【導(dǎo)讀】GMSL技術(shù)通過像素模式和隧道模式實現(xiàn)高效視頻傳輸，兩者的核心差異在于數(shù)據(jù)封裝方式。像素模式直接傳輸原始圖像數(shù)據(jù)，適用于低延時場景；隧道模式采用協(xié)議封裝，支持多傳感器數(shù)據(jù)融合。優(yōu)化系統(tǒng)性能需根據(jù)帶寬需求選擇模式，同時注意時鐘同步和EMC干擾抑制。
摘要
GMSL技術(shù)通過像素模式和隧道模式實現(xiàn)高效視頻傳輸，兩者的核心差異在于數(shù)據(jù)封裝方式。像素模式直接傳輸原始圖像數(shù)據(jù)，適用于低延時場景；隧道模式采用協(xié)議封裝，支持多傳感器數(shù)據(jù)融合。優(yōu)化系統(tǒng)性能需根據(jù)帶寬需求選擇模式，同時注意時鐘同步和EMC干擾抑制。
GMSL概覽
千兆多媒體串行鏈路(GMSL)是ADI公司專有的SERDES技術(shù)，旨在通過單根同軸電纜或兩根屏蔽雙絞線(STP)電纜實現(xiàn)遠(yuǎn)距離高速視頻數(shù)據(jù)傳輸。GMSL最初是為汽車應(yīng)用開發(fā)的，抗電磁干擾(EMI)能力強(qiáng)，并支持使用更輕的線束。但現(xiàn)在，它也被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等眾多其他領(lǐng)域。
目前有三代GMSL可用：即GMSL1、GMSL2和GMSL3。深入詳細(xì)地探討這三者之間的差異不屬于本文的討論范圍。不過，為了更好地理解本文的內(nèi)容，我們重點說明其中一些細(xì)節(jié)：
● 本文介紹的技術(shù)細(xì)節(jié)和特性不適用于GMSL1代。
● 雖然完整的GMSL產(chǎn)品組合支持多種類型視頻接口（并行、攝像頭串行接口2 (CSI-2?)、HDMI?、oLDI等）之間的視頻數(shù)據(jù)傳輸，但本文闡述的內(nèi)容僅適用于支持CSI-2的GMSL器件。
圖1為支持GMSL的基本網(wǎng)絡(luò)的示例。SERDES位于視頻源和視頻接收設(shè)備之間，這樣就能在兩者之間實現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離，而且還能減少所需的電纜數(shù)量。
圖1.支持GMSL的點對點連接。
視頻源可以是傳感器或處理器，而視頻接收設(shè)備可以是顯示器或其他處理器。
橋接視頻接口：CSI-2
CSI-2是移動行業(yè)處理器接口(MIPI)聯(lián)盟制定的一種高速視頻接口標(biāo)準(zhǔn)。它可用于汽車、手機(jī)、無人機(jī)、機(jī)器人等眾多領(lǐng)域。通常，CSI-2視頻源是各種傳感器，例如成像器、雷達(dá)、LIDAR等，而視頻接收設(shè)備是處理器、片上系統(tǒng)(SoC)、微控制器等。
CSI-2是一種協(xié)議規(guī)范，它定義了圖像數(shù)據(jù)如何格式化、接收和發(fā)送，并使用D-PHY?或C-PHY?作為硬件層。這兩種硬件層是MIPI聯(lián)盟定義的不同物理層接口，描述了高速數(shù)據(jù)傳輸所需的電氣特性、信號完整性和時序特性。
簡而言之：
? 相較于D-PHY，C-PHY可以支持更高帶寬的應(yīng)用。每種PHY使用不同的數(shù)據(jù)和時鐘通道拓?fù)洌虼藢Σ季值目剂恳膊煌?/p>
? CSI-2數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)由三個主要部分組成：包頭、有效載荷和尾部。C-PHY和D-PHY都遵循這種結(jié)構(gòu)，只是略有不同。
? 包頭包含有關(guān)有效載荷內(nèi)容的安全信息，其作用是讓接收器知道準(zhǔn)備接收什么類型的數(shù)據(jù)。
? 有效載荷包含需要傳輸?shù)闹饕畔ⅰ?/p>
? 尾部通過CRC校驗和來保護(hù)有效載荷信息。
SERDES視頻數(shù)據(jù)傳輸
在GMSL系統(tǒng)中，CSI-2數(shù)據(jù)包由串行器接收，將其編碼為GMSL數(shù)據(jù)包格式，再通過電纜傳送到配對的解串器，由解串器將視頻解包，并將CSI-2信息發(fā)送到本地處理器。
隨著GMSL CSI-2器件的演進(jìn)，出現(xiàn)了兩種不同的視頻數(shù)據(jù)傳輸模式。雖然兩種模式都能確保視頻內(nèi)容通過GMSL鏈路安全可靠地傳輸，但其各自的特點也應(yīng)予以考慮。兩種傳輸模式分別是像素模式和隧道模式。
像素模式是傳統(tǒng)的傳輸模式，它是在第一批GMSL2產(chǎn)品中引入的。如圖2所示，在此模式下，傳入的CSI-2數(shù)據(jù)包包頭和尾部被移除，數(shù)據(jù)有效載荷轉(zhuǎn)換為像素格式，以便通過GMSL鏈路發(fā)送。CSI-2格式與像素格式之間的轉(zhuǎn)換在串行器中完成，而在鏈路的另一端，解串器會重建CSI-2結(jié)構(gòu)，并將新的包頭和尾部添加到結(jié)構(gòu)中。
圖2.像素模式傳輸（簡化版）。
隧道模式則是將整個CSI-2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重新打包，如圖3所示。因此，隧道模式有時被稱為CSI-2轉(zhuǎn)發(fā)，它不支持任何基于像素的處理。
圖3.隧道模式傳輸（簡化版）。
不同的GMSL器件可能支持一種或兩種傳輸模式，詳細(xì)信息請參閱相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊。
為使GMSL鏈路成功運(yùn)行，系統(tǒng)必須支持串行器和解串器，并統(tǒng)一配置為像素模式或隧道模式。如果串行器和解串器之間的模式不匹配，將無法傳輸視頻數(shù)據(jù)。GMSL器件支持的其他外設(shè)接口或協(xié)議（例如I2C、UART、GPIO等）不會受到影響。
像素模式與隧道模式逐項特性比較
在實施基于GMSL的系統(tǒng)時，系統(tǒng)設(shè)計人員需要根據(jù)采用的是像素模式還是隧道模式關(guān)注幾項特性。本節(jié)將重點介紹其中一些特性。
所有這些特性都與CSI-2數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)本身，以及CSI-2包頭和尾部中可找到的信息類型密切相關(guān)。
數(shù)據(jù)完整性
GMSL通信受其自身的校驗和算法保護(hù)。除了該算法之外，CSI-2協(xié)議還會計算數(shù)據(jù)有效載荷字節(jié)的16位CRC，并將此信息存儲在數(shù)據(jù)包尾部中。該校驗和中不包括包頭信息。
圖4.像素模式下的視頻數(shù)據(jù)完整性。
在隧道模式下，來自傳感器的原始CRC會通過鏈路一直發(fā)送到處理器，使得數(shù)據(jù)完整性進(jìn)一步增強(qiáng)。如圖5所示，在串行器和解串器之間仍然存在GMSL CRC，使得冗余度更高。
此外，在隧道模式下，解串器還支持內(nèi)聯(lián)CRC校驗，因而能夠驗證并選擇性地糾正CSI-2標(biāo)頭或有效載荷CRC。檢測到的校驗和不匹配情況時，可使用錯誤報告功能進(jìn)行報告。這樣，系統(tǒng)可以在SoC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，更快地發(fā)現(xiàn)錯誤。
圖5.隧道模式下的視頻數(shù)據(jù)完整性。
在像素模式和隧道模式下，均可使用內(nèi)部前向糾錯(FEC)功能進(jìn)一步提升串行器和解串器之間的數(shù)據(jù)完整性。
聚合
在GMSL中，聚合是指將多個視頻流合并為單個輸出的功能，通過這種方式可以更優(yōu)化地利用視頻接收設(shè)備的輸入引腳。1圖6顯示了使用兩個單輸入MAX96717 串行器和一個雙輸入MAX96716A 解串器實現(xiàn)聚合的示例。
圖6.使用匹配傳輸模式實現(xiàn)兩個視頻源之間的聚合。
每個GMSL端口的傳輸模式都是單獨(dú)配置的。在圖6中，串行器和解串器的輸入端口都必須配置為以像素模式或隧道模式運(yùn)行。只有采用同一傳輸模式的視頻流之間才能進(jìn)行聚合。
混合使用情況（即一個鏈路以像素模式運(yùn)行，另一個鏈路以隧道模式運(yùn)行）不支持聚合。在這種情況下，視頻流必須使用不同的解串器輸出端口，如圖7所示。
圖7.像素/隧道混合模式用例。
MIPI物理層
MIPI轉(zhuǎn)換
此外，將來自兩個或更多傳感器的多個視頻流合并到單個MIPI端口時，可能會出現(xiàn)另一個問題：組合視頻數(shù)據(jù)可能會超過D-PHY的10 Gbps限制。為了突破這一瓶頸，并避免對架構(gòu)設(shè)計施加太多限制，通過視頻鏈進(jìn)行D-PHY至C-PHY的轉(zhuǎn)換是理想方案。
在像素模式下，從視頻源到接收設(shè)備的傳輸過程中，只有CSI-2數(shù)據(jù)有效載荷保持不變，并且對于兩種物理層，其結(jié)構(gòu)相同。這意味著，使用GMSL技術(shù)，在像素模式下，接收設(shè)備和視頻源無需考慮對方使用何種類型的PHY。由于PHY數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)僅標(biāo)頭和尾部有所不同，因此可以將傳入的D-PHY結(jié)構(gòu)解構(gòu)，然后由解串器重新組裝為C-PHY，有效載荷信息不會受到影響。
隧道模式本身不具備此功能；因此，該模式不支持D-PHY至C-PHY的轉(zhuǎn)換。
但也有例外，例如MAX96724/MAX96724F/MAX96724R 四輸入CSI-2解串器系列，其支持多達(dá)四個CSI-2端口，物理層可以使用D-PHY或C-PHY配置。該系列可以配置為以像素模式或隧道模式工作。MAX96724系列可以在隧道模式下執(zhí)行D-PHY至C-PHY的轉(zhuǎn)換，而不影響數(shù)據(jù)完整性。
虛擬通道管理
虛擬通道是分配給CSI-2數(shù)據(jù)包的標(biāo)簽，用于識別每個數(shù)據(jù)有效載荷。在使用聚合的應(yīng)用中，標(biāo)簽會變得更加重要，因為接收端需要對多個傳入流進(jìn)行解復(fù)用并將其相互區(qū)分。此類標(biāo)簽位于CSI-2數(shù)據(jù)包的包頭段內(nèi)。
因此，在像素模式下，可以對GMSL器件進(jìn)行自定義虛擬通道重新分配。另一方面，并非支持隧道模式的器件都具備這種靈活性。在這種情況下，每個視頻源都需要設(shè)置唯一的虛擬通道。
原理圖和布局布線影響
像素模式和隧道模式在協(xié)議層面上存在差異，但未必需要對應(yīng)用的原理圖進(jìn)行任何實質(zhì)性修改。
GMSL器件可以設(shè)置為上電時默認(rèn)進(jìn)入像素模式或隧道模式。此默認(rèn)設(shè)置可通過CFG[#]引腳上的預(yù)定義電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，詳見具體器件的數(shù)據(jù)手冊。根據(jù)上電默認(rèn)配置為像素模式還是隧道模式，這些電阻會有所不同。
無論上電默認(rèn)配置如何，從一種模式到另一種模式的轉(zhuǎn)換也可以通過寄存器寫入來實現(xiàn)。
而模式的切換對布局方面沒有影響。像素模式和隧道模式將在相同的布局和PCB堆疊上運(yùn)行。
結(jié)語
了解GMSL技術(shù)的兩種模式之間的差異，對于設(shè)計穩(wěn)健的高性能系統(tǒng)至關(guān)重要。表1對像素模式和隧道模式支持的一些特性進(jìn)行了比較。簡而言之，像素模式可提供更大的系統(tǒng)靈活性，而隧道模式以損失部分系統(tǒng)靈活性為代價，提升了數(shù)據(jù)完整性。
表1.像素模式和隧道模式支持的特性
參考文獻(xiàn)
作者：Flavius Luntra?u，高級工程師
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