GMSL解析：像素模式和隧道模式如何增強系統性能

作者：ADI 資深工程師Flavius Luntrașu

摘要

本文將深入介紹GMSL™技術，並重點說明用於影像資料傳輸的像素模式和隧道模式之間的差異，文章將針對此兩種模式之間的主要區別進行分析，並探討成功建置需要注意的具體事項。

GMSL概覽

GMSL(千兆多媒體串列鏈路)是ADI專有的SERDES技術，目的在透過單根同軸電纜或兩根遮罩雙絞線(STP)電纜實現遠距離高速影像資料傳輸。GMSL最初是針對汽車應用而開發，其抗電磁干擾(EMI)能力強，並支援使用更輕的線束，但現在已同時被廣泛應用於工業、農業、醫療等眾多其他領域。

目前GMSL可分為三代：即GMSL1、GMSL2和GMSL3。本文雖不深入詳細地探討這三者之間的差異，但為了能更進一步理解本文的內容，我們將重點說明其中一些細節：

• 本文介紹的技術細節和特性不適用於GMSL1代。
• 雖然完整的GMSL產品組合支援多種類型影像介面（並行、攝影鏡頭序列介面2 (CSI-2 ^®)、HDMI ^®、oLDI等）之間的影像資料傳輸，但本文闡述的內容僅適用於支援CSI-2的GMSL元件。

圖1為支援GMSL的基本網路的示例。SERDES位於影像源和影像接收設備之間，如此就能在兩者之間實現更遠的傳輸距離，而且還能減少所需的電纜數量。

影像源可以是感測器或處理器，而影像接收裝置可以是顯示器或其他處理器。

橋接影像介面：CSI-2

CSI-2是行動產業處理器介面(MIPI)聯盟制定的一種高速影像介面標準。其可用於汽車、手機、無人機、機器人等眾多領域。通常，CSI-2影像源是各種感測器，例如成像器、雷達、LIDAR等，而影像接收設備是處理器、系統單晶片(SoC)、微控制器等。

CSI-2是一種協定規範，其定義了圖像資料如何格式化、接收和發送，並使用D-PHY™或C-PHY™作為硬體層。這兩種硬體層是MIPI聯盟定義的不同實體層介面，描述了高速資料傳輸所需的電氣特性、訊號完整性和時序特性。

簡而言之：

• 相較於D-PHY，C-PHY可以支援更高頻寬的應用。每種PHY使用不同的資料和時脈通道拓撲，因此對佈局的考量也不同。
• CSI-2資料封包結構由三個主要部分組成：包頭、有效載荷和尾部。C-PHY和D-PHY都遵循這種結構，只是略有不同。
  • 包頭包含有關有效載荷內容的安全資訊，其作用是讓接收器知道準備接收什麼類型的資料。
  • 包頭包含有關有效載荷內容的安全資訊，其作用是讓接收器知道準備接收什麼類型的資料。
  • 尾部透過CRC校驗和來保護有效載荷資訊。

SERDES影像資料傳輸

在GMSL系統中，CSI-2資料封包由串列器接收，將其編碼為GMSL資料封包格式，再透過電纜傳送到配對的解串器，由解串器將影像解封包，並將CSI-2資訊發送到本地處理器。

隨著GMSL CSI-2元件的演進，出現了兩種不同的影像資料傳輸模式。雖然兩種模式都能確保影像內容透過GMSL鏈路安全可靠地傳輸，但其各自的特點也應予以考慮。這兩種傳輸模式分別是像素模式和隧道模式。

像素模式是傳統的傳輸模式，其是在第一批GMSL2產品中引入的。如圖2所示，在此模式下，傳入的CSI-2資料封包包頭和尾部被移除，資料有效載荷轉換為像素格式，以便透過GMSL鏈路發送。CSI-2格式與像素格式之間的轉換在串列器中完成，而在鏈路的另一端，解串器會重建CSI-2結構，並將新的包頭和尾部增加到結構中。

隧道模式則是將整個CSI-2資料結構重新封包，如圖3所示。因此，隧道模式有時被稱為CSI-2轉發，其不支援任何基於像素的處理。

不同的GMSL元件可能支援一種或兩種傳輸模式，詳細資訊請參閱相應的產品手冊。

為使GMSL鏈路成功運行，系統必須支援串列器和解串器，並統一配置為像素模式或隧道模式。如果串列器和解串器之間的模式不匹配，則將無法傳輸影像資料。GMSL元件支援的其他周邊介面或協定（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

在建置基於GMSL的系統時，系統設計人員需要根據採用的是像素模式或是隧道模式關注幾項特性。本節將重點介紹其中一些特性。

所有特性都與CSI-2資料封包結構本身，以及CSI-2包頭和尾部中可找到的資訊類型密切相關。

資料完整性

GMSL通訊受其自身的校驗和演算法保護。除了該演算法之外，CSI-2協定還會計算資料有效載荷位元組的16位元CRC，並將此資訊儲存在資料封包尾部中。該校驗和中不包括包頭資訊。

在像素模式下，CSI-2 CRC資訊由串列器校驗並確認，然後丟棄。在影像有效載荷到達解串器時，會計算新的CSI-2 CRC，處理器在接收到資料封包後會校驗該CRC。此一過程如圖4所示。透過同時使用CSI-2和GMSL校驗碼，可以確保整個資料鏈的資料完整性。

在隧道模式下，來自感測器的原始CRC會透過鏈路一直發送到處理器，使得資料完整性進一步增強。如圖5所示，在串列器和解串器之間仍然存在GMSL CRC，使得安全備用度更高。

此外，在隧道模式下，解串器並支援內聯CRC校驗，因而能夠驗證並選擇性地糾正CSI-2標頭或有效載荷CRC。檢測到的校驗和不匹配情況時，可使用錯誤報告功能進行報告。如此系統可以在SoC進行資料擷取之前，能更快發現錯誤。

在像素模式和隧道模式下，均可使用內部前向糾錯(FEC)功能進一步提升串列器和解串器之間的資料完整性。

聚合

在GMSL中，聚合是指將多個影像流合併為單一輸出的功能，透過這種方式可以更優化地利用影像接收裝置的輸入接腳。¹圖6顯示了使用兩個單輸入 MAX96717 串列器和一個雙輸入 MAX96716A解串器實現聚合的示例。

每個GMSL埠的傳輸模式都是單獨配置的。在圖6中，串列器和解串器的輸入埠都必須配置為以像素模式或隧道模式運行。只有採用同一傳輸模式的影像流之間才能進行聚合。

混合使用情況（即一個鏈路以像素模式運行，另一個鏈路以隧道模式運行）不支援聚合。在這種情況下，影像流必須使用不同的解串器輸出埠，如圖7所示。

MIPI實體層

MIPI轉換

此外，將來自兩個或更多感測器的多個影像流合併到單一MIPI埠時，可能會出現另一個問題：組合影像資料可能會超過D-PHY的10 Gbps限制。為了突破此一瓶頸，並避免對架構設計施加太多限制，透過影像鏈進行D-PHY至C-PHY的轉換將是理想方案。

在像素模式下，從影像源到接收設備的傳輸過程中，只有CSI-2資料有效載荷保持不變，並且對於兩種實體層，其結構相同。這表示使用GMSL技術，在像素模式下，接收裝置和影像源無需考慮對方使用何種類型的PHY。由於PHY資料封包結構僅標頭和尾部有所不同，因此可以將傳入的D-PHY結構解構，然後由解串器重新組裝為C-PHY，有效載荷資訊不會受到影響。

隧道模式本身不具備此功能；因此，該模式不支援D-PHY至C-PHY的轉換。

但也有例外，例如MAX96724/MAX96724F/MAX96724R四輸入CSI-2解串器系列，其支援多達四個CSI-2埠，實體層可以使用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行D-PHY至C-PHY的轉換，而不影響資料完整性。

虛擬通道管理

虛擬通道是分配給CSI-2資料封包的標籤，用於識別每個資料有效載荷。在使用聚合的應用中，標籤會變得更加重要，因為接收端需要對多個傳入流進行解複用並將其相互區分。此類標籤位於CSI-2資料封包的包頭段內。

因此，在像素模式下，可以對GMSL元件進行自訂虛擬通道重新分配。另一方面，並非支援隧道模式的元件都具備這種彈性。在此種情況下，每個影像源都需要設定唯一的虛擬通道。

原理圖和佈局佈線影響

像素模式和隧道模式在協定層面上存在差異，但未必需要對應用的原理圖進行任何實質性修改。

GMSL元件可以設定為上電時預設進入像素模式或隧道模式。此默認設定可透過CFG[#]接腳上的預定義電阻分壓器網路實現，詳見具體元件的產品手冊。根據上電預設配置為像素模式還是隧道模式，這些電阻會有所不同。

無論上電預設配置如何，從一種模式到另一種模式的轉換也可以透過暫存器寫入來實現。

模式的切換對佈局方面沒有影響。像素模式和隧道模式將在相同的佈局和PCB堆疊上運行。

結論

瞭解GMSL技術的兩種模式之間的差異，對於設計穩健的高性能系統非常重要。表1對像素模式和隧道模式支援的一些特性進行了比較。簡而言之，像素模式可提供更大的系統彈性，而隧道模式則以損失部分系統彈性為代價來提升資料完整性。

參考文獻

¹ GMSL2通用用戶指南。ADI，2023年12月。