C-PHY與MIPI D-PHYSM和M-PHY相比如何？

權(quán)衡利弊，挑戰(zhàn)和采納

Ashraf Takla, Mixel, Inc., CEO

（2018年4月首次發(fā)布。于2022年3月更新。）

MIPI C-PHYSM于2014年10月面世，讓人既興奮又擔(dān)憂。這個(gè)新的C-PHY與MIPI D-PHYSM和M-PHY相比如何？C-PHY有什么不同，它是否與D-PHY足夠兼容，以便兩者可以在一個(gè)混合子系統(tǒng)中共存？

多年后的今天，答案已經(jīng)很清楚了。

本文將闡述這些答案，提供D-PHY和C-PHY架構(gòu)的高層次概述，突出其相似性和差異性，確定每種PHY的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并提供在實(shí)施C-PHY時(shí)遇到的一些挑戰(zhàn)的見(jiàn)解。最后，我們將研究Mixel對(duì)C-PHY/D-PHY組合IP的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)，從多個(gè)來(lái)源獲得的硅結(jié)果，涵蓋使用案例，并檢查C-PHY/D-PHY組合解決方案在市場(chǎng)上的采用情況。

讓我們首先仔細(xì)看看D-PHY，它自2009年以來(lái)就已經(jīng)存在，因此得到了更好的理解和廣泛應(yīng)用。D-PHY是一種簡(jiǎn)單的源同步PHY，使用一個(gè)時(shí)鐘通道和不同數(shù)量的數(shù)據(jù)通道。四個(gè)數(shù)據(jù)通道的D-PHY的框圖如圖1所示，每個(gè)通道的細(xì)節(jié)如圖2所示。由于D-PHY在市場(chǎng)上已經(jīng)存在了近十年，因此有豐富的文獻(xiàn)涵蓋了它的獨(dú)特功能和使用情況（1）。

圖 1：四數(shù)據(jù)通道 D-PHY 框圖

圖 2：D-PHY 數(shù)據(jù)通道的框圖

相比之下，C-PHY是一種更新、更復(fù)雜的PHY。它在三個(gè)信號(hào)上運(yùn)行，三合一，時(shí)鐘被嵌入到數(shù)據(jù)中，從而不需要單獨(dú)的時(shí)鐘通道。C-PHY的框圖如圖3所示。

圖 3：C-PHY 框圖

表1對(duì)D-PHY和C-PHY進(jìn)行了比較。

Table 1: C-PHY vs. D-PHY parameters comparison

注釋：

(1) 四個(gè)數(shù)據(jù)D-PHY通道與三個(gè)MIPI C-PHY三通道相比

(2) 編碼帶來(lái)的更高帶寬

C-PHY使用編碼數(shù)據(jù)來(lái)打包16/7≈2.28位/符號(hào)，而D-PHY不使用任何編碼。正因?yàn)槿绱?，與D-PHY相比，C-PHY可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，同時(shí)以相同的轉(zhuǎn)換或符號(hào)速率運(yùn)行。??

乍一看，C-PHY的工作原理，以及潛在的C-PHY/D-PHY組合似乎很神秘。C-PHY信令是多級(jí)的，但它的接收器不需要檢測(cè)多級(jí)之間的差異！這是怎么回事？為什么C-PHY和D-PHY有明顯的差異，但它們不僅可以共存，而且可以有效地結(jié)合成一個(gè)IP？D-PHY使用差分信號(hào)，而C-PHY使用三重信號(hào)。它們有可能一起工作嗎？如何有效地實(shí)現(xiàn)C-PHY/D-PHY的組合，使用所有的D-PHY構(gòu)建模塊，而沒(méi)有任何重復(fù)？每個(gè)符號(hào)的數(shù)據(jù)位數(shù)的比率16/7是怎么來(lái)的？有這么多的問(wèn)題需要思考!

讓我們嘗試著回答這些問(wèn)題，首先試著揭開(kāi)C-PHY的神秘面紗。這并不是一件容易的事。在下面的圖4中，我們提供了一個(gè)C-PHY的快速概述。圖4（a）中的框圖顯示了一個(gè)三通道的C-PHY的TX和RX是如何連接的。圖4（b）顯示了C-PHY子系統(tǒng)的不同子塊，即映射、并行/串行功能、編碼和通道。圖4（c）是TX和RX之間交互的更詳細(xì)的圖片，圖4（d）說(shuō)明了C-PHY的信令級(jí)別。?

圖 4：C-PHY (a) TX 和 RX 連接，(b) C-PHY 子系統(tǒng)中的不同功能，(c) 詳細(xì)的 TX 和 RX 交互，(d) TX 和 RX 輸出的 C-PHY 信號(hào)電平

一個(gè)C-PHY車道是由A、B、C三者組成的，如上圖4（c）所示。C-PHY的接收器由3個(gè)差分RX組成，每個(gè)都是看3個(gè)信號(hào)中的2個(gè)的差分，即（A-B）、（B-C）和（C-A）。

C-PHY的編碼器保證（i）每個(gè)符號(hào)至少有一個(gè)邊緣/轉(zhuǎn)換，（ii）所有三個(gè)RX的差分輸入都是非零，（iii）所有3個(gè)信號(hào)的共模是恒定的。上述(ii)和(iii)項(xiàng)是通過(guò)限制TX信號(hào)在任何單一單位間隔(UI)內(nèi)的組合為高、中、低，以及保持三個(gè)信號(hào)中每個(gè)信號(hào)的電壓水平不同來(lái)實(shí)現(xiàn)的。符合上述限制(i)的三個(gè)TX信號(hào)水平的組合，即高、中、低，可以得到6個(gè)不同的信號(hào)水平組合（線態(tài)）。線路狀態(tài)的數(shù)量，6，是三個(gè)TX信號(hào)電平的排列組合，3! 此外，C-PHY編碼器將翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、極性符號(hào)編碼為基于編碼器規(guī)則的狀態(tài)變化。

為了保證每個(gè)符號(hào)至少有一個(gè)邊緣，上述第（i）項(xiàng)，C-PHY 在從一個(gè)符號(hào)移動(dòng)到下一個(gè)符號(hào)時(shí)必須在不同的線路狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，并且不能在兩個(gè)連續(xù)的符號(hào)中保持相同的線路狀態(tài)。由于這一限制，在六個(gè)線態(tài)之間有五個(gè)不同的獨(dú)特轉(zhuǎn)換。這意味著編碼數(shù)據(jù)有五種不同的可能性，即每個(gè)符號(hào)有五種可能的狀態(tài)，使 C-PHY 成為五進(jìn)制系統(tǒng)或四進(jìn)制系統(tǒng)。這樣我們就在二進(jìn)制系統(tǒng)和四進(jìn)制系統(tǒng)之間移動(dòng)。這就是為什么需要C-PHY映射器的原因。現(xiàn)在我們使用的是五進(jìn)制系統(tǒng)，比特/符號(hào)的最大理論數(shù)量是log2（5）=2.3219。? 映射器功能的構(gòu)建是為了使映射率盡可能接近而不超過(guò)該理論極限。此外，映射器必須在兩個(gè)整數(shù)之間進(jìn)行映射。選擇比率16/7≈2.28是為了實(shí)現(xiàn)上述限制。

另一種描述方式是，映射器需要將16個(gè)二進(jìn)制位映射到一定數(shù)量的C-PHY符號(hào)，但我們?nèi)绾未_定映射到多少個(gè)符號(hào)（S）？在并行接口上有2^16種組合，映射器輸出端的組合是5^S => 2^16，所以S = 7。?

圖 5：C-PHY 編碼和映射功能概述

要理解為什么C-PHY接收器只需要檢測(cè)輸入信號(hào)的極性，而不是多振幅信令的振幅，我們只需要記住，信號(hào)振幅中沒(méi)有嵌入數(shù)據(jù)。多振幅信令僅用于增加可能的轉(zhuǎn)換次數(shù)，并保證每個(gè)符號(hào)至少有一個(gè)轉(zhuǎn)換。

在C-PHY和D-PHY的性能之間做一個(gè)相似物比較的方法是，當(dāng)它們支持4.0Gbps的總數(shù)據(jù)速率并以類似的轉(zhuǎn)換速率運(yùn)行時(shí)，對(duì)它們進(jìn)行比較。對(duì)于D-PHY來(lái)說(shuō)，這可以通過(guò)使用四通道D-PHY來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用10條數(shù)據(jù)線，每個(gè)通道以1.0Gbps/通道運(yùn)行。為了獲得與C-PHY相同或更低的轉(zhuǎn)換速率的總數(shù)據(jù)速率，我們可以使用具有6根線的雙通道C-PHY，以0.875Gsps運(yùn)行，低于D-PHY的1.0Gsps。在這種情況下，C-PHY的總數(shù)據(jù)速率是2 * 0.875 * 16/7 = 4Gbps。這種比較顯示在下面的圖6中。

圖 6：支持 4Gbps 聚合數(shù)據(jù)速率并使用相同轉(zhuǎn)換速率的 D-PHY 和 C-PHY 之間的比較

基于這種比較，C-PHY有更少的電線（最多減少40%），更低的切換率/通道（降低12.5%），更低的功耗（降低約20-50%），更少的通道數(shù)量，因此相同Gbps的面積更小，并且沒(méi)有時(shí)鐘通道的消耗。?

因此，當(dāng)比較C-PHY和D-PHY在相同的總數(shù)據(jù)速率下，C-PHY有很多優(yōu)勢(shì)；更少的引腳和焊球（由于每個(gè)引腳的性能更高）、靈活性，因?yàn)槊總€(gè)C-PHY通道是獨(dú)立的，帶有嵌入式時(shí)鐘，可以將一條通道從一條鏈路借用到另一條鏈路，同時(shí)與MIPI D-PHY共存于同一引腳上。C-PHY還允許在更高的數(shù)據(jù)率應(yīng)用中降低功率。此外，C-PHY的嵌入式時(shí)鐘通道可以將應(yīng)用處理器上的任何通道分配給任何鏈路，并消除了時(shí)鐘雜散發(fā)射，這在多頻段無(wú)線設(shè)備中尤為重要。??

C-PHY的嵌入式控制代碼還能夠有效地支持新興的功能，如快速總線周轉(zhuǎn)（BTA）操作，對(duì)時(shí)間敏感鏈路的低延遲（LRTE），以及備用低功耗模式（ALP），這將通過(guò)消除單端LP模式實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的傳輸距離，從而減少面積。最后，C-PHY較低的切換率通?？梢院?jiǎn)化制造，降低低成本產(chǎn)品的成本，例如低端相機(jī)。?

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了C-PHY和D-PHY的各個(gè)屬性，我們可以列舉出C-PHY和D-PHY組合的一些優(yōu)勢(shì)。這包括能夠共享串行接口引腳，重用LP（低功耗）模式，共享公共塊，從而減少面積，降低功率/Gbps，在MIPI D-PHY和MIPI C-PHY之間平穩(wěn)過(guò)渡，利用MIPI C-PHY的功率/性能/面積（PPA）改進(jìn)，同時(shí)保持與MIPI D-PHY的兼容性。?

Mixel的C-PHY/D-PHY組合IP的實(shí)現(xiàn)是獨(dú)一無(wú)二的。所有的D-PHY塊都被重新用于C-PHY操作（HS-TX、HS-RX、SER、DESER、LP-TX、LP-RX和LP-CD），使支持C-PHY的面積開(kāi)銷最小化。雖然所有的塊都被重復(fù)使用，但編碼器、解碼器、CDR、映射器和解映射器是C-PHY功能所需的附加模塊。Mixel實(shí)現(xiàn)的框圖如圖7所示。

圖 7：C-PHY/D-PHY 組合 IP 框圖

Combo C-PHY/D-PHY已經(jīng)由Mixel在許多不同的節(jié)點(diǎn)和代工廠實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，Mixel的MIPI IP已經(jīng)在12個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)和8個(gè)不同的代工廠進(jìn)行了硅驗(yàn)證。

下面我們展示了C-PHY和D-PHY發(fā)射器的測(cè)試設(shè)置和芯片評(píng)估。

圖 8：MIPI C-PHY 發(fā)射機(jī)測(cè)試設(shè)置

1.5Gsps

2.5Gsps

圖 9：芯片結(jié)果：TX MIPI C-PHY – 眼圖（Mixel）

1.05Gsps @ std channel

2.5Gsps @ short channel

2.5Gsps @ std channel?

圖 10：芯片結(jié)果：TX MIPI C-PHY – 眼圖（高通）

3.5Gsps @ standard channel

6.5Gsps @ short channel?

圖 11：芯片結(jié)果：TX MIPI C-PHY – 眼圖（索尼）

1.5Gbps? ? ? ? ? ? ? ? 2.5Gbps? ? ??

圖 12：芯片結(jié)果：TX MIPI D-PHY – 眼圖（Mixel）

2.5Gbps @ short channel

4.5Gbps @ short channel

圖13：芯片結(jié)果:TX MIPI D-PHY - 眼圖（高通）

下面我們展示了C-PHY和D-PHY接收器的測(cè)試設(shè)置和硅評(píng)估。

圖14：芯片結(jié)果：RX MIPI C-PHY-電氣（高通公司）

圖 15：芯片結(jié)果：RX MIPI C-PHY – 鏈路（高通）

圖 16：示例用例：攝像頭調(diào)出

圖 17：示例用例：顯示調(diào)出

現(xiàn)在，讓我們來(lái)看看當(dāng)前顯示器和照相機(jī)應(yīng)用中不同使用情況的功率、性能和面積。這些都顯示在表3中。?

在相同的數(shù)據(jù)速率下，比較D-PHY和C-PHY/D-PHY組合時(shí)，面積增加很小。僅C-PHY模塊的歸一化功率，當(dāng)在相同的Gbps下比較時(shí)是相當(dāng)?shù)?。在相同的轉(zhuǎn)換率下，C-PHY比D-PHY有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。

然而，功率增量組合PHY可以通過(guò)在C-PHY模式配置中啟用多種設(shè)計(jì)選項(xiàng)來(lái)取消（此處未顯示）。

Table 3: PPA of different use-cases for Display applications

Table 4: PPA of different use-cases for Camera applications

注意事項(xiàng)：

1.Combo PHY面積增量< 10%

2.Combo PHY 可以覆蓋廣泛的分辨率：80Mpbs – 10Gbps – 17.1Gbps – 18Gbps – 23.94Gbps

3.MIPI C-PHY 模式：由于頻率低/偏置較小/通道數(shù)較少，功耗比 DPHY 模式低約 10-30%

4.由高通公司提供

C-PHY/D-PHY組合已經(jīng)在多個(gè)使用案例、許多不同的供應(yīng)商和許多不同類型的產(chǎn)品中得到廣泛采用，包括相機(jī)（索尼、OVT和其他）、顯示器（與大多數(shù)主要DDIC公司完成互操作性測(cè)試）。該生態(tài)系統(tǒng)得到了廣泛參與的支持，包括IP（Mixel）、AP/SOC（Snapdragon等）、測(cè)試儀（Keysight、Tektronix、Introspect、The Moving Pixel Company）和共模濾波器（Murata、Panasonic、TDK）。?

然而，C-PHY的更高的性能并不是免費(fèi)的；C-PHY帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)，包括需要針對(duì)不同數(shù)據(jù)速率范圍進(jìn)行編程的獨(dú)特 CDR、引入編碼抖動(dòng)的多級(jí)信號(hào)傳輸以及使 PCB 設(shè)計(jì)復(fù)雜化的獨(dú)特的基于 trio 的信號(hào)傳輸。

總之，MIPI C-PHY是一個(gè)更復(fù)雜、更強(qiáng)大、更高效的PHY，而C-PHY/D-PHY組合在各方面更是如此。Mixel 創(chuàng)建并經(jīng)過(guò)硅驗(yàn)證的雙模 MIPI D-PHY/MIPI C-PHY，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè) PHY 之間的平滑過(guò)渡。Mixel的雙模MIPI D-PHY/MIPI C-PHY共享所有的通用模塊，從而減少了面積，并降低了功率/Gbps。它具有MIPI C-PHY PPA改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)保持與MIPI D-PHY的兼容性，并使用相同的串行接口引腳。此外，MIPI C-PHY/MIPI D-PHY組合已經(jīng)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)和代工廠進(jìn)行了硅驗(yàn)證，并且已經(jīng)被許多一級(jí)SOC、傳感器和顯示器供應(yīng)商集成到幾個(gè)終端產(chǎn)品中。自其首次亮相以來(lái)，我們看到MIPI C-PHY/MIPI D-PHY組合在各種應(yīng)用中對(duì)攝像頭和顯示器的吸引力不斷增強(qiáng)，包括移動(dòng)和移動(dòng)鄰近應(yīng)用，如VR/AR/MR、汽車、物聯(lián)網(wǎng)等。

編輯：黃飛

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