MIPI框架

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MIPI框架概述，CSI-2、DSI协议栈简介

MIPI概述

MIPI简介

  • MIPI联盟（Mobile Industry Processor Interface Alliance，移动产业处理器接口联盟）是2003年由ARM、Nokia、意法半导体（ST）、德州仪器（TI）等公司成立的一个联盟

    • 成员规模超350家，覆盖芯片厂商、终端品牌、汽车制造商、测试机构
    • 99%的智能手机使用至少3项MIPI标准（CSI-2 + DSI + I3C）

  • MIPI协议把移动设备内部的接口如摄像头、显示屏、基带、射频接口等标准化，以减少设计的复杂度、提高设备的性能、同时降低功耗和成本

    • MIPI并非单一接口或协议，而是包含一套协议和标准，以满足各种子系统的要求[1]

MIPI框架

MIPI框架主要包含四个方面的协议

  • 多媒体（Multimedia）：面向功能，每种多媒体协议栈通常又由三个层次构成
    • 应用层（Application Layer）：直接面向用户的顶层协议
    • 协议层（Protocol/Link Layer）：定义数据包结构、流控、错误校验等逻辑传输机制
    • 物理层（Multimedia-PHY Layer）：负责电气信号传输、时钟同步和物理连接
  • 控制与数据（Control & Data）：功能使能层，构成控制网络，实现子系统协同
    • 纵向：提供从控制逻辑到物理层的控制链
    • 横向：串联多媒体、存储、调试等子系统
    • 效能：通过RFFE单线制、I3C多主控等专用优化，降低功耗/面积/延迟
  • 芯片间互联（Chip-to-Chip\IPC, Inter Process Communications）：通过高速、标准化、低延时实现异构芯片（如APU/GPU/Modem）的高效协同，同样分为几个层级
    • 物理层：使用更高速率的M-PHY，或抗干扰更强的A-PHY
    • 协议层：UniPro，流控与错误恢复，类比TCP/IP的可靠性机制
    • 接口抽象层：HCI，统一管理UniPro和M-PHY的软件API，配置链路状态、功耗模式
    • 场景化应用协议：如AP-Modem专用低延迟通道LLI等，绕开协议栈开销
  • 调试与追踪（Debug & Trace），提供全流程覆盖的协议支持，并且不干扰功能
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GNSS：Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统
Codec：Coder-Decoder，编解码器
FM Radio：Frequency Modulation Radio，调频广播
ETPS：Embedded Test and Programming Support
eTrak：实时调试与数据追踪
Cellular：蜂窝
LNA：Low Noise Amplifier，低噪声放大器
Antenna Tuner：天线调谐器

MIPI协议

多媒体

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  • CSI-2 (Camera Serial Interface 2): 高速摄像头串行接口，主流手机/车载摄像头传输协议

  • D-PHY: 差分串行物理层，CSI-2 和 DSI 常用的低成本物理层

    • 最低配置：1对数据线+1对时钟线
    • 使用基于差分信号的NRZ编码

  • C-PHY: C表示Clock-less，较D-PHY有更高带宽效率的物理层，常用于 CSI-2 和 DSI

    • 无需额外布置时钟线，3线制（Triplet）每通道
    • 使用3-phase符号编码，嵌入时钟信息

  • DSI (Display Serial Interface): 高速显示屏串行接口，用于手机/平板等屏幕驱动

  • CSI-3: 新一代摄像头接口，基于MIPI M-PHY或C-PHY，扩展性更强（如车用多摄像头）

  • SLIMbus (Serial Low-power Inter-chip Media Bus): 数字音频数据传输总线

  • SoundWire: 新一代数字音频接口，简化布线，替代SLIMbus

SLIMbus/SoundWire 是完整协议栈（含应用层+协议层+物理层），物理层非D/C-PHY

控制与数据

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  • I3C (Improved Inter-Integrated Circuit): 革命性传感器控制总线/改进型I2C，融合I2C/SPI/UART优点，高速、低功耗、多主控，用于陀螺仪/加速度计传感器控制、电源管理
  • I3C Basic: I3C 的子集，低成本、简化版传感器控制总线
  • RFFE (RF Front-End Control Interface): 射频前端控制接口，制手机天线开关、功率放大器
  • SPMI (System Power Management Interface): 处理器与外设间的电源管理通信协议
  • SSIC (SuperSpeed Inter-Chip): 基于USB 3.0的芯片间高速数据传输协议

I3C 因同时涵盖高效控制与简化调试，横跨 Control & Data 和 Debug & Trace 领域

芯片间互联

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  • M-PHY: 高速、可扩展物理层，用于芯片间或板间互连（如UFS存储接口）
  • UniPro (Unified Protocol): 基于M-PHY的应用层协议，构建通用芯片互连（如UFS）
  • LLI (Low Latency Interface): 应用处理器与调制解调器间超低延迟通信接口
  • HCI (HYBRID Command Interface): 管理 UniPro 和 M-PHY 栈的通用接口
  • DigRF: （已被后续协议替代）早期基带与射频芯片间数字接口
  • A-PHY (Automotive SerDes PHY): 长距离、高抗扰车规级高速物理层（用于车载摄像头/显示屏互连）

控制与调试

  • SDBI (Serial Debug Bus Interface): 基于I3C的低引脚数调试接口
  • STP (System Trace Protocol): 跨多核系统的软件跟踪协议
  • TWP (Trace Wrapper Protocol): 封装不同跟踪源数据的协议
  • MTB (MIPI Trace Buffer): 低成本片上跟踪缓冲区规范
  • PTI (Parallel Trace Interface): 替代传统并行调试接口的标准
  • BIST (Built-In Self Test): 集成自测试框架（如CSI-2 TX/RX测试）
  • SYS-T (System Trace): 定义时间戳和系统事件格式的框架
  • NIDnT (Non-Intrusive Debug and Trace): 用于I3C的非侵入式调试规范

MIPI CSI-2

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协议概述[2]

  • CSI协议旨在为高清摄像头和应用处理器之间提供一个高速的串行接口

  • 目前常见的摄像头接口协议有CSI-2、USB3.0、DVP，相比DVP接口和USB3.0接口，CSI-2接口在图像数据的传输性能上拥有明显的优势
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    • 串行传输

      • 使用的数据线相对较少，并且CSI-2一般采用双线差分传输 （D-PHY）
      • 噪声同时加载到并行传输的两条差分线可以相互抵消，具有更强的抗干扰能力

    • 校验编码

      • ECC能够监测2bit以内的数据出错和纠正1bit的数据出错
      • CRC能够监测多bit的数据出错，使CSI-2接口对数据传输具备更高容错

    • 功耗与传输速率

      • CSI-2接口支持高速(HS)与低功耗(LP)两种模式协同工作

      • 高速模式下使用 0.2V 低压差分电压，用于传输图像数据，其传输速度范围在

        80Mbps 至 1000Mbps

      • 低功耗模式下使用 12V 差分电压，用于传输控制命令，最高传输速度为 10Mbps

      • 接口在正常工作时，会在一次高速模式传输后插入低功耗模式，两种模式相互切换使得 CSI-2接口同时兼顾了低功耗需求

总体框架

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  • 应用层：面向用户，可在应用层中实现对原始图像数据进行高级编码以及处理各种算法
  • 协议层：由以下层级构成
    • 像素与字节的组包层：在发送端中，组包层负责将来自应用层的图片像素信息打包成为字节，然后输送至低级协议层中
    • 解包层：在接收端中，解包层将来自低级协议层中的字节解压并还原，然后将数据流传输至接收端应用层
    • 低级协议层：对起始指令SoT和终止指令SoT之间串行数据建立bit级和byte级同步，并将数据传输至下一层，包含对大小端的控制
    • 通道管理层：数据通道的数量可以根据带宽需求进行选择，在发送端，接口将字节分发到一个或多个通道；在接收端，接口从通道中收集字节并将其合并重组，恢复出原始的数据流
  • 物理层：规范了传输媒介，电气特性，I/O电路以及bit级和byte级的同步机制，支持High-Speed模式和Low-Power模式，所有功能最终映射为：
    • 模拟电路：差分放大器、压控振荡器VCO、比较器
    • 数字电路：移位寄存器、状态机、FIFO
    • 无源器件：终端电阻、电容（AC耦合）

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数据包格式

  • 用于CSI-2中D-PHY物理层的数据包可以分为长数据包和短数据包

长数据包

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  • 长数据包格式如上图所示，由三个部分组成
    • 32bit数据包头（PH），并由以下部分构成
      • 8bit数据标识符号（DI, Data Identifier）：由bit7-6的虚拟通道和bit5-0的数据类型构成
      • 16bit字计数值（WC, Word Count）：统计长数据包的字节数，在有需要的情况表示第几帧或是第几行
      • 8bit VCX+ECC校验位：由bit7-6的虚拟通道扩展位和bit5-0的ECC校验位构成
    • 有效载荷：具有可变字节数量的专用数据
    • 16bit数据包页脚（PF）：即16bit CRC校验位

短数据包

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  • 短数据包结构如上图所示，与长数据包结构相似，不同之处在于
    • 短数据包只包含有一个数据包头，数据包填充字段和数据包尾均不存在

CCI接口

多速率模式

  • CCI，即摄像头控制接口，用于配置发送端口，使用两线接口（时钟线 SCL 和数据线 SDA），并具有半双工，串行的特点，兼容I2C协议，支持多速率模式
    • 传统I2C兼容模式（FM, Fast Mode）：400 Kbps
      • 开漏输出：只能依赖NMOS主动拉低电平，依赖外部上拉电阻Rp
      • 数据采样点位于SCL高电平中点
    • 增强I2C模式（FM+, Fast Mode）：1 Mbps
      • 推挽输出（Push-Pull Output）：由PMOS上拉管 + NMOS下拉管组成互补输出级（Totem Pole，图腾柱），不再依赖Rp
      • 上升速度更快（PMOS导通决定），抗干扰更强（主动驱动低阻），但功耗更高（开关瞬态功耗）
    • 单数据模式（SDR，I3C专用）12.5 Mbps
      • 单边沿触发器：SCL上升沿锁存SDA数据
    • 双数据模式（DDR，I3C专用）25 Mbps
      • 双边沿触发器：SCL上升沿/下降沿各锁存1 bit

数据结构

  • CCI数据传输协议遵循I2C规范，其读写结构如下图所示

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CSI-2接口模型

  • CSI-2规范定义了发送端和接收端的协议和控制接口CCI，可选择D-PHY或C-PHY物理层作为高速串行数据的传输接口选项
  • C-PHY和D-PHY在物理连接上存在多处不同，主从机必须使用同一种物理层
    • C-PHY具备更高的传输速率，但只支持CSI-2
    • D-PHY同时支持CSI-2和DSI，具备更高兼容性

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一般情况下，对低于五百万像素的摄像头只需使用两对差分数据线，即两条数据通道

MIPI DSI

  • DSI协议栈从框架上来看和CSI类似，并且能够实现摄像头-处理器-屏幕的功能组合
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协议概述[3]

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  • DSI 定义了主机处理器与显示外设之间传输图像和指令的接口协议
  • 它采用了MIPI 联盟已有的 DPI-2、DBI-2 定义的像素格式，和 DCS 定义的命令集标准
  • DPI-2 (Display Pixel Interface 2)
    • 显示控制器（Source）到显示面板（Sink）的并行像素流格式协议
    • 用于直连型显示驱动，无需帧缓存，如MCU直接驱动LCD屏
  • DBI-2 (Display Bus Interface 2)
    • 基于显示缓存的命令/数据总线协议，具备两种操作模式
      • Command Mode：发送配置命令，如初始化序列
      • Video Mode：写入帧缓存数据，像素刷新
    • 面板内置帧存，如手机AMOLED屏
  • DCS (Display Command Set)
    • 显示面板的初始化与控制指令集协议，适用于DBI-2/DSI接口
    • 统一不同面板厂商的驱动代码

框架模型

  • DSI的框架与CSI类似，同样分为了应用层、协议层和物理层

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DCS命令集简介

  • DCS是用于实现DSI和DBI-2协议的命令集
    • 主机处理器通过向显示模块发送命令，可以写入图像数据、配置显示模块工作状态或读取显示状态和数据
    • 在显示端，显示控制器接收并解析命令，根据命令执行相应的操作
  • DCS命令按照类型可以分短命令和长命令，前者不包含或只包含一个参数，后者包含多个参数
  • 按照功能可分为制造商命令集和用户命令集
    • 制造商命令集是一种设备相关的协议，用于为出厂设备写入默认参数，设备配置完成出厂后，该命令集应被禁止，显示设备不再响应此命令集的命令
    • 用户命令集是一种设备无关的协议，用于操作系统的硬件抽象层，下图位常用DCS用户命令集

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  1. MIPI Specs ↩︎

  2. 陈锐弦.基于FPGA和MIPI CSI-2的双摄像头图像采集系统设计[D].西安电子科技大学,2021. ↩︎

  3. 张豪.基于FPGA的MIPI-DSI发送接口设计与实现[D].华中科技大学,2019. ↩︎