MIPI CSI-2简介

概述

本文简单介绍MIPI CSI-2协议,根据MIPI联盟的官方文档MIPI Alliance Specification for Camera Serial Interface 2 (CSI-2),描述其协议层次和应用场景。

CSI (Camera Serial Interface) 是MIPI定义的规范,用于连接摄像头和CPU,传输摄像头的视频信号,最新的规范是2012发布的CSI-3,使用的物理层为M-PHY。而这里要介绍的CSI-2规范在2005发布、使用D-PHY作为物理层。DSI(Display Serial Interface)同样基于D-PHY,不同的是,它主要用于host将图像传输给显示设备。

在手机的应用中,一般的SoC至少会有两个CSI Receiver控制器,分别用于连接前置和后置摄像头。

下图为CSI-2的物理连接:

Fig1.CSI-2 CCI connection

从图中可以看到,CSI-2接口包含两种连接: CSI和CCI。

CCI (Camera Control Interface) 为双向连接,兼容I2C协议。该接口主要用来访问camera中的寄存器,以便对其进行配置和控制。通常使用host的I2C host控制器,而camera则作为I2C slave device。不同的厂家的camera寄存器布局和字段定义是不同的。

CSI接口为单向传输,包括一个clock lane和一到四个的data lane组成,传输图像数据。采用D-PHY物理层协议。

像USB、Ethernet一样,复杂的协议一般都会分层,方便将复杂的功能拆解,逐个实现和验证。下图为CSI-2的协议栈:

Fig2.CSI-2 Layers

从上到下,分别是:

  • 应用层
  • CSI协议:
    • pixel/byte转换层
    • Low Level Protocol层
    • Lane Management层
  • 物理层

下面分别进行介绍。

D-PHY物理层

物理层定义了CSI传输介质的电气特性、帧格式以及时钟等。如下图所示:

Fig3.D-PHY

CSI中有clock lane和data lane,每个lane包括两个引脚,传输串行差分信号。clock lane传输时钟信号,接收端根据时钟对data lane的引脚进行采样获取数据。

D-PHY有两种工作状态:低功耗(LP)和高性能(HS)。LP模式下处于单端模式,传输的信号是单端信号,通常用来维持连接;HS模式下则传输的是差分数据信号。

在data lane上进行数据传输时,一开始发送SoT(start of transmission)信号,然后发送数据payload,最后以EoT(end of transmission)结束,这样为一个完整的物理层上的数据包。接收端通过SoT和EoT识别数据包并获取payload,然后交给上层解析。

对物理层的访问和控制,是通过PPI(PHY Protocol Interface)进行的。

关于D-PHY规范,由MIPI的规范文档MIPI_D-PHY_Specification说明。

CSI协议层

在物理层之上,即是CSI协议层,由三层构成,每一层有着明确的功能。

Pixel/Byte Packing/Unpacking Layer

这一层中,发送端接收来自应用层的像素数据,并打包成字节格式发送到下一层;在接收端,解包来自LLP层的数据并传输到应用层。

该层的主要目的是将不同像素格式(例如YUYV, RGBA等)都转换成为8bit字节格式,消除不同图像格式差异,减少传输的复杂度。例如,对于RGB888格式,一个pixel为24 bit,将转换为三个字节;RGB565格式,一个pixel为16 bit,转换为两个字节。而对于RGB444,大小为12 bit,需要通过padding变成RGB565格式,为两个字节,如下图所示:

Fig4.RGB444-conversion

Low Level Protocol

Low Level Protocol(LLP)层为CSI协议的主要功能层,不仅定义了包格式,还定义了传输中使用的同步机制。

在发送端,该层负责将上层传输过来的数据打包,添加校验字段,增加同步包,发送到下一层;在接收端首先校验包的完整性,并解析各个字段,根据包类型执行对应操作,将图像数据传到上一层。

LLP处理的playload数据为经过转换后的纯字节数据,没有像素概念。通过定义不同的的字段和包类型,实现一帧一帧图像数据的传输。

Lane Management

CSI-2是可以根据性能要求使用data lane进行扩展的。针对不同的带宽要求,data lane的数目可以是一、二、三或者四。发送端根据使用的lane数目,自动将数据分发到各个lane上进行传输;在接收端则将各个lane上的数据重新合并,恢复数据。

该层将LLP传输过来的packet当作一段纯字节数据,根据lane数目进行分发,而不考虑包里的数据意义。

例如,对于4个lane的发送,按如下方式分发:

Fig5.four lane distribution

通过这样的转换之后,一个packet在lane上的传输情况如下图所示:

Fig6.four_lane_transfer

从上面的说明可知,pixel/byte转换层的作用为消除pixel格式差异、简化传输,lane management层的作用为分发和拼接packet、提高带宽。这两层都是对数据进行单纯的转换,而不涉及功能逻辑。LLP层才是和传输机制密切相关。因此在后面的讨论中,展示出来的包格式,将只涉及到LLP层,忽略掉其他两层对包格式的作用,即不考虑pixel与byte的转换而直接显示pixel,不考虑lane的拆分而直接在一个lane上展示,如下图所示:

Fig7.llp

上图展示了数据传输,黄色背景色的ST(SoT)、ET(EoT)是物理层所添加的包,和中间的数据包一起,表示一次传输。LPS即Low Power State,Dp-Dn处于低功耗工作状态,此时不传输数据。而SP(Short Packet)和LP(Long Packet)为LLP层所定义的包,用于同步以及帧图像数据传输。

传输一帧图像

LLP作为主要功能的实现,定义了很多包类型、字段和传输机制。这里不详尽地罗列这些细节,而是讲述一下一帧图像在总线上的传输格式,给出一个直观、感性的理解。关于LLP的详细细节,可以参考协议的Chapter 9 Low Level Protocol

LLP的packet主要有两种: SP (short packet)和LP (long packet)。一个LP包含一行图像数据,一个SP则用来进行特殊的用途,主要是同步,例如表示帧开始(FS)、帧结束(FE)、线开始(LS)和线结束(LE)。其中LS和LE是可选的。

同时协议规定,每个packet之间,必须有一个LPS状态,即packet spacing。因此在进行传输时,总线上传输的是SoT+SP+EoT、SoT+LP+EoT和LPS。

一帧必须以FS包开始,以FE包结束,中间为帧高度个数的LP包,每个包含一行图像数据。如下图所示:

Fig8.one frame on bus

图中底部的VVALID、HVALID和DVALID表明垂直有效和水平有效。

传输一开始,首先传输FS类型的SP包,表示一帧图像数据开始,进行帧同步。

然后传输图像数据,一行数据一个LP包。每个LP包由PH (packet header)、Data和PF (packet footer)组成,各字段定义如下如下图所示:

Fig9.long packet structure

其中Data字段中的内容,根据不同的图像格式,其组织方式也不一样。这即为上一章Pixel/Byte转换层的内容。关于Data的格式,可以参考Chapter 11 Data Formats

如RGB565的格式如下:

Fig10.RGB565 data format

在一帧图像的所有数据包传输之后,最后传输一个FE类型的LP包,表示一帧的结束。

Linux驱动

在Linux系统中,要使用CSI进行图像传输,还需要两种驱动:CSI receiver驱动和CSI sender驱动。

CSI receiver驱动用来控制SoC上的CSI外设,读取CSI总线上的数据并输出到内存或者ISP上,位于drivers/media/platform/soc_camera。一方面,驱动实现soc_camera子系统和v4l2子系统需要的结构体和回调函数,成为一个v4l2 device,以/dev/video接口暴露给用户层;另一方面,控制SoC中的CSI硬件并调用它的subdev接口,实现具体的传输。

CSI sender驱动,即camera sensor驱动,位于drivers/media/i2c中。一方面,该驱动通过I2C与sensor通信,配置参数、启动或停止传输图像;另一方面实现soc_camera子系统所需的结构体和回调函数,作为v4l2 device的subdev,提供接口给receiver驱动调用。

通过soc_camera和v4l2子系统框架,sensor驱动和host驱动相互独立,能够被复用。

总结

本文介绍了CSI-2协议的层次结构,展现总线上实际数据传输情况,提供一个感性的认识。驱动方面的介绍非常简单,没有涉及细节,因为实现细节和内核版本有关,v4l2子系统和soc_camera子系统也一直在进化。

和I2C、SPI总线不同的是,CSI总线因为速度高,需要性能较高的示波器才能进行在线分析。重要的是了解其中的概念,在写驱动时有帮助。

参考: