摘要

本文深入介紹GMSL?技術(shù)，重點說明用于視頻數(shù)據(jù)傳輸的像素模式和隧道模式之間的差異。文章將闡明這兩種模式之間的主要區(qū)別，并探討成功實施需要注意的具體事項。

GMSL概覽

千兆多媒體串行鏈路(GMSL)是ADI公司專有的SERDES技術(shù)，旨在通過單根同軸電纜或兩根屏蔽雙絞線(STP)電纜實現(xiàn)遠(yuǎn)距離高速視頻數(shù)據(jù)傳輸。GMSL最初是為汽車應(yīng)用開發(fā)的，抗電磁干擾(EMI)能力強(qiáng)，并支持使用更輕的線束。但現(xiàn)在，它也被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等眾多其他領(lǐng)域。

目前有三代GMSL可用：即GMSL1、GMSL2和GMSL3。深入詳細(xì)地探討這三者之間的差異不屬于本文的討論范圍。不過，為了更好地理解本文的內(nèi)容，我們重點說明其中一些細(xì)節(jié)：

本文介紹的技術(shù)細(xì)節(jié)和特性不適用于GMSL1代。

雖然完整的GMSL產(chǎn)品組合支持多種類型視頻接口（并行、攝像頭串行接口2 (CSI-2®)、HDMI®、oLDI等）之間的視頻數(shù)據(jù)傳輸，但本文闡述的內(nèi)容僅適用于支持CSI-2的GMSL器件。

圖1為支持GMSL的基本網(wǎng)絡(luò)的示例。SERDES位于視頻源和視頻接收設(shè)備之間，這樣就能在兩者之間實現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離，而且還能減少所需的電纜數(shù)量。

圖1.支持GMSL的點對點連接。

視頻源可以是傳感器或處理器，而視頻接收設(shè)備可以是顯示器或其他處理器。

橋接視頻接口：CSI-2

CSI-2是移動行業(yè)處理器接口(MIPI)聯(lián)盟制定的一種高速視頻接口標(biāo)準(zhǔn)。它可用于汽車、手機(jī)、無人機(jī)、機(jī)器人等眾多領(lǐng)域。通常，CSI-2視頻源是各種傳感器，例如成像器、雷達(dá)、LIDAR等，而視頻接收設(shè)備是處理器、片上系統(tǒng)(SoC)、微控制器等。

CSI-2是一種協(xié)議規(guī)范，它定義了圖像數(shù)據(jù)如何格式化、接收和發(fā)送，并使用D-PHY?或C-PHY?作為硬件層。這兩種硬件層是MIPI聯(lián)盟定義的不同物理層接口，描述了高速數(shù)據(jù)傳輸所需的電氣特性、信號完整性和時序特性。

簡而言之：

相較于D-PHY，C-PHY可以支持更高帶寬的應(yīng)用。每種PHY使用不同的數(shù)據(jù)和時鐘通道拓?fù)?，因此對布局的考量也不同?

CSI-2數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)由三個主要部分組成：包頭、有效載荷和尾部。C-PHY和D-PHY都遵循這種結(jié)構(gòu)，只是略有不同。

包頭包含有關(guān)有效載荷內(nèi)容的安全信息，其作用是讓接收器知道準(zhǔn)備接收什么類型的數(shù)據(jù)。

有效載荷包含需要傳輸?shù)闹饕畔ⅰ?

尾部通過CRC校驗和來保護(hù)有效載荷信息。

SERDES視頻數(shù)據(jù)傳輸

在GMSL系統(tǒng)中，CSI-2數(shù)據(jù)包由串行器接收，將其編碼為GMSL數(shù)據(jù)包格式，再通過電纜傳送到配對的解串器，由解串器將視頻解包，并將CSI-2信息發(fā)送到本地處理器。

隨著GMSL CSI-2器件的演進(jìn)，出現(xiàn)了兩種不同的視頻數(shù)據(jù)傳輸模式。雖然兩種模式都能確保視頻內(nèi)容通過GMSL鏈路安全可靠地傳輸，但其各自的特點也應(yīng)予以考慮。兩種傳輸模式分別是像素模式和隧道模式。

像素模式是傳統(tǒng)的傳輸模式，它是在第一批GMSL2產(chǎn)品中引入的。如圖2所示，在此模式下，傳入的CSI-2數(shù)據(jù)包包頭和尾部被移除，數(shù)據(jù)有效載荷轉(zhuǎn)換為像素格式，以便通過GMSL鏈路發(fā)送。CSI-2格式與像素格式之間的轉(zhuǎn)換在串行器中完成，而在鏈路的另一端，解串器會重建CSI-2結(jié)構(gòu)，并將新的包頭和尾部添加到結(jié)構(gòu)中。

圖2.像素模式傳輸（簡化版）。

隧道模式則是將整個CSI-2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重新打包，如圖3所示。因此，隧道模式有時被稱為CSI-2轉(zhuǎn)發(fā)，它不支持任何基于像素的處理。

圖3.隧道模式傳輸（簡化版）。

不同的GMSL器件可能支持一種或兩種傳輸模式，詳細(xì)信息請參閱相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊。

為使GMSL鏈路成功運行，系統(tǒng)必須支持串行器和解串器，并統(tǒng)一配置為像素模式或隧道模式。如果串行器和解串器之間的模式不匹配，將無法傳輸視頻數(shù)據(jù)。GMSL器件支持的其他外設(shè)接口或協(xié)議（例如I2C、UART、GPIO等）不會受到影響。

像素模式與隧道模式逐項特性比較

在實施基于GMSL的系統(tǒng)時，系統(tǒng)設(shè)計人員需要根據(jù)采用的是像素模式還是隧道模式關(guān)注幾項特性。本節(jié)將重點介紹其中一些特性。

所有這些特性都與CSI-2數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)本身，以及CSI-2包頭和尾部中可找到的信息類型密切相關(guān)。

數(shù)據(jù)完整性

GMSL通信受其自身的校驗和算法保護(hù)。除了該算法之外，CSI-2協(xié)議還會計算數(shù)據(jù)有效載荷字節(jié)的16位CRC，并將此信息存儲在數(shù)據(jù)包尾部中。該校驗和中不包括包頭信息。

圖4.像素模式下的視頻數(shù)據(jù)完整性。

在隧道模式下，來自傳感器的原始CRC會通過鏈路一直發(fā)送到處理器，使得數(shù)據(jù)完整性進(jìn)一步增強(qiáng)。如圖5所示，在串行器和解串器之間仍然存在GMSL CRC，使得冗余度更高。

此外，在隧道模式下，解串器還支持內(nèi)聯(lián)CRC校驗，因而能夠驗證并選擇性地糾正CSI-2標(biāo)頭或有效載荷CRC。檢測到的校驗和不匹配情況時，可使用錯誤報告功能進(jìn)行報告。這樣，系統(tǒng)可以在SoC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，更快地發(fā)現(xiàn)錯誤。

圖5.隧道模式下的視頻數(shù)據(jù)完整性。

在像素模式和隧道模式下，均可使用內(nèi)部前向糾錯(FEC)功能進(jìn)一步提升串行器和解串器之間的數(shù)據(jù)完整性。

聚合

在GMSL中，聚合是指將多個視頻流合并為單個輸出的功能，通過這種方式可以更優(yōu)化地利用視頻接收設(shè)備的輸入引腳。1圖6顯示了使用兩個單輸入MAX96717 串行器和一個雙輸入MAX96716A 解串器實現(xiàn)聚合的示例。

圖6.使用匹配傳輸模式實現(xiàn)兩個視頻源之間的聚合。

每個GMSL端口的傳輸模式都是單獨配置的。在圖6中，串行器和解串器的輸入端口都必須配置為以像素模式或隧道模式運行。只有采用同一傳輸模式的視頻流之間才能進(jìn)行聚合。

混合使用情況（即一個鏈路以像素模式運行，另一個鏈路以隧道模式運行）不支持聚合。在這種情況下，視頻流必須使用不同的解串器輸出端口，如圖7所示。

圖7.像素/隧道混合模式用例。

MIPI物理層

MIPI轉(zhuǎn)換

此外，將來自兩個或更多傳感器的多個視頻流合并到單個MIPI端口時，可能會出現(xiàn)另一個問題：組合視頻數(shù)據(jù)可能會超過D-PHY的10 Gbps限制。為了突破這一瓶頸，并避免對架構(gòu)設(shè)計施加太多限制，通過視頻鏈進(jìn)行D-PHY至C-PHY的轉(zhuǎn)換是理想方案。

在像素模式下，從視頻源到接收設(shè)備的傳輸過程中，只有CSI-2數(shù)據(jù)有效載荷保持不變，并且對于兩種物理層，其結(jié)構(gòu)相同。這意味著，使用GMSL技術(shù)，在像素模式下，接收設(shè)備和視頻源無需考慮對方使用何種類型的PHY。由于PHY數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)僅標(biāo)頭和尾部有所不同，因此可以將傳入的D-PHY結(jié)構(gòu)解構(gòu)，然后由解串器重新組裝為C-PHY，有效載荷信息不會受到影響。

隧道模式本身不具備此功能；因此，該模式不支持D-PHY至C-PHY的轉(zhuǎn)換。

但也有例外，例如MAX96724/MAX96724F/MAX96724R 四輸入CSI-2解串器系列，其支持多達(dá)四個CSI-2端口，物理層可以使用D-PHY或C-PHY配置。該系列可以配置為以像素模式或隧道模式工作。MAX96724系列可以在隧道模式下執(zhí)行D-PHY至C-PHY的轉(zhuǎn)換，而不影響數(shù)據(jù)完整性。

虛擬通道管理

虛擬通道是分配給CSI-2數(shù)據(jù)包的標(biāo)簽，用于識別每個數(shù)據(jù)有效載荷。在使用聚合的應(yīng)用中，標(biāo)簽會變得更加重要，因為接收端需要對多個傳入流進(jìn)行解復(fù)用并將其相互區(qū)分。此類標(biāo)簽位于CSI-2數(shù)據(jù)包的包頭段內(nèi)。

因此，在像素模式下，可以對GMSL器件進(jìn)行自定義虛擬通道重新分配。另一方面，并非支持隧道模式的器件都具備這種靈活性。在這種情況下，每個視頻源都需要設(shè)置唯一的虛擬通道。

原理圖和布局布線影響

像素模式和隧道模式在協(xié)議層面上存在差異，但未必需要對應(yīng)用的原理圖進(jìn)行任何實質(zhì)性修改。

GMSL器件可以設(shè)置為上電時默認(rèn)進(jìn)入像素模式或隧道模式。此默認(rèn)設(shè)置可通過CFG[#]引腳上的預(yù)定義電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，詳見具體器件的數(shù)據(jù)手冊。根據(jù)上電默認(rèn)配置為像素模式還是隧道模式，這些電阻會有所不同。

無論上電默認(rèn)配置如何，從一種模式到另一種模式的轉(zhuǎn)換也可以通過寄存器寫入來實現(xiàn)。

而模式的切換對布局方面沒有影響。像素模式和隧道模式將在相同的布局和PCB堆疊上運行。

結(jié)語

了解GMSL技術(shù)的兩種模式之間的差異，對于設(shè)計穩(wěn)健的高性能系統(tǒng)至關(guān)重要。表1對像素模式和隧道模式支持的一些特性進(jìn)行了比較。簡而言之，像素模式可提供更大的系統(tǒng)靈活性，而隧道模式以損失部分系統(tǒng)靈活性為代價，提升了數(shù)據(jù)完整性。

參考文獻(xiàn)

1GMSL2通用用戶指南。ADI公司，2023年12月。