MIPI系列之“D-PHY”

shanyan · 发表于 2019-5-30 07:51:33

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本篇主要介绍MIPI物理层规范中的D-PHY，主要包括D-PHY的架构、操作模式、电气特性等。
MIPI D-PHY将百万像素摄像头和高分辨率显示器连接到应用处理器。它是一个时钟驱动的同步链路，可提供高噪声容限和高抖动容限。MIPI D-PHY还提供高速和低功耗模式之间的低延迟转换。
由于其灵活，高速，低功耗和低成本的特性，MIPI D-PHY是智能手机中用于相机和显示器的主流PHY。它也可以应用于许多其他地方，例如汽车摄像头传感系统，防撞雷达，车载信息娱乐系统和仪表盘显示器。
由于链路收发器的主从关系，链路的操作和可用数据速率是不对称的。非对称设计显著降低了链路的复杂性，并且非常适合于具有一个主要数据传输方向的显示器用例。支持双向和半双工操作。
1、D-PHY架构
D-PHY的最初版本的设计目标是500Mbits/s，而D是罗马数字（拉丁文数字）中500。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。
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～2.5Gbps），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模式下采用单端信号（1.2V LVCMOS信号），数据速率很低（≤10Mbps），但是相应的功耗也很低，用于传输初始化控制信号。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。无论是HS模式还是LP模式，都采用LSB first，MSB last的传输方式。
在LP模式下，只用lane0实现双向数据传输，时钟是使用数据Dp和Dn的EXOR恢复的。
链路层的模式分为：Command模式和Video模式。链路层选择Command模式时，物理层可以为HS模式，也可以为LP模式；链路层选择Video模式时，物理层只能选择HS模式。

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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对差分线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（时钟恢复），因此不需要传输时钟。此时，用户可以根据实际需求，设置Clock Lane继续运行或者关闭以降低功耗。常见的LPDT模式（Low-PowerData Transmission）和ULPS模式（Ultra-Low Power State）都是Escape Mode的一种。
D-PHY中一共有三种Lane，Unidirectional Clock Lane、Unidirectional Data Lane以及Bi-directional Data Lane。
需要注意的是，D-PHY的Bidirectional通信是一种半双工的双向通信模式，同时，反向传输的速度只有正向传输的1/4。
2、操作模式及转换

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一个典型的HS传输过程的序列为：LP-11→LP-01→LP-00→HS→LP-11；

转向(TurnAround)的序列为：LP-11→LP-10→LP-00→LP-10→LP-00；
Escape Mode传输过程的序列为：LP-11→LP-10→LP-00→LP-01→LP-00；
2.1、High-Speed Data Transmission
Start-of-Transmission的流程如下表所示：

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End-of-Transmission的流程如下表所示：

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HS Data Transmission Burst的流程如下所示：

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2.2、Bi-directional Data Lane Turnaround
Turnaround的流程如下所示：

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当通道没有进入driver overlap阶段之前，如果通道上有STOP状态出现，反转过程可以被打断，当Lane已经完成了driver overlap，通道已经完成了反转，此时再有STOP状态也不能打断turn around过程。

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2.3、Escape Mode
LP Escape Mode特性如下:
Does not depend on clock lane
Maximum data rate 10 Mbit/s
Low power data transfer
Ultra low power mode
4 remote triggers
2 reserved functions
8-out-of-256 codes selected for maximum robustness
In case of code mismatch everything is ignored tillnext Stop state

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当检测到LP-11→LP-10→LP-00→LP-01→LP-00序列的最后一个LP-00时，就进入了Escape模式。
进入Escape模式后，Data lane上发送的数据都经过了spaced-one-hot编码，每个有效的位置(Mark)后都跟着一个Space。只有STOP之前的最后一个Mark1才不需要跟随一个Space。
当线上检测到第二个LP00(bridge)状态后，通道进入Escape Mode，标志当前状态为space state，在Bridge状态之前，线上检测到任何LP11状态都会导致通道尝试进入Escape模式的努力失败，通道重新返回STOP状态。
由于Space-one-hot编码的特性，PHY不需要Clock Lane来进行解码，如果电路特性满足要求，使用D+和D-就可以恢复出Escape Mode下的Clock信号。由于D+和D-上的Mark是差分的（即D+为Mark0的时候，D-上一定是Mark1状态），只需要把D+和D-简单叠加即可还原出CLK波形。
Data Lane进入Escape模式后，发送方需要发送一个8bit的模式选择命令来表明请求的类型，下表是模式选择命令的具体对应关系：

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LPDT模式是Escape模式的一种，可以进行低速的数据传输，其数据编码仍然是采用Spaced-one-hot方式。需要注意的是，LPDT模式有Pause模式，在此模式下，传输可以暂停。如上图红线框出的区域。负载(Payload)是一次数据传输中，实际有效传输的内容数目，最小单位为字节。在传输过程中，为了确保Burst传输的正确性，需要在有效数据的前后添加一些辅助头和辅助尾。MIPI协议没有对Payload的最大值作出规定，但是考虑到Payload太小会降低传输效率，太大的话由于误码率的影响会导致频繁的重传，需要使用者权衡出一个比较合适的Payload值。

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3、电气特性
D-PHY两种工作模式的硬件信号不一样，HS模式为LVDS信号，LP模式为LVCMOS信号，其信号电平如下所示：

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