关的应用来说吸引力越来越大。