构建低成本、高度可配置的桥接解决方案：在嵌入式设计中采用基于D-PHY的MIPI标准外设

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嵌入式系统的设计者们正面临着进退两难的困境。一方面他们需要降低系统成本。另一方面他们的系统面向使用面相对较窄、小批量的应用，无法发挥出大批量生产的规模效益。大批量的消费类应用市场提供的元件能够处理类似的任务，而且成本更低，但嵌入式系统设计者们却无法充分利用这些元件，因为他们的系统可靠性建立在为嵌入式环境优化的高度专用的那些传统接口之上。这个问题在显示屏、摄像头和应用处理器方面最为突出，适用于移动平台的低成本、MIPI标准元件使用基于D-PHY物理总线的接口，无法与嵌入式系统处理器进行通信，因为后者是通过LVDS、RGB或SPI接口连接显示屏，以及通过数字并行接口、subLVDS或HiSPi接口连接图像传感器。

    本文着重讨论针对此问题可能的解决方案，并探索嵌入式系统设计者们该如何利用那些大批量消费电子市场的系统设计师们已经在使用的高性价比元件。本文着重探讨了一种新的超低密度（ULD）FPGA和相关的参考设计如何创建低成本、高度可配置的桥接解决方案，在嵌入式设计中采用基于D-PHY的MIPI标准外设，为新兴应用采用MIPI标准的元件打开新局面。

历史经验

    二三十前当嵌入式系统设计者们想要降低成本时，他们会使用那个年代的高性价比平台。通过采用为流行的PC架构开发的标准硬件和软件，嵌入式系统设计者们在降低成本的同时，获得了经过上千万消费电子应用验证的高可靠性元件。相对于VME、STD和Multibus等复杂、昂贵的嵌入式总线架构，采用外设部件互连标准（PCI）总线的元件和子系统提供了非常有吸引力并且低成本的替代选项。PCI和后来的PCIe总线使得嵌入式开发者们能够充分利用已有的、易于使用的设计工具和基于熟知的架构之上的开源操作系统。这种策略带来了很多好处，使得设计者们能够将低成本传递给终端消费者，并且缩短开发周期，更容易满足产品上市的时间窗口。

    PC时代已经一去不返。原有的PC架构已不再是高性价比架构的最佳选择（图1），取而代之的是现今的移动计算时代。现在，如果嵌入式系统开发者想要降低系统成本，他们不得不使用如今高速增长、大批量的智能手机和平板电脑市场采用的元件和接口。

图1：移动设备正逐渐成为主要的计算平台，将带来更多类型的应用、更好的用户体验以及更快的网络。

移动和移动相关产品的接口参数

    现在市场上绝大多数的智能手机和平板电脑使用的总线和接口是由移动产业处理器接口（MIPI）联盟定义的。MIPI联盟成立于2003年，通过为各种移动系统外设，如图像传感器、存储器、显示屏、RF元件和其他移动平台上的器件与应用处理器间的标准硬件和软件接口制定技术规范来推动元件间互连的发展。图2 展示了典型的移动平台MIPI标准接口。

    显示屏、摄像头和应用处理器可能是嵌入式系统设计者们能够从移动市场中获益最多的MIPI标准元件。正如图2 展示的，如今的移动系统设计常常包含使用显示屏串行接口（DSI）的LCD显示屏和采用摄像头串行接口（CSI-2）的摄像头图像传感器。嵌入式系统设计者们面对的主要挑战是如何构建嵌入式应用中经常使用的成熟接口和移动系统中MIPI联盟定义的接口间的桥接，以充分利用这些成本更低的移动应用元件。举个例子，在嵌入式系统市场中，显示屏通常使用LVDS、RGB或SPI接口，图像传感器往往采用数字并行接口、subLVDS或HiSPi接口。绝大多数嵌入式处理器都不提供DSI显示屏接口。由此可见，设计者们需要嵌入式处理器与DSI显示屏的桥接。同样地，嵌入式系统设计团队如果想要集成用于移动应用市场的低成本图像传感器，他们也需要CSI-2接口的桥接。

图2：由MIPI联盟定义的移动平台接口。

D-PHY接口

    MIPI CSI-2和DSI接口均基于名为D-PHY的物理层总线协议。D-PHY采用一个差分时钟和1-4对差分数据线来传输数据，D-PHY是一种中心对齐的源同步接口，在时钟的上下边沿都有数据传输。一个器件作为发送端，另一个器件作为接收端。该总线可以在运行中将差分信号转换成单端信号。通常差分或高速（HS）模式用于高性能视频传输，而单端低功耗（LP）模式用于传输控制数据。

    DSI HS接口工作时的电气特性与200mV共模电压下的可调节低电压信号（SLVS）标准器件相同。采用DDR源同步时钟，以及1-4个接口数据通道。显示分辨率和刷新率要求越高，就需要更多数据通道和更高的速率。DSI接口在数据通道0上使用LP模式来配置显示屏的寄存器映射。该映射称为显示指令集（DCS）。因此，设计者们在构建DSI接口桥接时，不仅要将视频或图像数据映射到HS模式，还需要一套在LP模式下配置显示屏的机制。请注意这正是DSI和CSI-2接口之间的关键区别。CSI-2图像传感器采用独立的I²C总线对图像传感器进行编程，而不是采用LP模式。

当今的应用处理器提供了极具吸引力的功能、高度集成和低功耗特性，许多嵌入式系统设计者们由于对原有处理器相关软件和外设功能的巨大投入，仍无法停止使用原有的处理器。过渡到另一种处理器的软件开发成本通常太过高昂。

     尽管如此，设计人员们仍可采用一些移动产品中使用的低成本元件。举个例子，考虑到在软件方面的大量投资无法收回时，我们不难想象将基于微控制器的嵌入式设计过渡到新应用处理器的代价太过高昂以至于无法实现。假设现有的控制器使用CMOS RGB或LVDS flatlink总线连接至LCD显示屏。设计者们想用低成本的DSI显示屏替换LCD显示屏，但这个想法不可行，因为DSI显示屏使用的是不兼容微控制器现有接口的D-PHY总线（见图3）。

图3：嵌入式市场中的许多传统微控制器不提供兼容MIPI标准的接口。

新的桥接选择

    不久以前，嵌入式设计者们还不得不采用成本相对较高的专用ASIC将低成本的DSI显示器应用到他们的设计中。在大多数情况下，ASIC的成本太高，开发周期过长，无法支持这样的设计变动。所以嵌入式设计者们不得不继续使用更加昂贵的显示屏。

    现在，嵌入式设计者们可以使用基于高度可配置、超低密度FPGA的解决方案来构建D-PHY桥接。举个例子，莱迪思半导体开发了一系列参考设计，来帮助OEM厂商充分利用MIPI摄像头、应用处理器和显示屏元件的低成本优势。莱迪思最近推出了适用于MIPI摄像头和显示屏应用的4个参考设计：用于DSI显示屏，驱动DSI接收端的MIPI DSI发送桥接；将应用处理器连接至不是为移动应用设计的显示屏的DSI接收桥接；将应用处理器连接至非CSI-2图像传感器的CSI-2发送桥接；将CSI-2图像传感器连接至嵌入式ISP的CSI-2接收桥接。使用莱迪思的ULD FPGA，嵌入式设计者们可快速开发可编程的桥接解决方案，能够针对不同要求做出相应修改。

基于超低密度FPGA的桥接解决方案

    让我们重新审视一下一个嵌入式微控制器采用CMOS RGB或LVDS flatlink总线来连接LCD显示屏的设计。假设该微控制器拥有CMOS RGB888（24位色彩总线）显示接口，第一步就是确定该如何对DSI显示屏的配置寄存器进行编程。通常情况下，微控制器使用I²C总线进行配置。然而，I²C总线无法对显示屏进行MIPI DSI接口参数的配置。DSI使用低功耗模式下的串行数据通道0来对显示指令集（DCS）进行操作。在这个情况下，FPGA桥接必须将来自于微控制器的I²C指令转换为一连串的DCS指令来配置DSI显示屏。在显示屏配置完成后，FPGA需要进行设置来接收RGB888接口的数据。如果总线上和显示屏显示的分辨率是完全一致的，FPGA就会将并行总线转换成串行DSI总线。如果分辨率不一致，FPGA将会对图像进行缩放。在上述情况中，需要为DSI接口配置输出数据通道。一旦完成上述步骤，FPGA能够输出DSI发送接口来驱动DSI显示器。

    如果嵌入式系统设计者们想要在设计中集成低成本CSI-2图像传感器，但是该设计中的图像信号处理器（ISP）只具备CMOS接口，遇到这种情况该怎么办？之前也提到过，DSI和CSI-2接口间的关键区别在于如何映射图像传感器寄存器的数据。CSI-2使用独立的I²C总线来完成这个任务。通过I²C总线可以将图像传感器的寄存器配置直接发送到ISP，这个区别简化了设计者们的任务。这个方案中，CSI-2图像传感器数据作为桥接用FPGA的输入总线，而FPGA将驱动ISP上的CMOS并行总线（请看图4）。

图4：基于ULD FPGA的CSI-2图像传感器桥接。

    相同的CSI-2桥接解决方案可以用来扩展现有嵌入式系统的功能。从3D立体影音到行车记录仪，越来越多的应用需要多个图像传感器。然而，尽管当今市场上常用的主流ISP只具备一个图像传感器端口，但它们的性能足以支持两个传感器。

    使用下方所述的双传感器桥接（见图5），嵌入式设计者们能够扩展ISP端口配置以支持更多新应用。这个例子描绘了用于行车记录仪的图像传感器桥接：采用两个摄像头，一个对准前挡风玻璃，另一个指向司机。该桥接连接至每个图像传感器的并行CMOS总线，能够在上/下、左/右任一配置下输出两幅合并的720P图像。这个例子使用莱迪思1300 LUT MachXO3 FPGA实现，能够同步和管理两个图像传感器。它输出ISP或应用处理器能够接收的CSI-2格式的数据。

图5：双传感器桥接扩展了现有系统功能。

结束语

    众多应用领域的开发人员都希望在不牺牲可靠性的情况下，穷尽各种技术手段将系统成本压缩到最低，将尺寸和功耗控制到最小。嵌入式系统市场也不例外。与90年代的PC市场十分相似，如今高速增长的MIPI接口智能手机和平板电脑市场为嵌入式设计者们提供了绝佳的机会，只要能够解决兼容性的问题，就能将各种成本更低且经过验证的元件集成到电路板上。使用基于ULD FPGA的新一代可编程桥接解决方案，现在嵌入式设计者们能够克服上述障碍，充分利用MIPI显示屏、图像传感器和应用处理器的优势来降低系统成本，增强可靠性，同时恰到好处地满足嵌入式系统的性能和实时性要求。

关于作者

Ted Marena先生担任莱迪思半导体公司首席技术官办公室业务发展总监。Marena先生自1991年起加入莱迪思，为许多垂直市场定义了平台解决方案，适用于消费电子、小型无线蜂窝网络、CMOS图像传感器、显示屏和汽车等应用。

在加入莱迪思半导体公司之前，Marena先生是Wang Computers公司的一名硬件设计工程师，在此期间他设计了以太网、ISDN、RS232和T1/E1电路板。Marena先生拥有康涅狄格大学（University of Connecticut）的电气工程理学学士学位以及本特利大学麦卡勒姆商学院（Bentley College’s Elkin B. McCallum Graduate School of Business）的市场营销硕士学位