M31談MIPI物理層的規(guī)格與發(fā)展

摘要

MIPI是Mobile Industry Processor Interface（行動(dòng)產(chǎn)業(yè)處理器界面）的簡(jiǎn)稱。本文將介紹MIPI體系結(jié)構(gòu)中之物理層規(guī)格，并分別說(shuō)明D-PHY和C-PHY的特性與優(yōu)點(diǎn)。接著分享MIPI在車用電子之發(fā)展與挑戰(zhàn)中的觀點(diǎn)與M31所能提供的專業(yè)MIPI技術(shù)服務(wù)。

MIPI與物理層IP結(jié)構(gòu)圖

MIPI協(xié)會(huì)為一開放的會(huì)員制組織，2003年7月，由德州儀器（TI）、意法半導(dǎo)體（ST）、安謀（ARM）和諾基亞（Nokia），四家公司共同成立。十余年間，此規(guī)格蓬勃發(fā)展，大量應(yīng)用在手機(jī)、穿戴式產(chǎn)品等行動(dòng)裝置，其中包含顯示、鏡頭、儲(chǔ)存、橋接等訊號(hào)收發(fā)，都采用MIPI協(xié)會(huì)所制定的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)至今日，MIPI也陸續(xù)導(dǎo)入人工智能和車用電子等應(yīng)用，與人類生活中所使用到的各項(xiàng)電子產(chǎn)品緊密結(jié)合。

在MIPI體系結(jié)構(gòu)中，包含應(yīng)用層（Application Layer）、協(xié)議層（Protocol Layer）和物理層（PHY Layer）。其中，物理層負(fù)責(zé)處理訊號(hào)在實(shí)體信道傳輸。M31物理層IP框架圖中（圖一），主要包含PCS（Physical Coding Sub layer，物理編碼子層）和PMA（Physical Medium Attachment，物理媒體銜接層）兩個(gè)部分。PCS是利用PPI（PHY Protocol Interface，實(shí)體協(xié)議接口）與MIPI控制器做溝通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，以及各種模式切換; PMA則是包含了對(duì)外傳輸所需要的模擬電路，包含頻率產(chǎn)生器，發(fā)射機(jī)，以及接收機(jī)等等。M31在PPI的部分維持標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，提高與各大MIPI廠家的控制器兼容度；另一方面，我們并同時(shí)預(yù)留了一些特化的邊帶控制訊號(hào)，來(lái)滿足客戶對(duì)于多樣化的應(yīng)用需求。

隨著訊號(hào)數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，除了提升操作速度外，MIPI協(xié)會(huì)更提出了一系列的物理層，包含M-PHY、D-PHY和C-PHY。下面的段落中，將針對(duì)D-PHY和C-PHY的特性與優(yōu)點(diǎn)做進(jìn)一步的介紹。

D-PHY特性與優(yōu)點(diǎn)

D-PHY的架構(gòu)包括一條頻率通道（Clock Lane），以及一條或多條數(shù)據(jù)信道（Data Lane），其中頻率信道皆為單向信道，而數(shù)據(jù)信道可為單向或雙向通道。物理層主要分為HS（High Speed）、LP（Low Power）和ALP（Alternate Low-Power）三種工作模式。HS模式為低電壓之差分訊號(hào)，依目前最新的D-PHY v3.0，最高的傳輸速率為11Gbps；LP模式則為單端訊號(hào)，應(yīng)用為低速傳輸（<10Mbps），相對(duì)地，耗電也非常低；ALP模式則是透過(guò)HS電路模塊進(jìn)行低速傳輸，縮短系統(tǒng)在HS和LP切換過(guò)程之等待時(shí)間。透過(guò)各種模式的搭配可優(yōu)化D-PHY功耗，而藉由頻率通道，從發(fā)射端傳送高速DDR（Double Data Rate）訊號(hào)至接收端，可使接收端之CDR（Clock and Data Recovery，頻率數(shù)據(jù)回復(fù)）電路設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)易。

在數(shù)據(jù)信道的雙向功能方面，能應(yīng)用于逃逸模式（Escape Mode）以及狀態(tài)和顯示模塊信息的傳輸。雙向傳輸分為兩種方式，分別為基于LP模式之Control Mode Lane Turnaround和ALP模式之Fast Lane Turnaround，前者為傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，后者則為D-PHY v2.5之后提出的新方式。Fast Lane Turnaround具備即便在單向和雙向傳輸間切換，也不耗費(fèi)進(jìn)出LP模式所需之等待時(shí)間，雖需在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)加入高速收發(fā)電路，但對(duì)于整體數(shù)據(jù)產(chǎn)出（Data Throughput）的提升是十分可觀的。M31 IP針對(duì)上述兩種雙向傳輸方式皆能支持，并同步優(yōu)化電路布局面積。

C-PHY特性與優(yōu)點(diǎn)

因應(yīng)訊號(hào)數(shù)據(jù)量日益遽增，C-PHY應(yīng)運(yùn)而生，其架構(gòu)為A/B/C三信道系統(tǒng)，頻率嵌入數(shù)據(jù)訊號(hào)中，沒(méi)有頻率通道，此目的為增加帶寬，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。首先，將16 bits的訊號(hào)轉(zhuǎn)換為7個(gè)符號(hào)（Symbol），每個(gè)符號(hào)都藉由三條通道傳輸，并使用6個(gè)線狀態(tài)（Wire States）達(dá)成5個(gè)線狀態(tài)轉(zhuǎn)換（Wire States Transitions），如C-PHY規(guī)格書中擷取之圖三所示。每3 bits的訊號(hào)會(huì)決定下個(gè)線狀態(tài)轉(zhuǎn)換，其中Flip代表訊號(hào)正負(fù)改變而線狀態(tài)不變，Rotation代表線狀態(tài)為順時(shí)針或逆時(shí)針變化，Polarity代表線狀態(tài)的正負(fù)極性變化。

物理層同樣分為三種工作模式。HS模式為低電壓之三相符號(hào)編碼訊號(hào)，并透過(guò)兩兩相減，得到傳統(tǒng)的差分訊號(hào)（圖四），編碼增益則為2.28（16/7）。依目前最新的C-PHY v2.1，最高的傳輸速率為8Gsps；LP和ALP模式則與D-PHY相似。雙向傳輸同樣可支持Control Mode Lane Turnaround和Fast Lane Turnaround兩種方式。C-PHY省去了頻率通道，改善D-PHY存在的EMI（Electromagnetic Interference，電磁干擾），更進(jìn)一步地降低所需之功耗，并藉由編碼增益，在節(jié)省腳位數(shù)（Pin Count）的情況下，達(dá)到訊號(hào)傳輸量(圖五)。

MIPI在車用電子的發(fā)展與挑戰(zhàn)

近年車用電子應(yīng)用需求顯著提升，相對(duì)于消費(fèi)性電子的差異在于，對(duì)于抗高溫和故障率等可靠度和安全標(biāo)準(zhǔn)都有嚴(yán)格要求，因此，在開發(fā)車用IP必須考慮AEC-Q100和ISO26262等驗(yàn)證規(guī)范，并通過(guò)相關(guān)功能認(rèn)證。此外，MIPI也極度廣泛應(yīng)用于車載，包含顯示端應(yīng)用如導(dǎo)航、中控臺(tái)、儀表板以及娛樂(lè)系統(tǒng)等；鏡頭端的應(yīng)用如環(huán)景偵測(cè)、駕駛狀態(tài)監(jiān)測(cè)、ADAS等。

目前，M31在MIPI M-PHY、MIPI D-PHY Transceiver IP及設(shè)計(jì)流程皆已獲得ISO26262認(rèn)證，將能提供ASIL-B規(guī)格的高質(zhì)量IP。

M31專業(yè)MIPI技術(shù)服務(wù)

M31已于MIPI領(lǐng)域耕耘十年時(shí)間，擁有專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，提供技術(shù)節(jié)點(diǎn)55nm至5nm，團(tuán)隊(duì)不只專注于IP開發(fā)，也同時(shí)具備完整的技術(shù)支持服務(wù)，在與顯示技術(shù)、智能影像偵測(cè)等多媒體芯片設(shè)計(jì)公司，乃至車用電子芯片設(shè)計(jì)公司皆有豐富的合作經(jīng)驗(yàn)，并已建構(gòu)完整的量測(cè)設(shè)備，從訊號(hào)質(zhì)量分析、電氣特性量測(cè)到系統(tǒng)兼容性測(cè)試，皆與客戶保持密切合作。累積至今，M31在MIPI領(lǐng)域已針對(duì)不同需求有完整的布局，更能從產(chǎn)品應(yīng)用上提出芯片設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，進(jìn)一步提高客戶產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。