GMSL에서 비디오 데이터 전송을 위한 픽셀 모드와 터널 모드 특성 비교

글: 플라비우스 룬트라수(Flavius Luntrașu) 선임 FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices Inc.)

Navigating GMSL: How Pixel and Tunnel Modes Enhance System Performance

개요

이 글에서는 비디오 데이터 전송을 위한 픽셀 모드와 터널 모드의 차이점을 중심으로 GMSL™ 기술을 자세히 설명한다. 이를 통해 두 모드의 주요 차이점을 명확하게 구분하고, 효과적인 구현에 필요한 구체적인 고려사항을 살펴본다.

GMSL 소개

GMSL(Gigabit Multimedia Serial Link)은 1개의 동축 케이블 또는 2개의 차폐 연선 쌍(STP) 케이블을 사용하여 비디오 데이터를 보다 먼 거리까지 고속으로 전송할 수 있게 설계한 아나로그디바이스(ADI) 고유의 SERDES 기술이다. 원래 GMSL은 전자기 간섭(EMI)에 대한 견고성과 더 가벼운 케이블 하네스 때문에 자동차 애플리케이션을 지원하기 위해 개발되었지만 현재는 산업, 농업 및 의료를 비롯한 매우 다양한 분야에서 광범위하게 채택되고 있다.

현재 GMSL은 GMSL1과 GMSL2를 거쳐 3세대인 GMSL3까지 진화했다. 이 글의 목적상 이들 세 가지 버전의 차이점을 여기서 자세히 다루지는 않겠지만, 다음은 이 글의 내용을 이해하는 데 도움이 될 만한 몇 가지 내용을 정리하면 다음과 같다:

  • 이 글에서 설명하는 기술적 세부사항과 기능은 GMSL1 세대에는 적용되지 않는다.
  • 전체 GMSL 포트폴리오는 여러 유형의 비디오 인터페이스(병렬, CSI-2®(camera serial interface 2), HDMI ®, oLDI 등) 간 비디오 데이터 전송을 지원하지만, 이 글에서 설명하는 것은 CSI-2를 지원하는 GMSL 구성요소와 관련한 것이다.

그림 1은 GMSL을 지원하는 기본 네트워크 구성을 예시한 것이다. SERDES가 비디오 소스와 비디오 싱크 사이에 위치하므로, 필요한 케이블 수를 줄이면서 둘 사이에 훨씬 더 먼 거리를 지원할 수 있다.

Figure 1. GMSL-enabled point-to-point connection.
그림 1. GMSL 지원 포인트-투-포인트 연결

비디오 소스는 센서나 프로세싱 장치가 될 수 있으며, 비디오 싱크는 디스플레이나 다른 프로세서가 될 수 있다.

연결 비디오 인터페이스: CSI-2

CSI-2는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 얼라이언스에서 표준화한 고속 비디오 인터페이스이다. 이 인터페이스는 자동차, 모바일, 드론, 로보틱스 등 다양한 애플리케이션에서 사용된다. 일반적으로 CSI-2 비디오 소스는 센서(이미저, 레이더, LiDAR)로 구성되며, 비디오 싱크는 프로세싱 장치, 시스템온칩(SoC), 마이크로컨트롤러 등을 나타낸다.

CSI-2는 이미지 데이터의 형식, 수신 및 전송 방식을 정의한 프로토콜 규격을 말하며, 하드웨어 계층으로 D-PHY™ 또는 C-PHY™를 사용한다. D-PHY와 C-PHY는 각각 MIPI 얼라이언스가 정의한 물리 계층 인터페이스로, 고속 데이터 전송에 요구되는 전기적 특성, 신호 무결성 및 타이밍 특성을 설명한다.

이를 간단히 요약하면:

  • C-PHY는 D-PHY보다 더 높은 대역폭 애플리케이션을 지원할 수 있다. 각각의 PHY는 서로 다른 데이터 및 클럭 레인 토폴로지를 사용하므로 레이아웃 고려사항도 서로 다르다.
  • CSI-2 패킷 구조는 세 가지 주요 세그먼트인 헤더(header), 페이로드(payload), 푸터(footer)로 구성된다. 약간의 차이가 있기는 하지만, 이 구조는 C-PHY와 D-PHY에 모두 적용된다.
    • 헤더는 페이로드의 콘텐츠에 대한 보안 정보를 포함한다. 이를 통해 수신기는 어떠한 유형의 데이터를 준비해야 하는지 알 수 있다.
    • 페이로드는 전송해야 하는 주 정보로 구성된다.
    • 푸터는 CRC 체크섬을 통해 페이로드 정보를 보호한다.

SERDES 비디오 데이터 전송

GMSL 시스템에서, CSI-2 패킷은 시리얼라이저에 의해 수신되고, GMSL 패킷 형식으로 인코딩된 후 케이블을 통해 다른 쪽의 디시리얼라이저로 전달되며, 디시리얼라이저에서 이 비디오를 언패킹하여 CSI-2 정보를 로컬 프로세서에 전송한다.

GMSL CSI-2 구성요소가 발전하면서, 비디오 데이터 전송을 위한 두 가지 모드가 등장했다. 픽셀 모드와 터널 모드가 그것이다. 두 가지 모드 다 GMSL 링크를 통해 비디오 콘텐츠의 안전하고 신뢰할 수 있는 전송을 보장하지만, 두 모드 간의 특수성을 고려할 필요가 있다.

픽셀 모드는 GMSL2 제품군의 첫 번째 제품군에 도입된 레거시 전송 모드이다. 그림 2에 표시된 것처럼, 이 모드에서는 들어오는 CSI-2 패킷 헤더와 푸터가 제거되고, 데이터 페이로드가 픽셀 형식으로 변환된 다음, GMSL 링크를 통해 전송된다. CSI-2 형식을 픽셀 형식으로 변환하는 작업은 시리얼라이저에서 이루어지며, 이 링크의 다른 쪽에서는 디시리얼라이저 수준에서 CSI-2 구조가 재구성되고 새로운 헤더와 푸터가 구조에 추가된다.

Figure 2. Pixel mode transmission (simplified).
그림 2. 픽셀 모드 전송(개략도)

반면, 터널 모드는 그림 3에서 보이는 것처럼, 전체 CSI-2 데이터 구조를 다시 패킷화한다. 이 때문에 터널 모드는 CSI-2 포워딩이라고도 하며, 픽셀 기반 프로세싱은 지원하지 않는다.

Figure 3. Tunnel mode transmission (simplified).
그림 3. 터널 모드 전송(개략도)

어떤 전송 모드를 사용할 수 있는지, 또는 둘 다 사용 가능한지 여부는 GMSL 구성요소마다 다르며, 이는 각 데이터 시트에서 확인할 수 있다.

성공적인 GMSL 링크 동작을 위해서는 시리얼라이저와 디시리얼라이저가 모두 픽셀 모드 또는 터널 모드로 지원 및 설정되어야 한다. 시리얼라이저와 디시리얼라이저 간 모드가 일치하지 않으면 비디오 데이터를 전송하지 못한다. I2C, UART, GPIO 등과 같은 GMSL 구성요소에 의해 지원되는 기타 주변장치 인터페이스 또는 프로토콜은 그러한 영향을 받지 않는다.

픽셀 모드와 터널 모드의 기능 비교

픽셀 모드와 터널 모드 중 어느 것을 사용할 것인가에 따라, GMSL 기반 시스템을 구현할 때 시스템 설계자가 알아야 할 특수한 고려 사항들이 있다. 이제부터 그 중 몇 가지를 살펴볼 것이다.

이러한 특수성은 모두 CSI-2 패킷 구조 자체와 CSI-2 헤더와 푸터에서 볼 수 있는 정보 유형에 따른 직접적인 결과이다.

데이터 무결성

GMSL 통신은 자체 체크섬 알고리즘에 의해 보호된다. 이 알고리즘 외에도, CSI-2 프로토콜이 데이터 페이로드 바이트에 대해 16비트 CRC를 계산하고, 이 정보를 패킷 푸터에 저장한다. 헤더 정보는 이 체크섬에 포함되지 않는다.

픽셀 모드에서, CSI-2 CRC 정보는 시리얼라이저에 의해 검사되고 확인을 거친 후 폐기된다. 비디오 페이로드가 디시리얼라이저에 도착하면 새로운 CSI-2 CRC가 계산되는데, 이는 데이터 패킷을 수신할 때 프로세서에 의해 검사된다. 이 프로세스는 그림 4와 같다. CSI-2와 GMSL 체크섬을 모두 사용함으로써 전체 체인에 걸쳐 데이터 무결성이 보장된다.

Figure 4. Video data integrity in pixel mode.
그림 4. 픽셀 모드의 비디오 데이터 무결성

터널 모드에서는 센서의 원본 CRC가 링크를 통해 프로세서까지 끝까지 전송되므로 데이터 무결성이 향상된다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 GMSL CRC는 여전히 시리얼라이저와 디시리얼라이저 사이에 존재하므로 더 높은 리던던시를 보장한다.

Figure 5. Video data integrity in tunnel mode.
그림 5. 터널 모드의 비디오 데이터 무결성

이 밖에, 터널 모드에서는 디시리얼라이저 수준에서 인라인 CRC 검사도 지원된다. 이 검사는 CSI-2 헤더 또는 페이로드 CRC를 검증하며, 옵션을 통해 수정도 가능하다. 체크섬 불일치가 검출되면 오류 보고 기능을 사용해 보고할 수 있기 때문에, 데이터 수집이 SoC 수준에서 발생하기 전에 더 빠른 오류 검출이 가능하다.

픽셀 모드와 터널 모드 모두에서, 시리얼라이저와 디시리얼라이저 간의 데이터 무결성은 내부 FEC(forward error correction) 기능을 사용하여 더욱 향상시킬 수 있다.

병합

GMSL의 맥락에서 병합(aggregation)이란 여러 비디오 스트림을 단일 출력으로 합치는 기능을 말하는 것으로, 이를 통해 비디오 싱크의 입력 핀의 사용을 보다 최적화할 수 있다.1 그림 6은 2개의 단일 입력 MAX96717 시리얼라이저와 1개의 듀얼 입력 MAX96716A 디시리얼라이저를 사용하는 병합의 예를 보여준다.

Figure 6. Aggregation between two sources using matching transmission mode.
그림 6. 서로 일치하는 전송 모드를 사용하는 두 소스 간 병합

전송 모드는 각 GMSL 포트에 대해 개별적으로 구성된다. 그림 6에서 시리얼라이저와 디시리얼라이저의 입력 포트는 모두 픽셀 모드 또는 터널 모드로 작동하도록 설정해야 한다. 병합은 동일한 전송 모드를 공유하는 비디오 스트림 간에만 가능하다.

혼용 사례(한 링크는 픽셀 모드로 동작하고 다른 링크는 터널 모드로 동작)에서는 병합이 지원되지 않는다. 이 경우, 비디오 스트림은 그림 7과 같이 다른 디시리얼라이저 출력 포트를 사용해야 한다.

Figure 7. Mixed pixel/tunnel modes use case.
그림 7. 픽셀-터널 모드 혼용 사례

MIPI 물리 계층

MIPI 변환

2개 이상의 센서에서 발생하는 여러 비디오 스트림을 단일 MIPI 포트로 병합할 때, 결합된 비디오 데이터가 D-PHY의 10Gbps 제한을 초과하는 또 다른 문제가 발생할 수 있다. 이러한 병목현상을 극복하고 아키텍처 설계에 많은 제한을 두지 않으려면 비디오 체인에서 D-PHY를 C-PHY로 변환하는 것이 이상적이다.

픽셀 모드에서, 소스부터 링크까지 변경되지 않고 그대로 남아 있는 것은 오직 CSI-2 데이터 페이로드뿐이며, 이는 두 물리 계층에서 동일한 구조를 갖는다. 이는 GMSL를 통한 픽셀 모드에서는 싱크와 소스 둘 중 어느 쪽이 어떤 유형의 PHY를 사용하든 상관없다는 것을 의미한다. PHY 패킷 구조는 헤더 및 푸터 수준에서만 다르기 때문에, 페이로드 정보에 영향을 주지 않으면서 수신되는 D-PHY 구조를 해체한 다음 디시리얼라이저 수준에서 C-PHY로 재조립할 수 있다.

이 기능은 터널 모드에서는 기본적으로 존재하지 않는다. 터널 모드에서, D-PHY에서 C-PHY로의 변환이 지원되지 않는 이유가 이 때문이다.

그러나 최대 4개의 CSI-2 포트를 D-PHY 또는 C-PHY 구성으로 지원하는 MAX96724/MAX96724F/MAX96724R 쿼드 입력 CSI-2 디시리얼라이저 제품군은 예외이다. 이 제품군은 픽셀 모드 또는 터널 모드로 작동하도록 설정할 수 있다. MAX96724 제품군의 경우, 데이터 무결성에 영향을 주지 않으면서 터널 모드에서 D-PHY를 C-PHY로 변환할 수 있다.

가상 채널 관리

가상 채널은 각 데이터 페이로드를 식별하는 데 사용되는 CSI-2 패킷에 할당되는 레이블이다. 수신단에서는 여러 수신 스트림을 디멀티플렉싱하고 서로 구분해야 하기 때문에, 가상 채널은 병합을 사용하는 애플리케이션에서 점점 더 중요해진다. 이러한 레이블은 CSI-2 패킷의 헤더 세그먼트 내에서 볼 수 있다.

직접적인 결과로, 픽셀 모드에서는 GMSL 구성요소에서 사용자 맞춤형 가상 채널 재할당이 가능하다. 터널 모드를 지원하는 모든 부품이 이러한 유연성을 갖는 것은 아니다. 이 경우, 각 소스는 고유한 가상 채널을 설정해야 한다.

회로도 및 레이아웃 영향

픽셀 모드와 터널 모드가 프로토콜 수준의 차이는 있지만, 그것이 애플리케이션의 회로도에 유의미한 수정이 필요하다는 것을 의미하지는 않는다.

GMSL 구성요소는 디폴트로 픽셀 또는 터널 모드에서 전원이 켜지도록 프로그래밍할 수 있다. 이 디폴트 구성은 CFG[#] 핀에서 사전 정의된 저항 분배기 네트워크를 사용하여 수행되며, 각 부품의 데이터 시트에 개별적으로 명시되어 있다. 이러한 저항은 픽셀 모드 디폴트 전원 시동할 때와, 터널 모드 디폴트 전원 시동할 때가 서로 다르다.

또한 한 모드에서 다른 모드로의 변환은 전원 시동 디폴트 구성과 관계없이 레지스터 쓰기를 통해 달성할 수 있다.

레이아웃 측면에서는 별다른 영향이 없다. 픽셀 모드와 터널 모드는 동일한 레이아웃과 PCB 스택업에서 작동한다.

결론

GMSL 기술에서 픽셀 모드와 터널 모드의 차이점을 이해하는 것은 견고한 고성능 시스템을 설계하는 데 있어서 중요하다. 표 1은 픽셀 모드와 터널 모드가 지원하는 일부 기능들을 나란히 비교한 것이다. 간단히 말해, 픽셀 모드가 더 많은 시스템 유연성을 제공한다면, 터널 모드는 일부 시스템 범용성은 떨어지지만 데이터 무결성은 향상시킨다.

표 1. 픽셀 모드와 터널 모드가 지원하는 기능
기능 픽셀 모드 터널 모드
GMSL을 통한 CRC 지원 지원
FEC 및 FEC를 통한 CRC 지원 지원
엔드-투-엔드 CSI-2 CRC 지원하지 않음 지원
DES에서 CSI-2 CRC 모니터링 지원하지 않음 지원
MIPI PHY 변환 지원 구성요소에 따라 다름
병합 지원 지원
가상 채널 조작 지원 구성요소에 따라 다름
데이터 유형 변환 지원하지 않음 지원하지 않음

참고문헌

1 GMSL2 General User Guide. Analog Devices, Inc., December 2023.

저자 소개

플라비우스 룬트라수(Flavius Luntrașu)는 아나로그디바이스(ADI)의 선임 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)이며, 차량용 비디오 연결성이 전문 분야이다. GMSL 기술 분야에서 3년 넘게 현장 경험을 쌓아왔으며, 향상된 카메라 시스템과 디스플레이 솔루션을 통합하는 OEM 및 1차 부품 협력사를 지원하고 있다. 그는 고객과의 협업을 통해 GMSL 기술의 성공을 견인하고, 맞춤형 솔루션을 상호 개발하며, 혁신적인 오토모티브 애플리케이션을 개발하는 데 주력하고 있다.