M31谈MIPI物理层的规格与发展
摘要
mipi 是mobile industry processor interface（行动产业处理器界面）的简称。本文将介绍mipi体系结构中之物理层规格，并分别说明d-phy和c-phy的特性与优点。接着分享mipi在车用电子之发展与挑战中的观点与m31所能提供的专业mipi技术服务。
mipi与物理层ip结构图
mipi协会为一开放的会员制组织，2003年7月，由德州仪器（ti）、意法半导体（st）、安谋（arm）和诺基亚（nokia），四家公司共同成立。十余年间，此规格蓬勃发展，大量应用在手机、穿戴式产品等行动装置，其中包含显示、镜头、储存、桥接等讯号收发，都采用mipi协会所制定的各项标准。时至今日，mipi也陆续导入人工智能和车用电子等应用，与人类生活中所使用到的各项电子产品紧密结合。
在mipi体系结构中，包含应用层（application layer）、协议层（protocol layer）和物理层（phy layer）。其中，物理层负责处理讯号在实体信道传输。m31物理层ip框架图中（图一），主要包含pcs（physical coding sub layer，物理编码子层）和pma（physical medium attachment，物理媒体衔接层）两个部分。pcs是利用ppi（phy protocol interface，实体协议接口）与mipi控制器做沟通，实现数据传输，以及各种模式切换; pma则是包含了对外传输所需要的模拟电路，包含频率产生器，发射机，以及接收机等等。m31在ppi的部分维持标准化设计，提高与各大mipi厂家的控制器兼容度；另一方面，我们并同时预留了一些特化的边带控制讯号，来满足客户对于多样化的应用需求。
随着讯号数据量越来越大，除了提升操作速度外，mipi协会更提出了一系列的物理层，包含m-phy、d-phy和c-phy。下面的段落中，将针对d-phy和c-phy的特性与优点做进一步的介绍。
图一 m31 mipi物理层框架图 d-phy特性与优点
d-phy的架构包括一条频率通道（clock lane），以及一条或多条数据信道（data lane），其中频率信道皆为单向信道，而数据信道可为单向或双向通道。物理层主要分为hs（high speed）、lp（low power）和alp（alternate low-power）三种工作模式。hs模式为低电压之差分讯号，依目前最新的d-phy v3.0，最高的传输速率为11gbps；lp模式则为单端讯号，应用为低速传输（<10mbps），相对地，耗电也非常低；alp模式则是透过hs电路模块进行低速传输，缩短系统在hs和lp切换过程之等待时间。透过各种模式的搭配可优化d-phy功耗，而藉由频率通道，从发射端传送高速ddr（double data rate）讯号至接收端，可使接收端之cdr（clock and data recovery，频率数据回复）电路设计更为简易。
在数据信道的双向功能方面，能应用于逃逸模式（escape mode）以及状态和显示模块信息的传输。双向传输分为两种方式，分别为基于lp模式之control mode lane turnaround和alp模式之fast lane turnaround，前者为传统实现方式，后者则为d-phy v2.5之后提出的新方式。fast lane turnaround具备即便在单向和双向传输间切换，也不耗费进出lp模式所需之等待时间，虽需在发射机与接收机加入高速收发电路，但对于整体数据产出（data throughput）的提升是十分可观的。m31 ip针对上述两种双向传输方式皆能支持，并同步优化电路布局面积。
图二 d-phy 信道模块系统图
c-phy特性与优点
因应讯号数据量日益遽增，c-phy应运而生，其架构为a/b/c三信道系统，频率嵌入数据讯号中，没有频率通道，此目的为增加带宽，并对数据进行编码。首先，将16 bits的讯号转换为7个符号（symbol），每个符号都藉由三条通道传输，并使用6个线状态（wire states）达成5个线状态转换（wire states transitions），如c-phy规格书中撷取之图三所示。每3 bits的讯号会决定下个线状态转换，其中flip代表讯号正负改变而线状态不变，rotation代表线状态为顺时针或逆时针变化，polarity代表线状态的正负极性变化。
图三 c-phy 线状态转换示意图
图四 c-phy hs讯号波型图
物理层同样分为三种工作模式。hs模式为低电压之三相符号编码讯号，并透过两两相减，得到传统的差分讯号（图四），编码增益则为2.28（16/7）。依目前最新的c-phy v2.1，最高的传输速率为8gsps；lp和alp模式则与d-phy相似。双向传输同样可支持control mode lane turnaround和fast lane turnaround两种方式。c-phy省去了频率通道，改善d-phy存在的emi（electromagnetic interference，电磁干扰），更进一步地降低所需之功耗，并藉由编码增益，在节省脚位数（pin count）的情况下，达到讯号传输量(图五)。
图五 c-phy/d-phy pin count
mipi在车用电子的发展与挑战
近年车用电子应用需求显著提升，相对于消费性电子的差异在于，对于抗高温和故障率等可靠度和安全标准都有严格要求，因此，在开发车用ip必须考虑aec-q100和iso26262等验证规范，并通过相关功能认证。此外，mipi也极度广泛应用于车载，包含显示端应用如导航、中控台、仪表板以及娱乐系统等；镜头端的应用如环景侦测、驾驶状态监测、adas等。
目前，m31在mipi m-phy 、mipi d-phy transceiver ip及设计流程皆已获得iso26262认证，将能提供asil-b规格的高质量ip。
m31专业mipi技术服务
m31已于mipi领域耕耘十年时间，拥有专业的技术团队，提供技术节点55nm至5nm，团队不只专注于ip开发，也同时具备完整的技术支持服务，在与显示技术、智能影像侦测等多媒体芯片设计公司，乃至车用电子芯片设计公司皆有丰富的合作经验，并已建构完整的量测设备，从讯号质量分析、电气特性量测到系统兼容性测试，皆与客户保持密切合作。累积至今，m31在mipi领域已针对不同需求有完整的布局，更能从产品应用上提出芯片设计优化方案，进一步提高客户产品竞争力。
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随着讯号数据量越来越大，除了提升操作速度外，mipi协会更提出了一系列的物理层，包含m-phy、d-phy和c-phy。下面的段落中，将针对d-phy和c-phy的特性与优点做进一步的介绍。
图一 m31 mipi物理层框架图 d-phy特性与优点
d-phy的架构包括一条频率通道（clock lane），以及一条或多条数据信道（data lane），其中频率信道皆为单向信道，而数据信道可为单向或双向通道。物理层主要分为hs（high speed）、lp（low power）和alp（alternate low-power）三种工作模式。hs模式为低电压之差分讯号，依目前最新的d-phy v3.0，最高的传输速率为11gbps；lp模式则为单端讯号，应用为低速传输（<10mbps），相对地，耗电也非常低；alp模式则是透过hs电路模块进行低速传输，缩短系统在hs和lp切换过程之等待时间。透过各种模式的搭配可优化d-phy功耗，而藉由频率通道，从发射端传送高速ddr（double data rate）讯号至接收端，可使接收端之cdr（clock and data recovery，频率数据回复）电路设计更为简易。
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图二 d-phy 信道模块系统图
c-phy特性与优点
因应讯号数据量日益遽增，c-phy应运而生，其架构为a/b/c三信道系统，频率嵌入数据讯号中，没有频率通道，此目的为增加带宽，并对数据进行编码。首先，将16 bits的讯号转换为7个符号（symbol），每个符号都藉由三条通道传输，并使用6个线状态（wire states）达成5个线状态转换（wire states transitions），如c-phy规格书中撷取之图三所示。每3 bits的讯号会决定下个线状态转换，其中flip代表讯号正负改变而线状态不变，rotation代表线状态为顺时针或逆时针变化，polarity代表线状态的正负极性变化。
图三 c-phy 线状态转换示意图
图四 c-phy hs讯号波型图
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