MIPI CSI-2总结: 基于DPHY2.1

CSI（Camera Serial Interface）定义了摄像头外设与主机控制器之间的接口，旨在确定摄像头与主机控制器在移动应用中的标准。

关键词描述

概述

CSI-2定义了摄像头应用中发送方（camera）与接收方（soc）之间的数据与控制传输标准，其物理层支持DPHY与CPHY两种，这里以DPHY为例。

CSI-2层定义

与网络标准的多层协议相似，CSI-2标准也对camera数据处理的过程进行了分层，简单来说分为应用层、协议层与物理层。协议层又进行了细分：像素字节转换层、低级协议层、Lane管理层。

• 应用层（Application Layer）
  该层主要用于不同场景对数据的处理过程，对于发送方，多为camera生成数据，对于接收方，多为SOC对数据进行处理。

• 协议层（Protocol Layer）
  CSI-2协议可以使用SOC上的一个物理接口实现多条数据流的传输。协议层规定了如何对多条数据流进行标记和交织，从而使每条数据流能够正确地重建。

  • 像素字节转换层（Pixel/Byte Packing/Unpacking Layer）:CSI-2能够支持多种多样的像素格式，对于发送方，在数据发送之前，需要根据像素格式，将像素数据转换为对应的字节流；对于接收方，在将数据提供给应用层之前，需要将字节流数据转换为像素数据。
  • 低级协议层（Low Level Protocol）：LLP指的是SoT与EoT之间的数据包字节流协议，LLP的最小单元为字节。
  • Lane管理器（Lane Management）：为了适应不同场景下对带宽的要求，CSI-2规定了Lane的数量是可拓展的。因此，在面临多Lane同时传输时，发送方需要对字节流进行公平分流（distributor），接收方则需要对多Lane数据进行合并（merger）。
• 物理层（PHY Layer）
  PHY层指定了传输媒介，在电气层面从串行bit流中捕捉“0”与“1”，同时生成SoT与EoT等信号。

物理层 DPHY

DPHY在物理上采用2线差分接口，由1对的差分clock lane与1对或多对的差分data lane组成。

上图表明使用DPHY作为物理层时，Camera与SOC之间的硬件关系。SOC的CCI组件通过I2C完成对Camera的配置，使其输出mipi信号，其中一对Clock+/-则由Clock Lane标示，一对DataNBA+/-则由Data Lane标示。

DPHY工作于两种工作模式：

• HS（High Speed Mode），这种模式用于传输高速的数据信号，如视频流；高速模式下，每对Lane都是工作在低电压摆幅的差分状态下，数据速率为80Mbps到1500Mbps。
• LP（Low Power Mode），这种模式则可以用来传输控制信号；低速模式下，每对lane的2根导线都转变为单端状态，数据速率为10Mbps。

上图为单个Lane模块的内部组成，包含了CIL（Lane控制器与借口逻辑器），LP驱动器，HS驱动器，LP冲突检测。CIL负责控制各个驱动器的工作状态，使得Dp、Dn的工作状态可以在HS与LP之间进行切换。

处于HS模式下，差分信号电平摆幅约为200mV；处于LP模式下，单端信号电平摆幅约为1.2V。
在LP模式下，根据各个Line的电平可以确定当前Lane的State。

Data Lane

Data Lane差分线电平的高低表明了当前处于何种状态，发送方通过驱动差分线一系列的状态变化，进入不同的工作模式。

• Burst Mode：High-Speed下的唯一模式，高速数据传输模式，此时各个Lane的Line工作在差分模式
• Control Mode：Low Power下的一种模式，可以通过变化不同的state进入其他模式。
• Escape Mode：Low Power下的特殊模式，在这种模式下可以使用一些特别的功能，详见下文。

协议中规定了进入不同模式时的state变化状态：

• HS模式：

  • 进入HS模式：LP11->LP01->LP00

通常进入HS模式也就伴随着高速数据的传输，因此SoT（启动传输）信号也就产生（由于手头没有差分探针，示波器抓到的波形只能看出大致形状）。

上图为完整的SoT时序，可以看出SoT由“进入HS模式（A）”和“同步序列（B）”组成。

SoT流程如下：

• 退出HS模式：LP11

EoT流程如下：

• 进入Escape模式：LP11->LP10->LP00->LP01->LP00
  进入Escape模式后，则可以通过发送8bit命令执行相应的功能，下表列出了可用的Escape命令：

1. Low-Power Data Transmission

   LPDT功能下，数据能够在LP模式下进行低速传输，此时Clock的时钟需要小于20MHz。

   

  上图描述了LPDT下传输2Byte数据的时序。

1. Reset-Trigger

   Reset-Trigger是发送方与接收方相互对应的通信形式，如果输入命令模式与Reset-Trigger命令相匹配，则在接收端通过逻辑PPI向协议标记一个
   

2. Ultra-Low-Power

   
   发送方发送ULPS码后，接收方则可以根据这个信号进行自己的LowPower处理。在
   ULPS期间，Line始终处于LP00状态。若出现持续T<sub>WAKEUP</sub>的Mark-1状态后紧接着Stop状态则退出ULPS。
   

Clock Lane

与Data Lane一样，Clock Lane也有两种模式，高速传输模式与低功耗模式。

很明显，Clock Lane进入与退出高速模式与Data Lane基本一致。
下面两个表格描述了进入LowPower模式与HS模式的过程(结合上面的时序图与Lane模块的内部组成图一起看)

进入LP模式：

进入HS模式

时序参数

接收方的DPHY能否成功捕捉到有效的数据取决于发送与接收两方之间的时序，下表列出了收发双方的所有时序参数，其中接收方的时序应该能够兼容发送方的时序参数。

多Lane的分发与合并

当某些应用场景需要的带宽超过了单Lane所能提供的带宽或者为了降低Clock频率的情况下，则可以通过拓展Data Lane来满足要求。

下图展示了数据流在单lane与多lane的情况下，发送方内部的Lane Distribution Function（LDF）对来自LLP层的字节数据流的分发过程。

对于接收方，对应的拥有一个Lane Merging Function（LMF），用于将PHY层的多lane的数据合并为LLP层所需的字节流。

在多Lane（定为N）传输的情况下，对于一帧数据，其数据长度不是Lane数量（N）的整数倍的情况下，则倒数第二组数据发出后会剩下少于N的字节需要发送，此时LDF会将无数据分配的Lane置为“Invalid Data”直接进入EoT。

下图展示了分发后的数据在2个Lane上的传输情况（包含两种情况）

多Lane合并就是多Lane分发的相反过程，这里就不在赘述。

低级协议（Low Level Protocol）

LLP是基于字节，以包为单元的协议，支持长短两种包格式。

• 传输任意数据（负载独立）
• 以字节为数据元
• 对于DPHY，支持16路虚拟通道；对于CPHY，支持32路虚拟通道
• 支持独立的帧起始，帧结束，行起始，行结束等数据包
• 包含对数据类型，像素深度与格式的描述
• 16-bit Checksum错误侦测
• 6-bit 错误发现与纠正

LLP支持两种包结构，分别为长包与短包，包格式与长短取决于具体的物理层。无论何种类型的包，均由SoT信号开始，EoT信号结束。

以DPHY为例来分析具体的协议格式，DPHY长包主要由包头、包负载、包尾三部分组成，具体如下图：

短包协议格式如下图：

其中Data Type取值为0x10-0x37（见下图），虚拟通道由4bit构成，高2bit来自VCX，低2bit来自Data ID的bit6、7。

上图可以发现，短包有两类Data Type

• 同步短包：用于对帧或行起停进行标识，起到同步作用。

• 通用短包：通用短包数据类型的目的是提供一种在数据流中打开/关闭快门、触发闪光灯等的机制。16bit短包数据域用于传输约定好的信息，实现对一些自定义功能的控制。

虚拟通道（virtual Channel ID）

虚拟通道的作用是在交织传输的不同数据流中，区分出各个数据流所属的逻辑上的通道，以max9286为例，来自4路同轴线的相机数据可以设置为不同的虚拟通道，这样，在SOC侧CSI模块处理时，可以根据不同的虚拟通道ID将每个摄像头的数据转发至各自的内存区域，这样就能从4个地址获得单独的4个图像。若不使用虚拟通道，则4路数据就无法区分了（当然max9286内部能够将4个图像拼接为一个大图输出）。
虚拟通道由包头中的VC与VCX构成，对于DPHY来说，由4bit组成，最高16路虚拟通道，高2bit来自VCX，低2bit来自VC。

数据类型（Data Type）

数据类型表明了负载数据的格式和内容，上文提到，根据长短包的不同，数据类型共有8种不同的分类。短包数据类型的详细信息在上文已经介绍了，这里说明下长包的5种数据类型，详见下表：

像素字节转换

图像数据在LLP传输时需要以字节流的形式进行，应用层来的像素数据需要根据具体的像素格式进行转换，以YUV422 8bit为例：
YUV422 8bit是以UYVY的顺序进行传输的，见下图：

YUV422 8bit的最小包传输单元如下表，其他长度的包长度必须为最小单元的整数倍：

为什么最小包单元是2pixels、4bytes、32bit而不是1pixels、2bytes、16bit呢？这是因为YUV422 8bit中两个Y分量共用一个UV分量，因此一Packet至少需要携带2个pixels的信息。

像素至字节的转换过程如下，从CSI-2标准文档提供的示意图可以看出，相对与原数据其实也没做啥转换，就统一了数据在LLP传输时高底位的发送顺序。