MIPI DPHY&CPHY接口描述及FPGA实现要点

MIPI是移动领域最主流的视频传输接口规范，没有之一，目前应用最广泛的是MIPIDPHY和MIPI CPHY两组协议簇（另外还有MIPI MPHY，属于高速Serdes范畴，应用不那么广泛），其中CSI-2主要用于图像接入（一般是接Sensor），DSI-2主要用于图像输出（一般是输出到显示屏）。

本文主要以CSI-2为例进行仔细说明，DSI-2雷同，举一反三即可。

1 接口协议比较

关于MIPI DPHY和MIPI CPHY的详细物理层协议和CSI-2/DSI-2协议咱们自己下载官方英文版细细品读即可，这里主要讲关键点。

1.1 物理层

开局一张图（见下图1），内容是干货，MIPI CPHY和DPHY物理层之间的差异全在这张图里面了。

图1 MIPI DPHY和CPHY物理层直观比较图

从图1可以看出，最直观的差异是DPHY是源同步系统，有专门的同步时钟通道，但是CPHY没有同步时钟，时钟是嵌入到数据中的。显然的，实现嵌入时钟的目的是为了增加带宽，肯定会涉及到编码，物理层的结构必然是完全不同，单从线路上看，CPHY是一个A/B/C三线系统。

MIPI DPHY的物理层，咱们大家都很清楚，一对时钟，几对数据，接收端根据时钟边沿采样数据，找到0xB8的同步头，物理层实现就算是齐活了，但MIPI CPHY不同，因为它不传输时钟，那么要接收CPHY的数据，必须先恢复时钟，然后再用恢复的时钟采样数据并寻找同步头，最后还需要进行数据解码恢复出最初的发送的内容（发送端的过程相反）。

那么，CPHY物理层到底是怎么实现嵌入时钟这一关键步骤的呢？请看下图2和图3。

图2 CPHY“线态”变化图

图3 CPHY接口等效电路图

结合图2和图3，CPHY物理链路（A/B/C线）上传输的是不同的电平，通过A-B，B-C，C-A的电平运算，恢复出+x，-x，+y，-y，+z，-z六种不同的线态，通过前后线态的旋转方向，相位和极性恢复出编码符号，再通过连续7组符号解码出16bit的数据，整个过程见下图4。

图4 数据恢复过程图

为何要选择这比DPHY复杂多的物理层呢？一切都是为了提升带宽，从图2可以看出，某种线态的可能有5种不同的变化，那么它每个符号可编码的数据为log 2 （5） = 2.3219，理论带宽为DPHY的2.3219倍，每16bit数据编码成7个符号，带宽优势明显。

1.2 CSI-2层

MIPI CPHY和MIPI DPHY的CSI-2层协议大致相同，细节上的差异如下：

（1） DPHY以Byte为单位进行数据组织；CPHY以16bit Word为单位进行数据组织；

（2） DPHY 的短帧和长帧的帧头信息与数据的组织方式相同；CPHY则是固定每个通道为6×16bit的帧头信息（短帧信息），见下图5。

图5 CPHY CSI-2数据组织

因此，在CSI-2解包逻辑尚无法完全共用。

2 FPGA实现

MIPI接口电平比较特殊，LP模式下为1.2V的LVCMOS电平，DPHY在HS模式下为SLVS-400电平，CPHY在HS模式下需要做电平减法运算。

2.1 硬件电路

就目前而言，直接支持MIPI DPHY的FPGA主要有Xilinx UltraScale+系列（1.5Gbps/Lane Max）Lattice Crosslink（1.5Gbps/Lane Max）及Lattice Crosslink NX（2.5Gbps/lane Max），其它型号的PFGA均需添加额外的电平转换电路将信号转换为LVDS。

（1） DPHY，低于800Mbps/lane速率，使用电阻网络即可；高速率的需选用专门的电平转换芯片，如MC20901、LT89101L等；

（2） CPHY，因为需要做减法运算，故可用专门的告诉比较器（或Repeater），结果以LVDS电平输出。

2.2 逻辑实现

逻辑实现的差异主要在物理层，CPHY和DPHY完全不同。

2.2.1 MIPI DPHY

MIPI DPHY属于源同步系统，转换为LVDS电平后就是一个通用的ISERDES逻辑，主要是时钟方案有两种考虑：

第一种：使用PLL、MMCM或DLL，此种方案对PLL的锁定时间有较高的要求，通常要求us级才能保证在时钟不连续模式下正常锁定，当然具有专用DPHY逻辑的器件有专门的PLL电路实现。这种方案的好处是不易受时钟毛刺的影响，接收较为稳定。

第二种：在源同步时钟基础上使用专门的时钟buffer分频（如Xilinx 7系列的BUFR），这种方案可适应任意速率，不需要预先设定速率来配置锁相环电路，缺点是易受时钟毛刺影响，出错率稍高。

2.2.2 MIPI CPHY

MIPI CPHY的难点是时钟恢复，在FPGA系统中，没有针对MIPI CPHY的专用时钟恢复电路（CDR），因此，需要充分利用CPHY的线态编码均衡和FPGA可编程延时电路的特点来实现CDR，这种方案理论上要求FPGA内部延时逻辑约精确越好，LUT时钟性能越高，这样会把时钟恢复误码和抖动降到最低。时钟恢复完成后，线态解码、符号解码和数据恢复流程见图4。

总之，MIPI CPHY在MIPI DPHY的基础上成倍增加了带宽，减少了线对数量，在高速大靶面传感器和高分高刷新移动设备OLED应用上越来越普及。

2.2.3 资源占用

Panda君在Xilinx kintex-7系列FPGA对MIPI DPHY+CPHY 接收IP进行了验证，占用资源SliceLUTs为2352个，Slice Registers 3401个。本方案亦可在紫光同创、高云等国产FPGA上降速实现。

图5 MIPI DPHY+CPHY Vivado工程图