车载SerDes历史和发展概述

news2024/10/10 13:40:14

1. 场景起源

1.1 原始时代：

在古老的很久很久以前，摄像头和显示屏等接口是多种多样的，丰富多彩的。大家各凭本事，各显神通，在各种地盘上成立各种帮派。比如CVBS、DVP、AHD、USB。
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CVBS，包括后面的AHD，模拟信号传输。分辨率在480p或者720p。
DVP是并行数据接口，一般是BT656/BT1120，拥有多根数据线。传输时钟在几十兆，传输速率较低，分辨率一般在720p，不超过1080p。以下为BT656/BT1120时序示意图：

1.2 MIPI

随着性能的提升，像素也在不断加大，低速接口终究是会被淘汰，高速接口也面临降本增效的阶段了。
MIPI (Mobile Industry Processor Interface)联盟的出现，促使单一的接口技术逐渐成为主流。那个百家争鸣的时代，一去不返了。
MIPI将物理层和协议层分离，同样的协议层可以搭不同的物理层，使接口更加灵活，满足各个场景需求。
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1.3 长距离传输和Serdes

MIPI最初是针对移动设备场景的，受环境和线路影响，CDPHY的物理线路长度一般在十几厘米以内，并不适用于长距离的信号传输。
很久以来，长距离传输使用CVBS，USB，或者直接用网线，来将远处的数据接入设备。比如台式机广泛使用USB的电脑摄像头UVC，只需要插入USB口，就可以直接通过USB设备，将摄像头数据采集到电脑。还有安防监控领域，使用网线通过网络协议传输视频数据。在车载监控领域，直接使用CVBS/AHD的模拟信号传输数据，这种方式最大支持720P的分辨率。如果数据量继续加大，分辨率和帧率继续提高，便只能另想办法。这就是目前桥接芯片的主要目的。
SERDES，即 Serializer / Deserializer，广泛应用于高速数据传输场景。将并行数据转化为串行数据，通过高速差分信号实现高速通信。
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在车载视频场景下，Serdes起到中继和路由的功能。一般需要分别用到Serializer / Deserializer两颗芯片，实现数据的中转传输。
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2. 车载视频场景介绍

目前车载Serdes领域，不同的厂商可能使用不同的通信方式，市场占有率最高的是美信和TI。
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3. GSML和MAX96722概述

GSML分为GSML1和GSML2. 总体上说功能是一样的，就是中继信号、路由信号这两个，只是速率和灵活性上的提升。
GSML通过桥接的方式，在摄像头和SOC端架起桥梁，实现长距离传输。同时，可以使用多对一或则一对多的信号路由，比如将多个摄像头的图像分别或者拼接后传输到一路，也可以将某一路图像发送到多个接受端。
MAX96722是美信的一款解串器，支持四路GMSL2到4路MIPI-CSI2的数据桥接，兼容GMSL1。

3.1 视频管道

GSML的数据通过视频管道video pipe的方式组织起来，在Serdes两端单向传输。video pipe相当于CSI中的虚拟通道，用来标记不用的视频流。比如摄像头1的图像在管道1传输动，摄像头2的数据管道在管道2传输。可以将不同的管道输出到任意指定的输出端口，实现路由。
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在这里插入图片描述其中，GMSL1只支持输入端到定向管道，每个链接只能选择一路数据进入。GMSL2可以支持自由映射。MAX96722最多支持8个管道，在GMSL1只会用到4个管道，但是在GMSL2可以用8个管道实现4路2DOL HDR的数据传输。

3.2 设备控制

GMSL支持设备控制数据透传。由于远端设备没有直接接入SOC，因此无法通过SOC直接控制。GMSL可以直接将解串器收到的I2C信号，通过GMSL直接传输到串行器。每个通道支持两个额外的通道将I2C/UART/GPIO控制透传到远端设备，每个GMSL通道可以单独配置。

I2C/UART
MAX96722有三个I2C接口，都可以访问自己和远程的设备寄存器，一般使用一个作为主接口控制MAX96722，另外两个可以用来透传到串行器端。
每一个GMSL2链接都提供了专用的控制通道，可以独立地分配给任何一个I2C端口。I2C端口可以通过这个GMSL2提供的通道，来访问远端的串行器和外围设备。
此外，每一个GMSL2链接还提供了一对额外的透传隧道，以供远端的外围设备通讯。对于给定的GMSL2链接，透传隧道可以分配给2组I2C/UART接口，只要该接口没有被分配给控制通道。

远端的串行器只能通过GSML2链接的控制通道访问，由于控制通道只支持一个端口，因此同一时间只能支持一个I2C接口的访问。默认是I2C接口0路由到远端的串行器，剩下两个没被分配的端口，可以通过GMSL2的透传隧道进行远端的外围设备访问。
GMSL1不支持透传通道，因此只能通过控制通道访问远端的串行器和外围设备。
I2C接口除非被禁用，否则都可以访问MAX96722本地解串器的寄存器，不能被断开。所以三个I2C接口永远都可以访问MAX96722自己的寄存器。

GPIO
当本地的指定IO发生变化时，GMSL2链接可以创建一个GPIO的通讯数据包，把本地的IO变化透传到远端，这个操作是双向的。默认GPI和GPO是一一对应的，但是可以通过配置修改，一个GPI也可以映射到对端的多个GPO。GPIO的状态，通过两端的I2C都可以访问。
GPI有两种传输方式：
- 延时补偿delay-compensated
  当远端需要精确同步时，就用延时补偿，这时候延时时间是精确的固定值，会增加延时但是抖动和扭曲减少。
- 和非延时补偿non-delay-compensated。
  当需要最小延时时，使用非延时补偿模式，这时候GPI的变化会尽快地通过链接上可用的带宽同步给对端，对于快速中断响应应当使用这个模式。

3.3 其它功能

MAX96722支持额外的一些功能配置。

视频拼接
可以将图像横向或者纵向拼接成一副整图，然后进行传输。
VPG
支持生成棋盘图和色条
水印
包含两个水印生成器，可以为两路信号提供水印功能，以检测冻帧现象。
时序侦测
检测信号的起始，通过pin输出帧同步和行同步信号。
CRC/ECC保护

4. MIPI APHY

最初MIPI设定的场景是在移动领域，但随着应用的扩展，其它领域的兼容需求也逐渐变强。在车载领域下，MIPI的物理层并不满足长距离的传输。所以MIPI提出了新的物理层，这就是APHY。APHY可以提供长达15米的通讯距离，和15-48Gbps的传输速率。
同时，MIPI还有意取代当前市场纷乱昂贵的Serdes方案，实现图像广播、合并，配合MIPI CSE协议层进行数据加密、校验、防攻击篡改等安全性功能。
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如上图，APHY的方案为了兼容多种场景和不同的成本方案，提供了不同的框架支持。比如不支持MIPI CSE协议的旧系统，外挂APHY Serdes转C/D_PHY的系统，以及最终直接支持APHY不需要Serdes的集成芯片和摄像头模组。