MIPI CSI2協(xié)議
[導(dǎo)讀]來源：公眾號瓜大三哥，版權(quán)歸瓜大三哥所有1MIPI簡介2MIPICSI-2簡介2.1MIPICSI-2的層次結(jié)構(gòu)2.2??CSI-2協(xié)議層2.3??打包/解包層2.4??LLP（LowLevelProtocol）層2.5??通道管理（LaneManagement）層2.6??物理...
1 MIPI簡介
MIPI 是 Mobile Industry Processor Interface（移動行業(yè)處理器接口）的縮寫。MIPI 聯(lián)盟是一個開放的會員制組織。2003年7月，由美國德州儀器（TI）、意法半導(dǎo)體（ST）、英國 ARM 和芬蘭諾基亞（Nokia）4 家公司共同成立。
MIPI 聯(lián)盟旨在推進(jìn)移動應(yīng)用處理器接口的標(biāo)準(zhǔn)化。MIPI 聯(lián)盟下面有不同的 WorkGroup ，分別定義了一系列的手機(jī)內(nèi)部接口標(biāo)準(zhǔn)，比如攝像頭接口 CSI 、顯示接口 DSI 、射頻接口 DigRF 、麥克風(fēng)/喇叭接口 SLIMbus 等。而 MIPI CSI-2 (Camera) and MIPI DSI (Display)則是目前業(yè)界使用最廣的兩個 MIPI 接口標(biāo)準(zhǔn)，而這也是和視頻傳輸相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，所以本文主要對 CSI-2 攝像頭標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹。
2 MIPI CSI-2簡介
MIPI CSI（Camera Serial Interface）是由MIPI聯(lián)盟下 Camera 工作組指定的接口標(biāo)準(zhǔn)。CSI-2 是 MIPI CSI 第二版，主要由應(yīng)用層、協(xié)議層、物理層組成，最大支持4通道數(shù)據(jù)傳輸、單線傳輸速度高達(dá)1Gb/s。
2.1 MIPI CSI-2 的層次結(jié)構(gòu)
MIPI CSI-2的分層方法有好幾種，根據(jù)MIPI聯(lián)盟的規(guī)范，CSI-2 可分為5層，如圖1所示，分別為：應(yīng)用層、組包/解包層、底層協(xié)議層（Low Level Protocol）、通道管理層和物理層。
圖1協(xié)議結(jié)構(gòu)層次詳細(xì)描述如下
| 名稱 | 描述 |
|---|---|
| 應(yīng)用層 | 即是處理原始圖像數(shù)據(jù)的各種算法模塊 |
| 組包/解包層 | 負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)按照一定的次序，切割成8比特數(shù)據(jù)。 |
| 底層協(xié)議層 | 為新生成的數(shù)據(jù)加上包頭包尾，形成符合協(xié)議要求的數(shù)據(jù)流。 |
| 通道管理層 | 將生成的數(shù)據(jù)流按照一定次序和要求，進(jìn)行讀寫管理，輸出數(shù)據(jù)流。 |
| 物理層 | 生成MIPI最后的信號波形。 |
2.2 CSI-2協(xié)議層
CSI-2 協(xié)議層允許多數(shù)據(jù)流(CSI-2TX)共用一個主機(jī)處理器端 CSI-2 接收信號接口（CSI-2RX）。協(xié)議層就可以描述有多少數(shù)據(jù)流被標(biāo)記并組合在一起，指定了多數(shù)據(jù)流怎樣被標(biāo)記和交叉存取，因此每個數(shù)據(jù)流可以在 SOC 處理器 CSI-2 接收器中被正確的重建，才能把各個數(shù)據(jù)流正確地恢復(fù)出來。
2.3 打包/解包層
CSI-2支持多種像素格式圖像應(yīng)用，包括從6位到24位每個像素的數(shù)據(jù)格式。
2.4 LLP（Low Level Protocol）層
LLP層包括為串行數(shù)據(jù)在傳輸開始（SoT）到傳輸結(jié)束（EoT）之間傳輸事件和傳輸數(shù)據(jù)到下一層，建立位級和字節(jié)級同步的方法。LLP最小數(shù)據(jù)粒度是1字節(jié)。LLP層也包括，每字節(jié)中各位數(shù)值分布解釋，即“端”（Endian）分布。
2.5 通道管理（Lane Management）層
為性能不斷提升，CSI-2 是通道可擴(kuò)展的。數(shù)據(jù)通道數(shù)目可以是1，2，3，4，這個依賴于應(yīng)用中的帶寬需求。接口發(fā)送端分配（“distributor”功能）輸出數(shù)據(jù)流到一個或更多通道。在接收端，接口從通道收集字節(jié)并將之合并（“merger”功能）成為重新組合的數(shù)據(jù)流，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)流序列。
2.6 物理層(PHY Layer)
定義了傳輸介質(zhì) (electrical conductors，導(dǎo)體)，輸入/輸出電路信號的電氣特性（electrical parameters）和時鐘機(jī)制（時序）。即如何從串行位流(Bit Stream)中獲取“0”和“1”信號。規(guī)范中的這一部分記錄了傳輸介質(zhì)的特性，并依據(jù)時鐘和數(shù)據(jù)通道之間發(fā)信號和產(chǎn)生時鐘的關(guān)系規(guī)定了電學(xué)參數(shù)。
3 MIPI CSI2的物理連接
除地線外，MIPI CSI2一般會有1對I2C通信引腳，1對MIPI差分時鐘引腳和1~4對MIPI差分?jǐn)?shù)據(jù)信號引腳，如圖2所示。
圖2信號描述如下
在典型的應(yīng)用中發(fā)送端在完成對圖像的各種處理后，按照協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后通過差分信號線向接收端傳輸信號，差分信號線一般有一對時鐘差分線和多對數(shù)據(jù)差分線，數(shù)據(jù)差分信號線的數(shù)量與需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的要求有關(guān)，數(shù)據(jù)量越大多對數(shù)據(jù)線能更容易滿足鏈路的需求。一般情況下兩百萬到五百萬像素的手機(jī)使用兩對差分?jǐn)?shù)據(jù)線，即兩個數(shù)據(jù)通道。而當(dāng)攝像頭像素進(jìn)一步提高到八百萬甚至一千三百萬時一般會使用四個數(shù)據(jù)通道，即四對差分?jǐn)?shù)據(jù)線。
| 名稱 | 描述 |
|---|---|
| DATA1 /DATA1- | MIPI協(xié)議組包生成的差分模擬數(shù)據(jù)信號第1組 |
| DATA2 /DATA2- | MIPI協(xié)議組包生成的差分模擬數(shù)據(jù)信號第2組 |
| CLOCK /CLOCK- | 協(xié)議組包生成的差分模擬時鐘信號 |
| SCL/SDA | IIC控制通道 |
4 MIPI CSI2的工作模式
D-PHY有兩種傳輸模式。
-
HS 高速傳輸模式，用于傳輸突發(fā)數(shù)據(jù)，同步傳輸，信號為差分信號，電平范圍為100mv-300mv，傳輸速度范圍是80-1000Mbps。在該模式下傳輸時，當(dāng)差分線正端收到 1.2V 信號，負(fù)端收到 0V信號時，這時接收端識別為 1。反之為0。
-
LP 低功耗模式，用于傳輸控制指令，異步傳輸，信號線為單端，電平范圍是0-1.2v，沒有用時鐘線，時鐘是通過兩個數(shù)據(jù)線異或而來的，速度只有10Mbps。在該模式下傳輸時，當(dāng)正端接收到300m V，負(fù)端接收到100m V 時接收端識別為1，反之則識別為0。
5 MIPI CSI2的數(shù)據(jù)包格式
MIPI CSI2是一個面向字節(jié)的，基于包的協(xié)議；它支持任意大小的數(shù)據(jù)通過短包和長包格式傳輸。各個包之間由EOT-LPS-SOT序列隔開，如圖所示。
LLP包有兩種：長包和短包。每個包的傳輸以SoT（start of transmission）開始，EoT（end of transmission）結(jié)束，中間間隙是LPS（Low Power State低功耗狀態(tài)）。
5.1 MIPI CSI2的長包格式
MIPI CSI2的長包主要有包頭、數(shù)據(jù)包和包尾三部分構(gòu)成。而包頭又可細(xì)分為：數(shù)據(jù)標(biāo)識（data identifier）、數(shù)據(jù)包大?。╳ord count）和錯誤校驗(yàn)碼（ECC）構(gòu)成如下圖所示。
其中，數(shù)據(jù)標(biāo)識大小為1字節(jié)，包含虛擬數(shù)據(jù)通道號[7:6]和數(shù)據(jù)類型[5:0]。
數(shù)據(jù)包大小為2字節(jié)，其內(nèi)容為傳送數(shù)據(jù)的長度，以“字”為單位。
錯誤校驗(yàn)碼大小為1字節(jié)，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)包的傳輸錯誤進(jìn)行檢查及糾錯。
數(shù)據(jù)包可以傳送數(shù)據(jù)的大小為0~65535字節(jié)。
包尾大小為2字節(jié)，是數(shù)據(jù)負(fù)荷的檢查和。
數(shù)據(jù)包大小為2字節(jié)，其內(nèi)容為傳送數(shù)據(jù)的長度，以“字”為單位。
錯誤校驗(yàn)碼大小為1字節(jié)，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)包的傳輸錯誤進(jìn)行檢查及糾錯。
數(shù)據(jù)包可以傳送數(shù)據(jù)的大小為0~65535字節(jié)。
包尾大小為2字節(jié)，是數(shù)據(jù)負(fù)荷的檢查和。
5.2 MIPI CSI2的短包格式
與長包相比，短包沒有數(shù)據(jù)包和包尾。數(shù)據(jù)標(biāo)識DI中的數(shù)據(jù)類型在0x00到0x0F之間。WC字段是短包的數(shù)據(jù)域，這個數(shù)據(jù)可由用戶定義。ECC采用的是Hamming Code的方式，能對1bit錯誤進(jìn)行糾錯，2bit錯誤進(jìn)行檢查，如下圖所示。
短包只是將長包中的WC的位置作為包的數(shù)據(jù)域，也就是說，短包每次最多只能發(fā)兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)。和長包一致，同樣需要先發(fā)LSB，再發(fā)MSB。應(yīng)當(dāng)注意的是，短包一般是用來發(fā)送同步控制信號的，一般不建議使用短包來發(fā)送用戶數(shù)據(jù)。
同步信號的類型如下：
同步信號的類型如下：
而當(dāng)Data Type為0x08到0x0F時，則為Generic Short Packet Code，即可發(fā)送用戶自定義數(shù)據(jù)。
.series("7SERIES")
) inst (
.ref_clock_in(ref_clock_in),
.reset(reset),
.mipi_phy_if_clk_hs_n(mipi_phy_if_clk_hs_n),
.mipi_phy_if_clk_hs_p(mipi_phy_if_clk_hs_p),
.mipi_phy_if_clk_lp_n(mipi_phy_if_clk_lp_n),
.mipi_phy_if_clk_lp_p(mipi_phy_if_clk_lp_p),
.mipi_phy_if_data_hs_n(mipi_phy_if_data_hs_n),
.mipi_phy_if_data_hs_p(mipi_phy_if_data_hs_p),
.mipi_phy_if_data_lp_n(mipi_phy_if_data_lp_n),
.mipi_phy_if_data_lp_p(mipi_phy_if_data_lp_p),
.m_axis_video_aclk(m_axis_video_aclk),
.m_axis_video_aresetn(m_axis_video_aresetn),
.m_axis_video_tready(m_axis_video_tready),
.m_axis_video_tuser(m_axis_video_tuser),
.m_axis_video_tlast(m_axis_video_tlast),
.m_axis_video_tvalid(m_axis_video_tvalid),
.m_axis_video_tdata(m_axis_video_tdata)
);
端口描述如下：（輸入為MIPI接口數(shù)據(jù)流，輸出為axi stream數(shù)據(jù)流）
IPIP層次IP頂層模塊IP輸出接口時序
reset : 輸入復(fù)位
ddr_bit_clock : 輸出單端時鐘
ddr_bit_clock_b : 輸出反向單端時鐘
byte_clock : 輸出字節(jié)時鐘頻率為輸入頻率的1/4
6 基于FPGA的MIPI接口實(shí)現(xiàn)
6.1 接口描述
源碼請看【資料獲取】csi_4lane_raw10 #(
.series("7SERIES")
) inst (
.ref_clock_in(ref_clock_in),
.reset(reset),
.mipi_phy_if_clk_hs_n(mipi_phy_if_clk_hs_n),
.mipi_phy_if_clk_hs_p(mipi_phy_if_clk_hs_p),
.mipi_phy_if_clk_lp_n(mipi_phy_if_clk_lp_n),
.mipi_phy_if_clk_lp_p(mipi_phy_if_clk_lp_p),
.mipi_phy_if_data_hs_n(mipi_phy_if_data_hs_n),
.mipi_phy_if_data_hs_p(mipi_phy_if_data_hs_p),
.mipi_phy_if_data_lp_n(mipi_phy_if_data_lp_n),
.mipi_phy_if_data_lp_p(mipi_phy_if_data_lp_p),
.m_axis_video_aclk(m_axis_video_aclk),
.m_axis_video_aresetn(m_axis_video_aresetn),
.m_axis_video_tready(m_axis_video_tready),
.m_axis_video_tuser(m_axis_video_tuser),
.m_axis_video_tlast(m_axis_video_tlast),
.m_axis_video_tvalid(m_axis_video_tvalid),
.m_axis_video_tdata(m_axis_video_tdata)
);
端口描述如下：（輸入為MIPI接口數(shù)據(jù)流，輸出為axi stream數(shù)據(jù)流）
| 端口 | I/O | 描述 |
|---|---|---|
| ref_clock_in | I | 200M輸入?yún)⒖紩r鐘 |
| reset | I | 復(fù)位，高有效 |
| mipi_phy_if_clk_hs_n mipi_phy_if_clk_hs_p | I | HS鏈路差分時鐘 |
| mipi_phy_if_clk_lp_n mipi_phy_if_clk_lp_p | I | LP鏈路差分時鐘 |
| mipi_phy_if_data_hs_n mipi_phy_if_data_hs_p | I | HS鏈路差分?jǐn)?shù)據(jù) |
| mipi_phy_if_data_lp_n mipi_phy_if_data_lp_p | I | LP鏈路差分?jǐn)?shù)據(jù) |
| m_axis_video_aclk | I | 視頻輸入時鐘 |
| m_axis_video_aresetn | I | 視頻輸入復(fù)位，低有效 |
| m_axis_video_tready | I | 視頻輸入準(zhǔn)備信號 |
| m_axis_video_tuser | O | 視頻輸出的幀開始 |
| m_axis_video_tlast | O | 視頻輸出行結(jié)尾 |
| m_axis_video_tvalid | O | 視頻輸出數(shù)據(jù)有效 |
| m_axis_video_tdata | O | 視頻輸出數(shù)據(jù) |
6.2 模塊分析
程序接口如下圖，主要由三個模塊組成：
-
解串模塊（csi_rx_4_lane_link）
-
協(xié)議解析模塊（csi_rx_packet_handler）
-
RAW10bit（csi_rx_10bit_unpack）生成模塊
6.2.1 解串模塊
解串模塊主要完成字節(jié)對齊和字對齊，程序結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。
-
csi_rx_hs_clk_phy：
reset : 輸入復(fù)位
ddr_bit_clock : 輸出單端時鐘
ddr_bit_clock_b : 輸出反向單端時鐘
byte_clock : 輸出字節(jié)時鐘頻率為輸入頻率的1/4
-
csi_rx_clock_det：檢測外部時鐘是否穩(wěn)定：等待參考時鐘穩(wěn)定200個時鐘周期，并且byte_clock時鐘穩(wěn)定3個時鐘釋放復(fù)位。
-
csi_rx_idelayctrl_gen：idelayctrl配合idelay使用
-
csi_rx_hs_lane_phy：抖動補(bǔ)償和串化
-
csi_rx_byte_align：對齊某一字節(jié)，相當(dāng)于找同步字
-
csi_rx_word_align：將不同通道之間的字節(jié)對齊到某一個字
6.2.2 協(xié)議模塊
csi_rx_packet_handler，解析數(shù)據(jù)協(xié)議，根據(jù)協(xié)議解出vsync_out，Line_valid，里面包括長短包判斷，ECC校驗(yàn)產(chǎn)生valid等。
6.2.3 RAW 10bit生成模塊
csi_rx_10bit_unpack：解包為RAW 10bit，如果是8bit則不需要此模塊
6.3 實(shí)例應(yīng)用
本次實(shí)例是應(yīng)用于xlinx 的xc7z035ffg676上，開發(fā)環(huán)境為vivado 2017.4。
6.3.1 硬件結(jié)構(gòu)框圖
硬件結(jié)構(gòu)框圖如下：主要包括MIPI接口的解碼，外設(shè)IIC配置sensor，GPIO復(fù)位外部Sensor。
6.3.2 IIC配置
Main函數(shù)里面：先進(jìn)性IIC初始化，GPIO初始化，進(jìn)行復(fù)位，然后配置Sensor配置。
6.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
可以看到成功解串出來數(shù)據(jù)。
下載文檔
