CSI（Camera Serial Interface）定義了攝像頭外設(shè)與主機控制器之間的接口，旨在確定攝像頭與主機控制器在移動應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)。

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關(guān)鍵詞描述

縮寫解釋

CCI	Camera Control Interface（物理層組件，通常使用I2C或I3C進(jìn)行通信）
CIL	Control and Interface Logic
DT	Data Type（數(shù)據(jù)格式，YUV422、RGB888等）
SoT	Start of Transmission（傳輸啟動信號）
EoT	End of Transmission（傳輸停止信號）
FS	Frame Start（一幀畫面開始標(biāo)志）
FE	Frame End（一幀畫面結(jié)束標(biāo)志）
LS	Line Start（一行像素開始標(biāo)志）
LE	Line End（一行像素結(jié)束標(biāo)志）
PH	Packet Header（包頭）
PF	Packet Footer（包尾）
HS	High SPeed（DPHY的傳輸模式之一）
LP	Low Power（DPHY的傳輸模式之一）
LP-RX	Low-Power Receiver（DPHY LP接收器）
LP-TX	Low-Power Transmitter（DPHY LP發(fā)送器）
HS-RX	High-Speed Receiver（DPHY HS接收器）
HS-TX	High-Speed Transmitter（DPHY HS發(fā)送器）
Lane	單向、點對點的信號傳輸通道，對于DPHY由2線差分接口構(gòu)成
Virtual Channel	用于標(biāo)識多路獨立數(shù)據(jù)流，DPHY最高支持16個虛擬通道
UI	單位間隔，等于Clock Lane上任意HS狀態(tài)（HS0或HS1）的持續(xù)時間

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概述

CSI-2定義了攝像頭應(yīng)用中發(fā)送方（camera）與接收方（soc）之間的數(shù)據(jù)與控制傳輸標(biāo)準(zhǔn)，其物理層支持DPHY與CPHY兩種，這里以DPHY為例。

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CSI-2層定義

與網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的多層協(xié)議相似，CSI-2標(biāo)準(zhǔn)也對camera數(shù)據(jù)處理的過程進(jìn)行了分層，簡單來說分為應(yīng)用層、協(xié)議層與物理層。協(xié)議層又進(jìn)行了細(xì)分：像素字節(jié)轉(zhuǎn)換層、低級協(xié)議層、Lane管理層。

• 應(yīng)用層（Application Layer）
  該層主要用于不同場景對數(shù)據(jù)的處理過程，對于發(fā)送方，多為camera生成數(shù)據(jù)，對于接收方，多為SOC對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

• 協(xié)議層（Protocol Layer）
  CSI-2協(xié)議可以使用SOC上的一個物理接口實現(xiàn)多條數(shù)據(jù)流的傳輸。協(xié)議層規(guī)定了如何對多條數(shù)據(jù)流進(jìn)行標(biāo)記和交織，從而使每條數(shù)據(jù)流能夠正確地重建。

  • 像素字節(jié)轉(zhuǎn)換層（Pixel/Byte Packing/Unpacking Layer）:CSI-2能夠支持多種多樣的像素格式，對于發(fā)送方，在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，需要根據(jù)像素格式，將像素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的字節(jié)流；對于接收方，在將數(shù)據(jù)提供給應(yīng)用層之前，需要將字節(jié)流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為像素數(shù)據(jù)。
  • 低級協(xié)議層（Low Level Protocol）：LLP指的是SoT與EoT之間的數(shù)據(jù)包字節(jié)流協(xié)議，LLP的最小單元為字節(jié)。
  • Lane管理器（Lane Management）：為了適應(yīng)不同場景下對帶寬的要求，CSI-2規(guī)定了Lane的數(shù)量是可拓展的。因此，在面臨多Lane同時傳輸時，發(fā)送方需要對字節(jié)流進(jìn)行公平分流（distributor），接收方則需要對多Lane數(shù)據(jù)進(jìn)行合并（merger）。
• 物理層（PHY Layer）
  PHY層指定了傳輸媒介，在電氣層面從串行bit流中捕捉“0”與“1”，同時生成SoT與EoT等信號。

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物理層 DPHY

DPHY在物理上采用2線差分接口，由1對的差分clock lane與1對或多對的差分data lane組成。

上圖表明使用DPHY作為物理層時，Camera與SOC之間的硬件關(guān)系。SOC的CCI組件通過I2C完成對Camera的配置，使其輸出mipi信號，其中一對Clock+/-則由Clock Lane標(biāo)示，一對DataNBA+/-則由Data Lane標(biāo)示。

DPHY工作于兩種工作模式：

• HS（High Speed Mode），這種模式用于傳輸高速的數(shù)據(jù)信號，如視頻流；高速模式下，每對Lane都是工作在低電壓擺幅的差分狀態(tài)下，數(shù)據(jù)速率為80Mbps到1500Mbps。
• LP（Low Power Mode），這種模式則可以用來傳輸控制信號；低速模式下，每對lane的2根導(dǎo)線都轉(zhuǎn)變?yōu)閱味藸顟B(tài)，數(shù)據(jù)速率為10Mbps。

上圖為單個Lane模塊的內(nèi)部組成，包含了CIL（Lane控制器與借口邏輯器），LP驅(qū)動器，HS驅(qū)動器，LP沖突檢測。CIL負(fù)責(zé)控制各個驅(qū)動器的工作狀態(tài)，使得Dp、Dn的工作狀態(tài)可以在HS與LP之間進(jìn)行切換。

處于HS模式下，差分信號電平擺幅約為200mV；處于LP模式下，單端信號電平擺幅約為1.2V。
在LP模式下，根據(jù)各個Line的電平可以確定當(dāng)前Lane的State。

Data Lane

Data Lane差分線電平的高低表明了當(dāng)前處于何種狀態(tài)，發(fā)送方通過驅(qū)動差分線一系列的狀態(tài)變化，進(jìn)入不同的工作模式。

• Burst Mode：High-Speed下的唯一模式，高速數(shù)據(jù)傳輸模式，此時各個Lane的Line工作在差分模式
• Control Mode：Low Power下的一種模式，可以通過變化不同的state進(jìn)入其他模式。
• Escape Mode：Low Power下的特殊模式，在這種模式下可以使用一些特別的功能，詳見下文。

協(xié)議中規(guī)定了進(jìn)入不同模式時的state變化狀態(tài)：

• HS模式：

  • 進(jìn)入HS模式：LP11->LP01->LP00

通常進(jìn)入HS模式也就伴隨著高速數(shù)據(jù)的傳輸，因此SoT（啟動傳輸）信號也就產(chǎn)生（由于手頭沒有差分探針，示波器抓到的波形只能看出大致形狀）。

上圖為完整的SoT時序，可以看出SoT由“進(jìn)入HS模式（A）”和“同步序列（B）”組成。

SoT流程如下：

發(fā)送方接收方

處于stop狀態(tài)	監(jiān)測stop狀態(tài)
進(jìn)入HS-Rqst狀態(tài)（LP01）并保持TLPX時間	監(jiān)測到LP11至LP01的狀態(tài)變化
進(jìn)入Bridge狀態(tài)（LP00）并保持THS-PREPARE時間	監(jiān)測到LP01至LP00的狀態(tài)變化
打開HS驅(qū)動器，同時關(guān)閉LP驅(qū)動器	_
進(jìn)入HS0狀態(tài)并保持THS-ZERO時間	使能HS的接收，并等待THS_SETTLE時間，進(jìn)入穩(wěn)定期
_	尋找Sync_Sequence
發(fā)出Sync_Sequenc'00011101'	_
_	接收到Sync_Sequence
發(fā)送負(fù)載數(shù)據(jù)
_	接收負(fù)載數(shù)據(jù)

• 退出HS模式：LP11

EoT流程如下：

發(fā)送方接收方

完成負(fù)載數(shù)據(jù)發(fā)送	接收負(fù)載數(shù)據(jù)
發(fā)送完最后一個bit后立刻翻轉(zhuǎn)差分線狀態(tài)，并保持THS-TRAIL時間	_
關(guān)閉HS-TX，使能LPTX，并進(jìn)入LP11狀態(tài)	_

• 進(jìn)入Escape模式：LP11->LP10->LP00->LP01->LP00
  進(jìn)入Escape模式后，則可以通過發(fā)送8bit命令執(zhí)行相應(yīng)的功能，下表列出了可用的Escape命令：

功能命令類型命令

Low-Power Data Transmission	mode	11100001
Ultra-Low Power State	mode	00011110
Undefined-1	mode	10011111
Undefined-2	mode	11011110
Reset-Trigger	Trigger	01100010
Unknown-3	Trigger	01011101
Unknown-4	Trigger	00100001
Unknown-5	Trigger	10100000

Low-Power Data Transmission

LPDT功能下，數(shù)據(jù)能夠在LP模式下進(jìn)行低速傳輸，此時Clock的時鐘需要小于20MHz。

上圖描述了LPDT下傳輸2Byte數(shù)據(jù)的時序。

Reset-Trigger

Reset-Trigger是發(fā)送方與接收方相互對應(yīng)的通信形式，如果輸入命令模式與Reset-Trigger命令相匹配，則在接收端通過邏輯PPI向協(xié)議標(biāo)記一個

Ultra-Low-Power

發(fā)送方發(fā)送ULPS碼后，接收方則可以根據(jù)這個信號進(jìn)行自己的LowPower處理。在 ULPS期間，Line始終處于LP00狀態(tài)。若出現(xiàn)持續(xù)T_WAKEUP的Mark-1狀態(tài)后緊接著Stop狀態(tài)則退出ULPS。

Clock Lane

與Data Lane一樣，Clock Lane也有兩種模式，高速傳輸模式與低功耗模式。

很明顯，Clock Lane進(jìn)入與退出高速模式與Data Lane基本一致。
下面兩個表格描述了進(jìn)入LowPower模式與HS模式的過程(結(jié)合上面的時序圖與Lane模塊的內(nèi)部組成圖一起看)

進(jìn)入LP模式：

發(fā)送方接收方

驅(qū)動HS Clock信號（HS-0與HS-1交替切換的這種狀態(tài)）	接收HS Clock信號
最后一個Data Lane進(jìn)入LP模式	_
繼續(xù)驅(qū)動HS Clock信號保持TCLK-POST時間并以HS-0結(jié)束	_
保持HS-0狀態(tài)約TCLK-TRAIL時長	在TCLK-MISS檢測時鐘是否消失，并關(guān)閉HS-RX單元
關(guān)閉HS-TX單元，使能LP-TX單元，轉(zhuǎn)變?yōu)橥Ｖ範(fàn)顟B(tài)LP-11并保持THS-EXIT	_
_	檢測到LP-11狀態(tài)，關(guān)閉HS終端，進(jìn)入停止模式

進(jìn)入HS模式

發(fā)送方接收方

驅(qū)動至Stop狀態(tài)（LP-11）	偵測Stop狀態(tài)
驅(qū)動至HS-Req（LP-01）并保持TLPX	偵測導(dǎo)線上是否出現(xiàn)LP-11到LP-01的變化
驅(qū)動至LP-00并保持TCLK-PREPARE	偵測LP-01到LP-00的變化并在TCLK-TERM-EN后使能HS終端
使能高速驅(qū)動器同時關(guān)閉LP驅(qū)動器，保持HS-0狀態(tài)TCLK-ZERO	使能HS-RX并等待TCLK-SETTLE
_	接收HS信號
在Data Lane啟動之前，驅(qū)動HS Clock保持TCLK-PRE	接收HS Clock信號

時序參數(shù)

接收方的DPHY能否成功捕捉到有效的數(shù)據(jù)取決于發(fā)送與接收兩方之間的時序，下表列出了收發(fā)雙方的所有時序參數(shù)，其中接收方的時序應(yīng)該能夠兼容發(fā)送方的時序參數(shù)。

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多Lane的分發(fā)與合并

當(dāng)某些應(yīng)用場景需要的帶寬超過了單Lane所能提供的帶寬或者為了降低Clock頻率的情況下，則可以通過拓展Data Lane來滿足要求。

下圖展示了數(shù)據(jù)流在單lane與多l(xiāng)ane的情況下，發(fā)送方內(nèi)部的Lane Distribution Function（LDF）對來自LLP層的字節(jié)數(shù)據(jù)流的分發(fā)過程。

對于接收方，對應(yīng)的擁有一個Lane Merging Function（LMF），用于將PHY層的多l(xiāng)ane的數(shù)據(jù)合并為LLP層所需的字節(jié)流。

在多Lane（定為N）傳輸?shù)那闆r下，對于一幀數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)長度不是Lane數(shù)量（N）的整數(shù)倍的情況下，則倒數(shù)第二組數(shù)據(jù)發(fā)出后會剩下少于N的字節(jié)需要發(fā)送，此時LDF會將無數(shù)據(jù)分配的Lane置為“Invalid Data”直接進(jìn)入EoT。

下圖展示了分發(fā)后的數(shù)據(jù)在2個Lane上的傳輸情況（包含兩種情況）

多Lane合并就是多Lane分發(fā)的相反過程，這里就不在贅述。

低級協(xié)議（Low Level Protocol）

LLP是基于字節(jié)，以包為單元的協(xié)議，支持長短兩種包格式。

• 傳輸任意數(shù)據(jù)（負(fù)載獨立）
• 以字節(jié)為數(shù)據(jù)元
• 對于DPHY，支持16路虛擬通道；對于CPHY，支持32路虛擬通道
• 支持獨立的幀起始，幀結(jié)束，行起始，行結(jié)束等數(shù)據(jù)包
• 包含對數(shù)據(jù)類型，像素深度與格式的描述
• 16-bit Checksum錯誤偵測
• 6-bit 錯誤發(fā)現(xiàn)與糾正

LLP支持兩種包結(jié)構(gòu)，分別為長包與短包，包格式與長短取決于具體的物理層。無論何種類型的包，均由SoT信號開始，EoT信號結(jié)束。

以DPHY為例來分析具體的協(xié)議格式，DPHY長包主要由包頭、包負(fù)載、包尾三部分組成，具體如下圖：

短包協(xié)議格式如下圖：

其中Data Type取值為0x10-0x37（見下圖），虛擬通道由4bit構(gòu)成，高2bit來自VCX，低2bit來自Data ID的bit6、7。

上圖可以發(fā)現(xiàn)，短包有兩類Data Type

• 同步短包：用于對幀或行起停進(jìn)行標(biāo)識，起到同步作用。

• 通用短包：通用短包數(shù)據(jù)類型的目的是提供一種在數(shù)據(jù)流中打開/關(guān)閉快門、觸發(fā)閃光燈等的機制。16bit短包數(shù)據(jù)域用于傳輸約定好的信息，實現(xiàn)對一些自定義功能的控制。

虛擬通道（virtual Channel ID）

虛擬通道的作用是在交織傳輸?shù)牟煌瑪?shù)據(jù)流中，區(qū)分出各個數(shù)據(jù)流所屬的邏輯上的通道，以max9286為例，來自4路同軸線的相機數(shù)據(jù)可以設(shè)置為不同的虛擬通道，這樣，在SOC側(cè)CSI模塊處理時，可以根據(jù)不同的虛擬通道ID將每個攝像頭的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至各自的內(nèi)存區(qū)域，這樣就能從4個地址獲得單獨的4個圖像。若不使用虛擬通道，則4路數(shù)據(jù)就無法區(qū)分了（當(dāng)然max9286內(nèi)部能夠?qū)?個圖像拼接為一個大圖輸出）。
虛擬通道由包頭中的VC與VCX構(gòu)成，對于DPHY來說，由4bit組成，最高16路虛擬通道，高2bit來自VCX，低2bit來自VC。

數(shù)據(jù)類型（Data Type）

數(shù)據(jù)類型表明了負(fù)載數(shù)據(jù)的格式和內(nèi)容，上文提到，根據(jù)長短包的不同，數(shù)據(jù)類型共有8種不同的分類。短包數(shù)據(jù)類型的詳細(xì)信息在上文已經(jīng)介紹了，這里說明下長包的5種數(shù)據(jù)類型，詳見下表：

像素字節(jié)轉(zhuǎn)換

圖像數(shù)據(jù)在LLP傳輸時需要以字節(jié)流的形式進(jìn)行，應(yīng)用層來的像素數(shù)據(jù)需要根據(jù)具體的像素格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以YUV422 8bit為例：
YUV422 8bit是以UYVY的順序進(jìn)行傳輸?shù)?#xff0c;見下圖：

YUV422 8bit的最小包傳輸單元如下表，其他長度的包長度必須為最小單元的整數(shù)倍：

為什么最小包單元是2pixels、4bytes、32bit而不是1pixels、2bytes、16bit呢？這是因為YUV422 8bit中兩個Y分量共用一個UV分量，因此一Packet至少需要攜帶2個pixels的信息。

像素至字節(jié)的轉(zhuǎn)換過程如下，從CSI-2標(biāo)準(zhǔn)文檔提供的示意圖可以看出，相對與原數(shù)據(jù)其實也沒做啥轉(zhuǎn)換，就統(tǒng)一了數(shù)據(jù)在LLP傳輸時高底位的發(fā)送順序。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的MIPI CSI-2学习的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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