[笔记分享] [Display] MIPI 协议之DSI

Posted 2022-12-15 KrisFei

介绍

DSI全称Display Serial Interface，主要用于显示模块的一个接口，它基于MIPI协议而产生，基于MIPI协议的还有CSI(camera serial interface), DBI(display bus interface), DPI(display pixel interface)。相对于一般的RGB接口，DSI有成本低，高速率的优势。在MSM8960平台上，RGB接口已经被移除掉了，留下的只有DSI-4lane， DSI-3lane接口了。如下为简单的主机与显示模块的连接图：

可以看到DSI用的是差分信号传输，一个为clock，其他都为data线，最大为4条lane，具体使用几条lane由项目中显示需要传输的数据量决定，当然，lane使用原则为越少越好，减少布线。

DSI是分层打包传输数据的，如下图：

总共有四层，上面三层是属于DSI的内容，它基于PHY layer而工作。下面以host端为例对描述下每层大概功能，对于client端的动作恰好相反：

• PHY layer:说白了主要是用来捕捉“0” 和“1”串行电平信号的,另外还产生发送data所需要的SOT(Start of transmission)和EOT(End of transmission),后面会说到。具体可以参考mipi spec里的d-phy介绍。
• Lane-management layer: 将PHY搜集的信号做一个合并或分发。
• Protocol Layer: 将字节流打包成DSI packet， 以及产生验证ECC，另外还有错误校验。
• Application Layer: 数据交互，转换pixel data， signal events 和commands为字节流。

DSI模式

DSI支持两种基本操作模式, command mode和video mode。 Video mode表示无论当前显示是否有数据更新，DSI host端一直送数据给panel显示。Command mode表示只要当数据画面有变化时，DSI host端才送数据给panel显示。

上图可以看出，video mode没有framebuffer,需要CPU一直刷新数据。而command mode中，panel driver IC有Ram来存显示的数据做自我刷新。

由于command mode不需要CPU一直刷新数据，看起来要比video mode来的省电，但是Panel的自刷新需要费电。(Qualcomm8260有timer机制，测试下来平均电流省电将近10mA.)

另外，command mode support发送数据以及读取状态信息的功能，所以它相比video mode是个双向传输接口。
Video mode类似于RGB接口的传输方式，以High Speed Mode来传输。

这里提下显示需要同步刷新机制， command mode通过TE pin来同步，video mode通过将v-sync及h-sync信号包含在数据包里发送给panel来做同步，和RGB不同的时RGB专门有v-sync以及h-sync PIN来同步。

HS mode和LP mode
主机和外设之间是根据clock来传送数据的，通过总线传送高速数据叫做High Speed Mode或者burst。
在这些传输中间，或者数据在没有传输时，或者接收数据时，Lane会进入low-power state mode。下图为基本的HS(High Speed)传输结构：

PHY协议中有定义每次最小传输字节数，后续再介绍。

单双向传输
前面说到，硬件上有一个clock lane以及1~4个data lane.其中，data 0在Command mode时，应该作为双向lane,其他data lane都是单向。而在video mode时，data0 lane可以作为双向lane, 其他data lane也是作为单向传输。

Forward direction LP传输应使用data0 lane, reverse direction on data0 lane应是在LP mode下。 当然，外设肯定先要支持LP和HS mode。

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clock

DSI主要有个DSI clock,服务于DSI controller，然后它又被分成各种不同的clock来服务DSI模块。

• DSI Bit Clock: 用于捕捉串行data bits。在数据传输的时候处于工作状态。
• Byte Clock: 在HStransmission时，每个byte的data需要一个byte 的clock来完成，byte clock用于lane
  managerment layer层。一个byte DSI clock为Byte clock. 也是在数据传输的时候工作。

• Application Clock: 在数据传输和不传输的时候都可能会被用到，也可能会被用于外设电路。

  对于clock这个lane，作为continuous clock behivor时，clock一直处于工作状态，而作为non-continuous clock behavior时， clock在每次HS data传输之间进入LP11状态。

• DSI pixel Clock: 顾名思义，就是一个pixel所需要的clock大小，那么就和一个pixel的bits位数有关系了。

各种clock之间的关系：

Bit clock to Byte clock — 8:1
Byte clock to DSI clock — 1:#lanes
DSI clock to Pixel clock — pixel depth:1

我们主要关注bit clock, 基于分辨率，lane数量，fps等，我们可以计算出bit clock。如目前我们平台上分辨率为QHD(540 * 960)， 用的是两个data lane, fps(frame per second)为60， 位深为24bit, 那么计算公式为：
Bit clock = (540 * 960 * 60 * 24) / 2 = 373248000 Hz
如果算上不可见区域(参考第5节lcd controller时序图)， 那么应该为：
Bit clock = ((540 + 22 + 22+ 6) * (960 + 33 + 33 + 7) * 60 * 24) / 2 = 438818400Hz

如下图会Qualcomm推荐不同分辨率的lane配置：

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单lane以及多lane数据分发和收集

当我们使用一条data lane的时候，可以知道数据是按照LSB或者MSB一个byte一个byte发送的。当需要扩大带宽而使用多条data lane的时候是如何发送的呢，通过下面的图就有很好的认识了。

而在receiver端，做的其实是相反的动作，将发送过来的data给收集起来，达到串转并的效果，如下图：

这些data都是在HS mode下传输的，而且每个lane在在传输之前先发送一个SoT给receiver端表示第一个字节packet的开始。

可以看出在每个dsi clock时间点，host端data0 lane传byte0, data1 lane传送byte1, data2 lane 传送byte2, data3 lane传送byte 3。Host和client配置的lanes要一致。

注意到传输的packet有可能不是我们设置的lane数量的整数倍时，该如何做呢？Lane management layer会在提早发送完数据大data lance上先使数据无效。还是以图说话吧，下图是2 data lane一个整数倍传输，一个不是整数倍传输的情况。可以看到不是整数倍时，当data lane1先发送完成之后，它进入了LPS状态。

当然，使用3lane或者4lane的情况以此类推。

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协议

两种传输方法

需要发送的数据，命令，会在protocol layer会被打包成packet，组织成section的形式，然后通过Lane Management layer发送给PHY.在PHY layer层，packet会被serialized后再发送出去(发送packet前先插入一个SoT，结束时再插入一个EoT)。当有多个lanes时， Lane Management layer会将distributes数据包给各个PHYS.

最简单的状况，一个传输包含一个packet，但是当packet很多时，由于每次HS mode传输间会插入LPS，这样效率会很低。所有有了如下Separate transmission和Single Transmission两种传输方式：

• Separate方式： 无论是short packet 或者 long packet传输，中间都会加上LPS.
• Single 方式：在发完Short packet之后马上发送Long packet，不插入LPS.

Short packet 和Long packet

Short packet: 4字节固定长度，包含ECC。用于大部分command mode 命令和参数发送，或者是video mode下传送H Sync以及V Sync edges。

Long packet: 有两个bytes是用于指定传送payload的长度， 因此payload范围是0 到 216 -1这个字节长度。 一般用于传输大显示数据。

无论是SP还是LP，packet的第一个自己都是Data Identifier(DI), 它主要指定了packet的type是什么。
另外， 从外设返回回来的最大return packet size也可以通过command来设定。

Short Packet

下图为SP的结构，一个byte DI后面跟着两个字节command或者是data,然后再加一个byte的ECC.

Long Packet

Long packet数据格式如下图，前面一个DI，两个bytes的payload，用于说明后面有多少data数据。其他还有ECC, 两个字节的checksum。

Data Identifier Byte

前面说了，任何一个packet的第一个字节都是DI, 下图为DI结构：

DI[7:6]为VC数量，用于有多个外设的情况。
DI[5:0]指定date type，它能指出当前为LP还是SP。当为LP时，能指出LP还是多少数据还没传送完。

各种data type如下，各个data type所表示的意义可以查找spec，这里只介绍最常用的
几种：

a) Generic Short Write, data types = 03h, 13h, 23h
这些命令以short packet type来发送给外设的。Packet 有4个字节，包括ECC byte, 两个data type参数字节，一个DI byte, 其中bit[5:4]表示有效参数位0,1还是2.当只有一个参数时，第一个参数跟在DI后面,第二个data byte值为0x00.

b) Generic READ request, data types = 04h, 14h, 24h
Generic read request是请求从外设读取数据的一个short packet。 和前者一样，它也能返回0到2个参数。要注意到Set Max Return Packet Size命令会限制返回packet 的size, 所以主机应该要注意buffer是否会有overflow的情况。当请求数据大于return size时，host应该独立的多次读取，当然，前提是要peripheral要支持连续多次读取。

由于是个read command,在每次读取请求完之后，需要发送一个BTA。

外设返回的值有如下情况：
a. 当有error时，会发送ackknowledge和error report.
b. 当没有error时， 会返回read commands需要的packet信息和ECC，如果checksum使能了，也会返回checksum。

DCS commands包括read和write和Generic Read/Write类似。

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BTA

当host要求从peripheral获得一个response时，如一个READ data或者状态信息，它就会在最后一个packet传输后面插入一个TurnRequest到PHY layer, 这样就告诉PHY layer在EOT后面加一个Bus Turn-Around。

当peripheral 接收到BTA请求后， 它的PHY layer层就插入一个TurnRequest作为input发送给Protocol layer告诉它也发一个response给host。当然，packet里会表明要发送什么样的response给host。在传输response完成之后，peripheral 应该将总线控制权重新交给host。