用于 MIPI 摄像头和显示器的集成 IP

人类视觉虽然很重要，但是高分辨率图像传感器连接的机器视觉正在慢慢接管多项视觉任务。这类要求正推动高达 600 兆像素、并具有人工智能 (AI) 功能的图像传感器的技术发展趋势，这些传感器可用于从移动设备以及汽车再到物联网 (IoT) 的各种市场的其他用例。移动应用（主要是高端智能手机）已经部署了多个需要显著提高带宽的高分辨率图像传感器。汽车应用中的视觉系统（如 ADAS 和车载信息娱乐系统）将多达 30 个图像传感器与激光雷达和雷达等其他传感技术结合一同使用，这导致技术复杂程度不断增加。此外，汽车应用还必须符合所有严格的汽车功能安全、质量、可靠性和安全标准。同时，达到车辆安全完整性等级 (ASIL) 规范。图像传感器需在依托 AI的情况下，具有面部识别功能。

同时，移动设备和汽车市场陆续推动嵌入式显示器创新。现已着手部署分辨率更高、且具有 120 Hz 的刷新率和可折叠的显示器。不太复杂的 IoT 应用也正在淘汰传统显示器接口，并开始利用新标准摄像头和显示器接口的规范。

摄像头和显示器片上系统 (SoC) 需要支持高速率高效传输大量数据的接口技术。虽然 MIPI 摄像头和显示器接口是移动产品的事实标准，但该行业逐渐在汽车、IoT 和其他新兴摄像头和显示器应用方面表现出优势。

本文重点介绍了 MIPI CSI-2、DSI/DSI-2、D-PHY 和 C-PHY 接口的独有特性，并简要介绍了设计人员如何使用兼容的 MIPI IP 将接口集成到其 SoC 设计中。

MIPI D-PHY 和 C-PHY 接口

MIPI 为摄像头和显示器连接提供两个物理层：D-PHY 和 C-PHY。D-PHY 是一种获得业界广泛采用的标准，已经过多年验证，可提供高达每通道 4.5 千兆位/秒的数据速率，而且还在不断提高。它是一个源同步架构，具有专用时钟通道和两种运行模式，提高了效率。MIPI D-PHY 提供具有差分信号、适用于数据传输的高速模式，以及具有单端 1.2V 信号、适用于控制和握手数据的低功耗模式，如图 1 所示。第 3 版 D-PHY 预计很快就会发布，届时数据传输速率将高达每通道 9 千兆位/秒。 

图 1：在数据通道旁显示专用时钟通道的 MIPI D-PHY 实现

2014 年推出的 MIPI C-PHY 正被迅速应用于摄像头和显示器应用。C-PHY 可在覆晶玻璃、覆晶薄膜和覆晶塑料等受限通道实现更高的带宽。

如图 2 所示，C-PHY 的实现是相当独特的，每个三元组 3 条线，并采用三相编码。映射和编码规则可确保 3 条线路协同工作而不会发生争用，这有助于在接收器上实现时钟和数据恢复 (CDR)，并通过减少引脚大幅提高带宽和能效。实际位率是信号率的 2.28 倍，因为七条 C-PHY 线路转换对应 16 位的数据。

C-PHY 没有专用的时钟通道。嵌入式时钟消除了时钟杂散辐射问题，并可灵活安排摄像头和显示器链路的连接。

C-PHY v1.2 的速率高达 3.5 千兆位/秒/三元组。常见的应用使用 3 个三元组，相当于约 24 千兆位/秒的总带宽。C-PHY v2.0 也可使用，并且速率高达 6 千兆位/秒/三元组。 

图 2：显示单端驱动程序且无需专用时钟通道的 MIPI C-PHY 实现 

MIPI D-PHY 和 C-PHY 集成

虽然 MIPI D-PHY 和 C-PHY 各具优势，但将其集成之后，能够发挥更大的优势。这可通过支持 C-PHY 和 D-PHY 的 IP 实现，因为它们彼此的电气规格实际上是相似的，除了线路驱动器和接收器之外，大多数电路都可以重复使用。C-PHY 和 D-PHY 可以共存于同一组引脚中。

在集成的 C-PHY/D-PHY 实现中，同一 PHY IP 在 C-PHY 模式或 D-PHY 模式下均可执行，提供满足各种关键要求的独特实现。这些要求包括 D-PHY 成熟度、D-PHY 向后兼容性、同时支持 C-PHY 和 D-PHY 连接的灵活性、性能、功率效率，以及主要在 C-PHY 模式下的 EMI 降幅。 

摄像头串行接口 2 (CSI-2)

MIPI CSI-2 接口是一种视觉平台，适用于移动设备等多种应用领域。图 1 展示了各种版本的 CSI-2 标准和特性。CSI-2 v1.x 更加侧重于加快传输，以实现更高的分辨率、帧速率和每像素位数，而这些都是移动应用的关键要求。版本 2.x 增加了更多与其他应用相关的功能，包括用于识别不同来源负载的虚拟通道。虚拟通道对于 ADAS 等使用多个图像传感器的应用，或任何需要在同一传感器区分多种曝光的应用，都是非常重要的。其它 CSI-2 特性包括：

• 功率频谱密度 (PSD) 降低功能使图像传感器更接近敏感电路。这是通过扰乱机制实现的，旨在减少重复和周期性像素序列（如果是 D-PHY，则会结合扩频时钟）
• 延迟减少和传输增效 (LRTE) 可减少协议延迟，并能够聚合更多针对实时感知和决策应用的资源
• 差分脉冲编码调制 (DPCM) 压缩功能可降低带宽，同时维护与机器视觉算法相关的关键属性
• RAW-16/20 色彩深度支持需要高动态范围 (120+ dB) 的机器视觉，实时感知应用

CSI-2 v3.x 进一步增加了更多功能，如统一串行链路 (USL)，该功能可减少所需的线缆数量，并利用 LRTE 扩展通道，超过传统的 30 厘米规格。此版本还增加了 RAW-24 色彩深度，适用于更高的动态范围实现，用于检测照明变化条件下的亮度差异。智能兴趣区 (SROI) 是指选择性地传输抓拍的场景。该特性可显著降低侧重于检测微小差异、缺陷或异常的应用所需的带宽。即将推出的 CSI-2 v4.x 将解决更多需要功能安全、安防和不间断运行功能的用例。

图 3：经历多代发展的 MIPI CSI-2 的主要特性

显示器串行接口 (DSI)

MIPI DSI/DSI-2 是嵌入式显示器应用的事实接口。它能实现两个模式的显示器——视频模式和命令模式。视频模式显示器不需要帧缓冲区，图像刷新由主机或 SoC 处理。所有这些都要求在主机和面板之间实现时序同步，因而增加了复杂程度。然而，由于面板没有帧缓冲区，所以具有进行低成本实现的优势。另一方面，命令模式需要在显示器上配备本地帧缓冲区，从而提高了实现成本。但是，其优势在于可以灵活地刷新窗格。例如，命令模式显示支持更新部分窗格。通常，主机 SoC 上的 DSI 端口同时实现视频模式和命令模式，主显示器使用视频模式，而辅助显示器使用命令模式。  

DSI v1.x 更加侧重于支持加快传输，以实现更高的分辨率、帧速率和每像素位数。它还支持 VESA DSC，以实现对目标高分辨率显示器的视觉无损压缩。DSI-2 v1.1 新增降低功耗频谱耗散 (PSD) 的功能和新的 VESA 压缩机制——VESA VDC-M 1.1，能够以每像素 6 位实现高达 5:1 的压缩。Vesa DSC1.1 支持以每像素 8 位实现高达 3:1 的压缩。增加压缩功能可带来许多其他优势，包括因降低所需的逻辑和链接速度而实现更简单的 SoC 架构，从而有助于限制 EMI、节约功耗和引脚数量。即将推出的 DSI-2 v1.2 将解决需要内容保护和功能安全的用例。

图 4：经历多代发展的 MIPI CSI-2 的主要特性

总结

摄像头和显示器被不断用于到汽车、工业和医疗设备、智能手机和其他移动设备，以及机器视觉应用。多年来，高分辨率视频和图像所需的数据不断增加，迫使摄像头和显示器 SoC 需要处理更复杂的视觉数据。MIPI Alliance 提供一系列摄像头和显示器接口，可为各种高级功能提供不同连接，从基本连接到复杂的多图像传感器和显示器连接，与此同时，此方案还可满足带宽、功耗和实现成本等基本要求。

新思科技支持 MIPI 接口与采用高级 FinFET 工艺、经过硅验证的 DesignWare^® MIPI 摄像头和显示器 IP 产品组合的集成，支持 C-PHY、D-PHY、CSI-2 和 DSI/DSI-2。DesignWare MIPI C-PHY/D-PHY IP 将两个 MIPI 接口集成在一起，提供低于 1.3 皮焦/位的能耗和 24 Gb/s 的运行速率，同时可与 DesignWare CSI-2 和 DSI/DSI-2 控制器 IP 解决方案无缝互操作。DesignWare MIPI 控制器支持 MIPI 规格的主要特性。新思科技的 MIPI IP 是专门为 ISO 26262 随机硬件故障开发并评估的 ASIL B 标准就绪 IP，该标准是功能安全应用的关键要求。

如需了解详细信息，请访问 DesignWare MIPI IP 解决方案网页。