嵌入式工程师必备：MIPI CSI-2 接口协议

低不了的只有档次
百家号03-1500:23
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现代社会，竞争激烈，对于手机行业，更是如此。在优胜劣汰适者生存的手机行业中，便会涌现出许许多多的不同的创新的点子，比如摄像头的接口。不同的摄像头模组厂商也可能会使用不同的接口形式，适应现代手机的高性能高速数据传输，从而提高竞争力。本文着重介绍当今比较灵活的、高性价比的摄像头接口技术标准。

首先介绍MIPI：MIPI联盟由ARM、诺基亚、意法半导体和德州仪器发起成立，作为移动行业领导者的合作组织，MIPI目的是把手机内部的接口如摄像头、显示屏接口、射频/基带接口等标准化，从而减少手机设计的复杂程度和增加设计灵活性。MIPI联盟下面有不同的WorkGroup，分别定义了一系列的手机内部接口标准，比如摄像头接口CSI、显示接口DSI、射频接口DigRF、麦克风/喇叭接口SLIMbus等。统一接口标准的好处是手机厂商根据需要可以从市面上灵活选择不同的芯片和模组，更改设计和功能时更加快捷方便。

然后就是CSI：CSI（Camera Serial Interface)是由MIPI（Mobile Industry Processor Interface）联盟下Camera工作组制定的接口标准，是MIPI联盟发起的为移动应用处理器制定的开放标准，该协议为低成本智能手机细分市场提供了一套灵活的、高性价比的解决方案。CSI接口具有接口少、抗EMI强、速度快、功耗低等优点。CSI-2是MIPICSI第二版，CSI-2由应用层、协议层、物理层组成，最大支持4通道数据传输，单线传输速度高达1Gb/s[1-2]。

而下图是传统摄像头(Camera)到处理芯片(SOC)的连接接口，需要至少9根线的视频口（Clock+ 8bit RGB Data）以及一组I2C控制总线。 而且受限于时钟速度， 传输的视频分辨率也受到限制，这些缺陷就使得传统摄像头连接接口注定被淘汰。

而采用了Camera Serial InterfaceCS （CSI）接口的摄像头到SOC的连接，如下图所示，可以精简到一组差分时钟和一组差分数据线。 如果分辨率提高， 还可以灵活的增加差分数据对来支持，由此减少了负载，加快了数据传输。

CSI-2规范定义了发送者和接收者之间传输和控制接口的标准数据。数据传输接口（指CSI-2）是单向差分串行接口，传输数据和时钟信号；关于CSI-2接口的物理层D-PHY的说明， 后面会专门进行讨论， 这里暂时先不介绍了。详细的规范也可以参考MIPI联盟的文档《MIPI Alliance Specification for D-PHY》[MIPI01]。

下图是一个标准的MIPI CSI-2的系统框图连接，包含了CSI-2和CCI发送者和接收者接口，描述了CSI-2发送者和接收者之间的连接关系，是一个典型的摄像头模型和接收者模型。控制接口CCI（CameraControl Interface）CCI是一个支持400K数据率的双向控制接口，与I2C接口标准兼容，实现 SOC (CCIMaster)到 CSI-2 TX 端(CCI Slave)的控制。

下图是CSI-2的应用中概念上的层级结构。从图中可以看到，CSI-2主要包含了，应用层（Application Layer）， 协议层（Protocol Layer）和物理层（PHY Layer）。

各层描述如下：

应用层（ApplicationLayer）：主要描述了上层数据流中的数据编码和解析。CSI-2 规范中规定了像素数据到字节的映射。

协议层（Protocol Layer）：包含了几个不同的子层，每个子层都有各自的明确职责。主要包括，像素/字节打包/解包层（Pixel/Byte Packing/UnpackingLayer），Low Level Protocol Layer(LLP)，通道管理（LaneManagement）层。CSI-2协议层允许多数据流 (CSI-2 TX)共用一个主机处理器端 CSI-2 接收信号接口 （CSI-2 RX）。协议层就可以描述有多少数据流被标记并组合在一起,指定了多数据流怎样被标记和交叉存取，因此每个数据流可以在SOC处理器CSI-2接收器中被正确的重建，才能把各个数据流正确地恢复出来。。

像素/字节打包/解包层（Pixel/Byte Packing/UnpackingLayer）：CSI-2支持多种像素格式图像应用，包括从6位到24位每个像素的数据格式。在发射端，数据由本层被发送到LLP层（Low Level Protocol）前，本层将应用层传来的数据由像素打包成字节数据；在接收端，执行相反过程，将LLP层发来的数据解包，由字节转成像素，然后才发送到应用层。8位每像素的数据在本层被传输时不会被改变。

LLP（Low LevelProtocol）层：LLP层包括，为串行数据在传输开始（SoT）到传输结束（EoT）之间传输事件，和传输数据到下一层，建立位级和字节级同步的方法。LLP最小数据粒度是一字节。LLP层也包括，每字节中各位数值分布解释，即“端”（Endian）分布。

通道管理（LaneManagement）层：为性能不断提升，CSI-2是通道可扩展的。数据通道数目可以是1，2，3，4，这个依赖于应用中的带宽需求。接口发送端分配（“distributor”功能）输出数据流到一个或更多通道。在接收端，接口从通道收集字节并将之合并（“merger”功能）成为重新组合的数据流，恢复原始数据流序列。

数据在协议层是以数据包的形式存在。在接口发送端，添加包头和可选择的错误校验信息，一起以数据包的形式通过LLP层来传输数据。在接收端，LLP层将包头剥离，由接收者按照相应逻辑解析数据包，得到有效数据。错误校验信息可以用来检测收到的数据完整性。

物理层（PHYLayer）：定义了传输介质 (electrical conductors，导体),输入/输出电路信号的电气特性（electricalparameters）和时钟机制（时序）。即如何从串行位流(Bit Stream)中获取“0”和“1”信号。规范中的这一部分记录了传输介质的特性，并依据时钟和数据通道之间发信号和产生时钟的关系规定了电学参数。

信号传输开始SOT (Startof Transmission)和传输结束EOT (End of Transmission)信号的握手机制被规范化，同样被规范化的还有其他在传输和接收物理层之间能够传输的“带外”信息(“out of band”)。位级(Bit级)和字节级(Byte级)数据的同步机制等都是在物理层来实现的。