By GRL Team on 三月 14, 2022

MIPI C-PHY Overview

Granite River Labs, GRL
陳明忠 Allen Chen

 

隨著數位傳輸技術快速發展,手持式裝置在人們的日常生活中已成為不可或缺的標準配備,在消費市場大量需求的驅動力之下,各種應用於手持式裝置上的高速傳輸技術也被快速的推動著;MIPI(Mobile Industry Processor Interface)就是在這樣的需求下應運而生的,MIPI是一種可用於手持式裝置應用處理器上的溝通介面,舉例來說,我們每天都會使用的手機相機功能,就是透過MIPI C / D-PHY的CSI協議與手機應用處理器進行溝通,進而讓使用者可以透過手機上的相機功能來進行拍照。

圖1: MIPI Multimedia Specification

(圖片來源:https://www.mipi.org/about-us)

 

規格符合性測試 vs. 規範合格性測試

對於數位界面的測試而言,大多數的測試都有所謂的測試規範(CTS, Compliance Test Specification)來明確定義測試的條件、方法與項目,MIPI當然也不例外,不過MIPI比較特別的地方是,這份由MIPI聯盟制定的測試文件是一份規格符合性測試文件(Conformance Test Suit, CTS)或者可以稱為一致性測試文件,與規範合格性測試(Compliance Test Suit, CTS)就性質上來說是不同的;符合性測試大多都可依照測試文件自己進行測試,而規範合格性測試則需依照所謂的認證程序,在經過一定的認證程序、且產品通過認證測試後,就可以將產品的相關訊息列在規範制訂組織的網站上,現行DisplayPort(簡稱DP)就是屬於規範合格性測試的範疇。

 

MIPI最新規範

目前最新的MIPI D-PHY規範版本為2021年7月發佈的版本3.0,其通道速率由4.5 Gbps提升到9.0Gbps,D-PHY最新的CTS版本為2.1,是在2018年12月發佈;MIPI D-PHY是基於時脈通道與資料通道為基礎的一個主從式架構,用於同步的時脈信號是由通道上的源設備發送,如圖2的功能方塊圖所示,可知MIPI D-PHY的最基本配置為單一個時脈與數據通道,一共為4條訊號線,每個正負信號都可以獨立控制,D-PHY在數據通道上分成兩種工作模式,其細節可參考GRL另一篇技術文章:MIPI D-PHY Overview。本文會著重於MIPI C-PHY之介紹。

現行MIPI C-PHY規範版本為2.1,是在2021年的7月發佈,相較於過去的版本在通道速率由原本的3.5Gsps提升到6.0Gsps,而其最新的CTS版本為2.0,是在2020年4月發佈的。接下來說明MIPI C-PHY的架構,MIPI C-PHY的高速傳輸通道是以三線式組成的主從式架構(圖2),從方塊圖可以看到C-PHY並沒有時脈通道,而其傳送模式是跟D-PHY一樣有兩種,分別為低功率(Low Power, LP)模式與高速(High Speed, HS)模式,低功率模式主要是用於介面控制信號的傳送,但也可以用於低速資料數據傳送;而高速傳輸模式利用3相位編碼的方式將通道資料以16比特編碼成7種不同的symbols,以5個不同值的方式呈現,其編碼增益為2.28,即每個symbol可以2.28個比特來表示。

如同D-PHY,C-PHY的資料傳送機制是透過協議層溝通完成,各別通道資料傳輸啟動與終止可以是獨立的,但就應用層面上來說,多數資料傳輸的啟動是同步的,但是終止則可以分開,這是因為C-PHY在處理資料傳送位元組不是等分的,傳輸通道同樣可以在定義的資料速率上有彈性的選擇進行資料傳送,最高可以單一通道傳送6Gsps的資料速率,另外由於C-PHY與D-PHY在特性上是類似的,因此在設計上是可以共存在同一傳輸通道上。

圖2: MIPI C-PHY Block Diagram

(圖片來源:MIPI Specification for C-PHY Version 2.1)

 

MIPI C-PHY傳輸原理

MIPI C-PHY的高速傳輸依據三相信令運作(Three-phase coding)原理,運作原理請參考圖3,先從傳送端到接收端資料傳送的過程來說明C-PHY字節與通道狀態的關係,C-PHY的高速資料傳送首先是將16比特的資料字節透過16比特到7個字符(Symbol)轉換模塊機制轉換,每個字符以3個比特來表示,因此內部形成一個21比特寬度的資料,再透過序列轉串列的方式排成3比特的資料寬度以利於3線資料的處理,接下來再透過符號編碼成3線碼型(VA, VB, VC)輸出,實體傳輸線上會將實際上使用的6個線狀態(5個線狀態轉換)以三相編碼的方式來表示,如圖4所示,這是由於需要傳送16比特的資料而採用的資料傳輸編碼,當接收端收到後,會以同樣的方式將線狀態解碼出16比特的資料,這裡我們說明一下字符編碼模塊接收的3比特資料代表的意義,這3個比特的資料將決定下個線狀態轉換的結果,其中FLIP比特位是指僅正負狀態改變而線狀態不變,Rotation比特位代表線狀態轉換的方向為順時鐘或是逆時鐘,最後的極性比特位會決定下個線狀態的正負極性。

圖3: MIPI C-PHY Symbol encoding and mapping functions

(圖片來源:MIPI Specification for C-PHY Version 2.1)

 

圖4: MIPI C-PHY Six Wire States

(圖片來源:MIPI Specification for C-PHY Version 2.1)

 

MIPI C-PHY vs. MIPI D-PHY

如果與D-PHY做個比較的話,C-PHY的運作樣貌與D-PHY是非常相似的,舉個例子來說,D-PHY的通道傳輸狀態轉換會運用LP-00、LP-01與LP-11這三個低速訊號狀態來進行,同樣的C-PHY也有類似的運作機制,C-PHY會透過通道上低速狀態信號LP-111、LP-001、LP-000的切換來達成通道傳輸模式的轉換,同樣的從高速切換到低功率模式也是類似,只是C-PHY是基於3線架構,唯一比較大的差異是在高速傳輸時通道上的資料呈現方式,如下圖,我們可以由圖上的比較看出D-PHY與C-PHY通道傳輸不同的地方。

圖5: MIPI D-PHY, C-PHY High Speed Burst Comparison

(圖片來源:MIPI Specification for C-PHY Version 2.1)

 

C-PHY的量測環境與接法則是透過示波器探棒將通道上三線碼型輸出(VA, VB, VC)訊號進行量測,其高速傳輸模式量測結果如圖6。

圖6: MIPI C-PHY Measurement Result

(圖片來源:Keysight Technologies)

 

綜合以上的介紹,MIPI C-PHY 在編碼上較為複雜且通道利用率較高。同樣的在規範設計上MIPI D-PHY與C-PHY都具備低功耗、高效能與有效的抗電磁干擾能力,展望未來,我們能預見MIPI C-PHY與MIPI D-PHY在手持式裝置應用上的快速發展。

 

 

參考文獻

  1. MIPI Alliance Specification for C-PHY Version 2.1 – 1 April 2021
  2. Keysight U7250A MIPI® C-PHYSM Compliance Test Application Methods of Implementation

 

作者
GRL 台灣技術總監 陳明忠 Allen Chen

在ITRI , Sunplus, XinzeDigital等公司擁有15年以上的研發工作經驗,擅長領域包含:IP Verification、SI/PI Simulation、Mipi、HDMI、DisplayPort、DDR等技術及規範研究

 

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本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                         

發佈日期 2022/03/14 AN-220314-TW

Published by GRL Team 三月 14, 2022