對于MIPI系列之“D-PHY”的性能分析和介紹以及應用

本篇主要介紹MIPI物理層規范中的D-PHY，主要包括D-PHY的架構、操作模式、電氣特性等。

MIPI D-PHY將百萬像素攝像頭和高分辨率顯示器連接到應用處理器。它是一個時鐘驅動的同步鏈路，可提供高噪聲容限和高抖動容限。MIPI D-PHY還提供高速和低功耗模式之間的低延遲轉換。

由于其靈活，高速，低功耗和低成本的特性，MIPI D-PHY是智能手機中用于相機和顯示器的主流PHY。它也可以應用于許多其他地方，例如汽車攝像頭傳感系統，防撞雷達，車載信息娛樂系統和儀表盤顯示器。

由于鏈路收發器的主從關系，鏈路的操作和可用數據速率是不對稱的。非對稱設計顯著降低了鏈路的復雜性，并且非常適合于具有一個主要數據傳輸方向的顯示器用例。支持雙向和半雙工操作。

1、D-PHY架構

D-PHY的最初版本的設計目標是500Mbits/s，而D是羅馬數字（拉丁文數字）中500。D-PHY采用1對源同步的差分時鐘和1～4對差分數據線來進行數據傳輸。數據傳輸采用DDR方式，即在時鐘的上下邊沿都有數據傳輸。

D-PHY的物理層支持HS（High Speed）和LP（Low Power）兩種工作模式。HS模式下采用低壓差分信號，功耗較大，但是可以傳輸很高的數據速率（數據速率為80M～2.5Gbps），采用源同步的傳輸方式，由主機（Master）設備向從機（Slave）設備提供DDR時鐘；LP模式下采用單端信號（1.2V LVCMOS信號），數據速率很低（≤10Mbps），但是相應的功耗也很低，用于傳輸初始化控制信號。兩種模式的結合保證了MIPI總線在需要傳輸大量數據（如圖像）時可以高速傳輸，而在不需要大數據量傳輸時又能夠減少功耗。無論是HS模式還是LP模式，都采用LSB first，MSB last的傳輸方式。

在LP模式下，只用lane0實現雙向數據傳輸，時鐘是使用數據Dp和Dn的EXOR恢復的。

鏈路層的模式分為：Command模式和Video模式。鏈路層選擇Command模式時，物理層可以為HS模式，也可以為LP模式；鏈路層選擇Video模式時，物理層只能選擇HS模式。

一個通用的Lane中包含LP-TX、LP-RX、HS-TX、HS-RX和LP-CD模塊，所有收發模塊均共用同一對差分線Dp，Dn（在LP模式下，為兩根單獨的信號線）。整個Lane通過PPI接口（PHY Protocol Interface）與系統的其他部分連接。

其中，LP-CD模塊僅在存在于需要雙向通信（Bidirectional）的系統中，對于不需要雙向通信（Unidirectional）的系統，如CSI協議，則不需要LP-CD模塊。顯然，在Unidirectional系統中，主機（一般固定為Transmitter）則不需要RX模塊，從機（一般固定為Receiver）則不需要TX模塊。在需要雙向通信的系統中，如DSI（當然，在特定的系統中，DSI也可以是Unidirectional的），一般只需要一個Data Lane具有雙向收發的能力，其他的Data Lane和Clock Lane則可以根據實際需求，去除RX或者TX模塊。需要注意的是，即使在Unidirectional的系統中，Clock Lane也不需要反向傳輸，即當從機向主機發送數據時（反向傳輸），此時的DDR時鐘仍然是由主機提供（HS模式下，LP模式下則不需要時鐘）。

在LP模式下（包括Control Mode和Escape Mode），采用的是Spaced-One-Hot Coding機制。在該機制下，時鐘可以從傳輸的數據中得以體現（時鐘恢復），因此不需要傳輸時鐘。此時，用戶可以根據實際需求，設置Clock Lane繼續運行或者關閉以降低功耗。常見的LPDT模式（Low-PowerData Transmission）和ULPS模式（Ultra-Low Power State）都是Escape Mode的一種。

D-PHY中一共有三種Lane，Unidirectional Clock Lane、Unidirectional Data Lane以及Bi-directional Data Lane。

需要注意的是，D-PHY的Bidirectional通信是一種半雙工的雙向通信模式，同時，反向傳輸的速度只有正向傳輸的1/4。

2、操作模式及轉換

一個典型的HS傳輸過程的序列為：LP-11→LP-01→LP-00→HS→LP-11；

轉向(TurnAround)的序列為：LP-11→LP-10→LP-00→LP-10→LP-00；

Escape Mode傳輸過程的序列為：LP-11→LP-10→LP-00→LP-01→LP-00；

2.1、High-Speed Data Transmission

Start-of-Transmission的流程如下表所示：

End-of-Transmission的流程如下表所示：

HS Data Transmission Burst的流程如下所示：

2.2、Bi-directional Data Lane Turnaround

Turnaround的流程如下所示：

當通道沒有進入driver overlap階段之前，如果通道上有STOP狀態出現，反轉過程可以被打斷，當Lane已經完成了driver overlap，通道已經完成了反轉，此時再有STOP狀態也不能打斷turn around過程。

2.3、Escape Mode

LP Escape Mode特性如下:

Does not depend on clock lane

Maximum data rate 10 Mbit/s

Low power data transfer

Ultra low power mode

4 remote triggers

2 reserved functions

8-out-of-256 codes selected for maximum robustness

In case of code mismatch everything is ignored tillnext Stop state

當檢測到LP-11→LP-10→LP-00→LP-01→LP-00序列的最后一個LP-00時，就進入了Escape模式。

進入Escape模式后，Data lane上發送的數據都經過了spaced-one-hot編碼，每個有效的位置(Mark)后都跟著一個Space。只有STOP之前的最后一個Mark1才不需要跟隨一個Space。

當線上檢測到第二個LP00(bridge)狀態后，通道進入Escape Mode，標志當前狀態為space state，在Bridge狀態之前，線上檢測到任何LP11狀態都會導致通道嘗試進入Escape模式的努力失敗，通道重新返回STOP狀態。

由于Space-one-hot編碼的特性，PHY不需要Clock Lane來進行解碼，如果電路特性滿足要求，使用D+和D-就可以恢復出Escape Mode下的Clock信號。由于D+和D-上的Mark是差分的（即D+為Mark0的時候，D-上一定是Mark1狀態），只需要把D+和D-簡單疊加即可還原出CLK波形。

Data Lane進入Escape模式后，發送方需要發送一個8bit的模式選擇命令來表明請求的類型，下表是模式選擇命令的具體對應關系：

LPDT模式是Escape模式的一種，可以進行低速的數據傳輸，其數據編碼仍然是采用Spaced-one-hot方式。需要注意的是，LPDT模式有Pause模式，在此模式下，傳輸可以暫停。如上圖紅線框出的區域。負載(Payload)是一次數據傳輸中，實際有效傳輸的內容數目，最小單位為字節。在傳輸過程中，為了確保Burst傳輸的正確性，需要在有效數據的前后添加一些輔助頭和輔助尾。MIPI協議沒有對Payload的最大值作出規定，但是考慮到Payload太小會降低傳輸效率，太大的話由于誤碼率的影響會導致頻繁的重傳，需要使用者權衡出一個比較合適的Payload值。