Granite River Labs 蓝婉甄Nicole Lan
MIPI CSI-2 最初与2005年推出，为行动装置所使用的标准化相机介面规格，全名为 MIPI Camera Serial Interface 2。MIPI CSI-2 提供高频宽，低功耗与低电磁干扰的功能，因其易用性且支持高性能应用，包含 1080p、4K、8K 或更高的视频以及高解析度摄影，现已成为应用最广泛的嵌入摄像头和成像介面。MIPI CSI-2 的层级架构
MIPI CSI-2 定义了传输端和接收端之间的数据穿输和控制介面，主要可以分为三个层级，如图（1）所示：- 物理层 （PHY Layer）：定义传输媒介，电器特性及时钟机制等，包含两种高速串列数据传输介面，分别为 D-PHY 及 C-PHY。
- 协议曾 （Protocol Layer）：主机处理器上的单个介面可以启用多个数据串流，定义如何标记和交错多个串流，以更接收端正确重建资料。
- 应用层（Application Layer）：定义数据串流更高级别的编码与分析。
图(1) CSI-2 层定义表
(来源：MIPI Alliance Specification for Camera Serial Interface 2, Version 4.0)
本篇文章将着重于 MIPI CSI-2 协议层的介绍，协议层又可分为三个子层级，由下往上依序分别为：- 通道分配（Lane Management）：CSI-2 可支持通道扩展以提高性能，传输段依据频宽需求将数据串分配到一个或多个通道，接收端合并资料并恢复原始序列。
- 底层协议（Low Level Protocol）：将传输起始至结束之间和数据串流组合成不同形式的封包，此部分会与文章后面进行着重说明。
- 像素/字节打包/解包（Pixel/BytePacking/Unpacking）：CSI-2 支持不同像素格式的图像应用，传输端将来自应用层的像素打包成字节流，接收端接受来自底层协议的字节流后解包为像素。
底层协议 Low Level Protocol
以下将会针对协议层当中的底层协议来进行详细的说明。底层协议全名为 Low Level Protocol，简称为 LLP，定义两种封包结构，分别为长封包与短封包。其中长封包用作影响数据传输，短封包则是用作数据辅助描述。如图（2）所示，每个封包的传输起始（Start of Transmission，SoT）都是从低功率状态（Low Power State，LPS）退出，而每个封包的传输结束（End of Transmission，EoT）更会回到低功率状态。
图(2) 底层协定封包概述
(来源：MIPI Alliance Specification for Camera Serial Interface 2, Version 4.0)
D-PHY / C-PHY 长短封包结构
接下来将分别介绍长短封包与实体层 D-PHY 及 C-PHY 中的结构。D-PHY 长封包由三个部分所组成：包头（Packet Header, PH），封包数据（Packet Data）以及包尾（Packet Footer，PF）。包头包含四个子项目，请参考图（3）:- 8-bit Data ID：由 2-bit VC （Virtual Channel）及 6-bit DT （Data Type）所组成，其中 VC 为 Virtual Channel ID 的最低有效位。
- 16-bit Word Count：定义包头和包尾间的资料个数，即为资料长度。
- 2-bit VCX （Virtual Channel Extension）：为 Virtual Channel ID 的最高有效位。
- 6-bit ECC （Error Correction Code）：纠错码。
图(3) D-PHY物理层选择，长封包结构 （D-PHY Physical Layer Option）
(来源：MIPI Alliance Specification for Camera Serial Interface 2, Version 4.0)
C-PHY 长封包由四个部分所组成：包头（Packet Header，PH）、封包数据（Packet Data）、包尾（Packet Footer，PF）以及填充内容（Filler）。包头包含五个子项目，且相同结构会重复两次，请参考图（4）:- 5-bit RES （Reserved Field）：保留栏位。
- 3-bit VCX （Virtual Channel Extension）：为 Virtual Channel ID 的最高有效位。
- 8-bit Data ID：由 2-bit VC （Virtual Channel）及 6-bit DT（Data Type）所组成，其中 VC 为 Virtual Channel ID 的最低有效位。
- 16-bit Word Count：定义包头和包尾间的资料个数，即为资料长度。
- 16-bit PH Checksum：包头核对和。
图(4) C-PHY物理层选择，长封包结构 （C-PHY Physical Layer Option）
(来源：MIPI Alliance Specification for Camera Serial Interface 2, Version 4.0)
D-PHY 与 C-PHY 的短封包只有包含长封包的标头，Word Count 字段由短封包数据代替，位资料栏位（Data Field)，会依据不同的 Data Type 定义相对应的内容。请参考图（5）及图（6）：
图(5) D-PHY物理层选择，短封包结构 （D-PHY Physical Layer Option）
(来源：MIPI Alliance Specification for Camera Serial Interface 2, Version 4.0)
图(6) C-PHY物理层选择，短封包结构 （C-PHY Physical Layer Option）
(来源：MIPI Alliance Specification for Camera Serial Interface 2, Version 4.0)
虚拟通道标识 / 数据类型 （Virtual Channel ID / Data Type）
最后将针对前面所提及的 Virtual Channel ID 与 Data Type 进行介绍。Virtual Channel ID 的功能为在交错的数据串流中提供单独的逻辑通道，接收端从传入的数据包头中提取虚拟通道标识，并将交错的影像数据串流解复用至其适当的通道。其中，D-PHY 最多可支持 16 条虚拟通道，有效的通道标识为 0-15；C-PHY 最多可支持 32 条虚拟通道，有效的通道标识为 0-31。请参考图（7）：
图(7) 逻辑通道框图（接收端）
(来源：MIPI Alliance Specification for Camera Serial Interface 2, Version 4.0)
Data Type 定义资料的格式和内容，最多支持 64 种数据类型，范围从0x00-0x3F。其中，0x00-0x0F定义短封包类型，0x10-0x3F 则定义长封包类型，请参考表(1)：
表（1）数据类型
MIPI CSI-2将在多领域中扩张摄像设备的范围
MIPI CSI-2可实施于任何单摄像头或多摄像头设备，除了传统的行动装置之外，还可应用于虚拟实境、无人机、物联网、医疗、工业系统、汽车等设备，极大化扩展其运用范围。
参考文献
MIPI Alliance Specification for Camera Serial Interface 2 (CSI-2), Version 4.0, 26 September, 2021
作者
GRL 资深测试工程师蓝婉甄 Nicole Lan
拥有五年DP测试经验，擅长 DP，HDR，MIPI 等介面测试。GRL 技术文章作者及讲师。