MIPI协议

Posted 2022-02-08 四季帆

1. MIPI CSI2简介

        MIPI联盟是一个开放的会员制组织。2003年7月，由美国德州仪器（TI）、意法半导体（ST）、英国ARM和芬兰诺基亚（Nokia）4家公司共同成立。MIPI联盟旨在推进移动应用处理器接口的标准化 。MIPI联盟下面有不同的WorkGroup，分别定义了一系列的手机内部接口标准，比如摄像头接口CSI、显示接口DSI、射频接口DigRF、麦克风/喇叭接口SLIMbus等。

        CSI（Camera Serial Interface）是由MIPI联盟下Camera工作组指定的接口标准。CSI-2是MIPI CSI第二版，主要由应用层、协议层、物理层组成，最大支持4通道数据传输、单线传输速度高达1Gb/s。

2. MIPI CSI2的分层结构

        MIPI CSI2的分层方法有好几种，根据MIPI联盟的规范，CSI2可分为5层，分别为：应用层、组包/解包层、底层协议层（Low Level Protocol）、通道管理层和物理层。

2.1 协议结构名词解释

应用层         即是处理原始图像数据的各种算法模块
组包/解包层    负责将数据按照一定的次序，切割成 8 比特数据。
底层协议层     为新生成的数据加上包头包尾，形成符合协议要求的数据流。
通道管理层     将生成的数据流按照一定次序和要求，进行读写管理，输出数据流。
物理层         生成 MIPI 最后的信号波形

像素数据       经过图像模块处理过的数据流，或者原始图像的数据路。
传输数据       经过MIPI模块切割或者加上包头包尾的数据。
控制信号       模块间的控制数据流
发送端        包括了 MIPI 数字部分，转接板等实现MIPI 信源传输的部分。
接收端        包括了转接板和商用接收端模块，负责解析收到的 MIPI 信源。

2.2 链路的工作顺序

        首先原始的图像数据会在应用层做相应的图像处理，包括白平衡、噪声去除、色彩还原等。

        处理过后的数据进入组包层做数据分割和重组，再传给协议层。协议层根据数据类型产生包头，根据数据内容产生构成包尾的校验序列，之后将包头、数据本身、包尾组合起来发送给通道管理模块。

        通道管理模块按照通道的选通情况，合理分配数据到每个通道，之后数据经过数模转换进入物理层传输，接收端在收到物理层的数据后，再按照之前的逆序解包出原始的图像数据。

2.3 MIPI CSI2的物理连接

除地线外，MIPI CSI2一般会有1对I2C通信引脚，1对MIPI差分时钟引脚和1~4对MIPI差分数据信号引脚。

2.4 CSI2涉及到的各个引脚解释

DATA 1+ / DATA 1-        MIPI 协议组包生成的差分模拟数据信号第二组
DATA 2+ / DATA 2-        MIPI 协议组包生成的差分模拟数据信号第一组
CLOCK+ / CLOCK- MIPI     协议组包生成的差分模拟时钟信号
SDA I2C                  数据信号线
SCL I2C                  时钟信号线

3. 差分信号数据线

        在典型的应用中发送端在完成对图像的各种处理后，按照协议对数据进行打包，然后通过差分信号线向接收端传输信号，差分信号线一般有一对时钟差分线和多对数据差分线，数据差分信号线的数量与需要传输的数据量的要求有关，数据量越大多对数据线能更容易满足链路的需求。一般情况下两百万到五百万像素的手机使用两对差分数据线，即两个数据通道。而当摄像头像素进一步提高到八百万甚至一千三百万时一般会使用四个数据通道，即四对差分数据线。

        与外部进行控制信号交互时，采用的是 I2C 接口，在 MIPI 的发送端使用的是 I2C 从端的 IP，MIPI CSI-2 接口的控制寄存器连接 I2C 的从端，这样外部接收装置可以通过 I2C 去配置 MIPI 发送端的内部寄存器，以此改变 MIPI CSI-2 接口内部状态机的持续时间和最后输出数据时的通道数，又或者在调试过程中读出这些寄存器，去做相应的检查，以判断发送端的工作状态，再通过接收端的现象来分析发送端是否工作在正常的状态。

4. MIPI CSI2的工作模式

D-PHY有两种传输模式：

        (1) HS 高速传输模式，用于传输突发数据，同步传输，信号为差分信号，电平范围为100mv-300mv，传输速度范围是80-1000Mbps。在该模式下传输时，当差分线正端收到 1.2V 信号，负端收到 0V信号时，这时接收端识别为 1，反之为0。

        (2) LP 低功耗模式，用于传输控制指令，异步传输，信号线为单端，电平范围是0-1.2v，没有用时钟线，时钟是通过两个数据线异或而来的，速度只有10Mbps。在该模式下传输时，当正端接收到300m V，负端接收到100m V 时接收端识别为1，反之则识别为0。

5. MIPI CSI2的数据包格式

        MIPI CSI2是一个面向字节的，基于包的协议；它支持任意大小的数据通过短包和长包格式传输。各个包之间由EOT-LPS-SOT序列隔开，如图所示。

         每个包的传输以SoT（start of transmission）开始，EoT（end of transmission）结束，中间间隙是LPS（Low Power State低功耗状态）。

5.1 MIPI CSI2的长包格式

        MIPI CSI2的长包主要有包头、数据包和包尾三部分构成。而包头又可细分为：数据标识（data identifier）、数据包大小（word count）和错误校验码（ECC）构成，如图所示。

数据标识大小为1字节，包含虚拟数据通道号[7:6]和数据类型[5:0]。 
数据包大小为2字节，其内容为传送数据的长度，以“字”为单位。 
错误校验码大小为1字节，负责对数据包的传输错误进行检查及纠错。 
数据包可以传送数据的大小为0~65535字节。 
包尾大小为2字节，是数据负荷的检查和。

5.2 MIPI CSI2的短包格式

        与长包相比，短包没有数据包和包尾。数据标识DI中的数据类型在0x00到0x0F之间。WC字段是短包的数据域，这个数据可由用户定义。ECC是校验码，能对1bit错误进行纠错，2bit错误进行检查，如图所示。