AN-2615: GMSL2升级至GMSL3
摘要
本文详细介绍了将现有GMSL2™设计升级为GMSL3™设计时的考量因素。在具体示例中，使用了一对GMSL2传感器（MAX96717和MAX96716A）及一对引脚兼容的GMSL3传感器（MAX96793和MAX96792A）。本文讨论了GMSL3的优势，并解释了从GMSL2升级到GMSL3时的设计考量因素。
引言
GMSL™技术的主要优势之一在于实现了同一代器件之间的跨代兼容。GMSL2向后兼容GMSL1™，GMSL3向后兼容GMSL2；通过数据手册，可验证器件的兼容性。这种灵活性还意味着，可以通过保留相同的引脚和封装去复用现有的兼容器件设计，从而节省开发时间。
GMSL3概述
GMSL3的主要不同之处是链路上的GMSL数据速率翻倍，达到12Gbps。GMSL2通常足以应对大多数应用，但传感器和显示器的带宽仍在不断提高。GMSL3旨在实现更高的数据速率，同时保留GMSL的所有优势，包括自适应均衡(AEQ)、ASIL-B功能安全性和强大的错误监控诊断。
GMSL2 使用非归零(NRZ)调制，其奈奎斯特频率为传输数据速率的一半。因此，对于6Gbps链路，该频率为3GHz（或对于3Gbps链路，该频率为1.5GHz）。在仍然使用NRZ调制的情况下，数据速率翻倍意味着对于12Gbps链路，奈奎斯特频率为6GHz。然而，使用更高频率会带来一些问题，例如线缆、连接器和PCB的插入损耗增加，导致应用中线缆的总长度必须缩短。
为了避免在数据速率翻倍的情况下使用更高频率，GMSL3采用脉冲幅度调制4级(PAM4)，以保持与GMSL2 相同的奈奎斯特频率。较低的通道工作频率会给系统带来许多好处：
- GMSL2和GMSL3使用相同的时钟链路速率，支持原理图和布局复用，工作在FR-4 PCB上。
- 线缆和连接器的插入损耗更低。
- 通过翻倍带宽并保持相同的链路速率，可以获得更高的频谱效率。
GMSL3 同时支持6Gbps (NRZ)和12Gbps (PAM4)。
设计考量因素
这里以CSI-2至GMSL3串行器MAX96793和GMSL3至CSI-2解串器MAX96792A为例进行说明。一般来说，升级所需的改动很少，但针对每一个具体的系统应用仍然需要进行评估。
引脚兼容性
GMSL2代和GMSL3代的GMSL器件被设计为引脚兼容，以支持设计复用。串行器封装为5mm x 5mm TQFN。图1详细展示了MAX96717和MAX96793的引脚排列：
在这些器件上使用反向信道参考时钟(RoR)功能时，应将一个20nF±10%的电容连接在VREF引脚（引脚7）和接地端之间。为了保持最优反向链路裕量，此连接对使用RoR的GMSL3模式是必须的，但对GMSL2模式并非强制要求。
如果在GMSL3上不使用RoR，则不需要此电容。
解串器封装为7mm x 7mm TQFN。图2详细展示了MAX96716A和MAX96792A的引脚配置：
功耗
这些器件的功耗是在物理层接口满负荷运行状态下进行测定的，运行条件在表1的配置列详细列出。
| 器件 | 配置 | IDD18 | IDD (VDD = 1.2V) | PTOTAL |
| MAX96717 | 6Gbps前向链路速率 （GMSL2模式） RGB888彩条图案 4通道CSI-2 DPHY输入 每通道1.3Gbps |
46mA (25°C) 53mA (105°C) |
98mA (25°C) 232mA (105°C) |
~210mW (25°C) ~393mW (105°C) |
| MAX96793 | 12Gbps前向链路速率 （GMSL3模式） RGB888彩条图案 4通道CSI-2 DPHY输入 每通道2.5Gbps |
46mA (25°C) 53mA (105°C) |
170mA (25°C) 340mA (105°C) |
~301mW (25°C) ~529mW (105°C) |
这两款器件使用相同的电源输入电压，以简化电源拓扑要求。MAX96717和MAX96793 GMSL器件系列的 VDD18轨使用相同的电源。VDD核心轨的最大电流仅有轻微增加，幅度约为70mA (25°C)或110mA (105°C)。检查电源，确保供电轨上有足够的裕量以适应电流增加。
如前所述，这些器件的特点是其配置旨在充分发挥物理层接口能力，即解串器同时支持双GMSL输入和双MIPI-CSI2输出。这些器件可以仅使用单个GMSL输入和/或单个MIPI-CSI2输出，以降低总功耗。
此外，摄像头解串器具有MIPI-CSI2供电轨 VTERM，用于MIPI-CSI2 PHY。
| 器件 | 配置 | IDD18 | IDD (VDD = 1.2V) | ITERM | PTOTAL |
| MAX96716A | 6Gbps前向链路速率 （GMSL2模式） 2x 6Gbps输入 2x 4通道CSI-2 DPHY 输入 每通道1.3Gbps |
196mA (25°C) 245mA (105°C) |
197mA (25°C) 460mA (105°C) |
27mA (25°C) 40mA (105°C) |
~654mW (25°C) ~1095mW (105°C) |
| MAX96792A | 12Gbps前向链路速 率（GMSL3模式） 2x 12Gbps输入 2x 4通道CSI-2 DPHY 输入 每通道2.5Gbps |
210mA (25°C) 250mA (105°C) |
365mA (25°C) 850mA (105°C) |
31mA (25°C) 40mA (105°C) |
~898mW (25°C) ~1596mW (105°C) |
这两款器件使用相同的电源输入电压，以简化电源拓扑要求。MAX96716A和MAX96792A GMSL器件系列的VDD18 轨使用大致相同的电源。VDD核心轨的最大电流有所增加，幅度增加约为160mA (25°C)或390mA (105°C)。检查电源，确保供电轨上有足够的裕量以适应电流增加。
此外，两款器件的静态电流消耗和最大电源噪声容差相同，以使这两个系列遵循一致的系统要求。
配置引脚设置
这些器件的配置引脚差异很小。务必根据器件数据手册确认配置引脚值，这将决定器件每次启动时的配置状态。
图3和图4展示了配置引脚的详细信息，这里以MAX96717和MAX96793为例进行说明。所有配置引脚的设置都取决于具体器件，详细信息请参考各自的数据手册。
配置0引脚(CFG0)用于配置UART和 I2C之间的信道接口，选择使用RoR还是晶振，以及器件地址。
配置1引脚(CFG1)用于配置线缆类型（STP还是同轴线缆）、GMSL数据速率，以及选择隧道模式还是像素模式。CFG1在设置GMSL数据速率方面有细微差异。这些器件的像素模式数据速率相同。隧道工作模式支持GMSL3的6Gbps和12Gbps，以及GMSL2的3Gbps和6Gbps。
PAM4调制方案
PAM4是GMSL针对严苛的汽车环境所采用的一种成熟调制方案。NRZ使用两个电压电平表示1位符号，而PAM4使用四个电压电平表示2位符号，使得GMSL3能够以与GMSL2相同的波特率运行，同时将所传输数据的比特率翻倍。
然而，数据速率翻倍并非没有代价：PAM4的眼图开度较小，约为NRZ眼图开度的1/3。
图5中，“A”被定义为NRZ眼图开度，这意味着如果NRZ以A的SNR每个周期传输1位(1/T)，则PAM4以A/3的SNR每个周期传输2位(2/T)。
前向纠错
为了克服 PAM4 固有的噪声敏感性，GMSL3 具备前向纠错(FEC)功能，可为链路增加数据冗余和纠错能力。FEC 可以显著降低SNR要求，并有助于降低链路的误码率(BER)，使得GMSL链路在整个生命周期内只有一个位错误。
GMSL FEC采用Reed-Solomon 编码，这种编码广泛用于CD、二维码，甚至旅行者航天器[1]。此外，FEC信息可通过寄存器实时监控，或在GMSL GUI中方便地监控。
FEC 是GMSL3的强制要求，因此在确认用例是否具有足够的带宽时，需要考虑FEC对带宽的影响。为了增强BER鲁棒性，在GMSL链路上使用FEC会产生6.67% (128/120)的额外开销。GMSL GUI中的GMSL带宽计算器在计算中包括了这一开销。此开销使得GMSL3链路的实际可用带宽大约为9.7Gbps。
错误报告
在GMSL3链路上使用FEC时，需要根据系统监控要求，调整错误监控策略。FEC可以检测并纠正链路上发生的错误，器件会报告纠正情况，这称为“FEC可纠正位”。“FEC不可纠正位”是不被允许的，因为它意味着GMSL3器件无法修复链路上发生的错误。
因此，需要根据错误的定义，调整错误监控策略。对于GMSL2 模式，解码和空闲错误用于报告链路上发生的错误。对于GMSL3模式，FEC不可纠正错误用于报告链路上的错误；FEC纠正的位也会被报告。
默认情况下，FEC错误标志用于检查可纠正和不可纠正的位，并报告给ERRB引脚。可纠正位的FEC阈值必须根据系统要求进行调整。有关错误监控变更的详细信息，请参阅软件差异部分。
通道规格
GMSL2 和 GMSL3 之间的一个显著区别是GMSL通道规格。请勿认为符合规范的GMSL2系统与GMSL3通道规范兼容，因为后者的预算限制更严格。请参考www.analog.com/cn上提供的最新GMSL2通道规范和GMSL3通道规范。
复用设计时，务必重新评估PCB布局和布线需求。
GMSL3 (12Gbps)和 GMSL2 (6Gbps)均以 3GHz 链路基频运行。
GMSL3 的插入损耗要求额外规定了长通道（高损耗）和短通道（低损耗）两种情况。短通道的插入损耗(IL) 更严格，但回波损耗(RL)较宽松。
GMSL3 的回波损耗要求也额外规定了长通道（高损耗）和短通道（低损耗）两种情况。短通道的RL较宽松，但IL更严格。
S-参数数据在与 GMSL3 IL 和 RL 限值进行比较之前，必须进行滤波。在全部范围内对S-参数应用100MHz滤波器。从最低捕获频率到50MHz，应用未滤波的数据。超过50MHz时，使用经滤波的数据与限值进行 比较。
寄存器设置差异
在软件方面，这些器件之间有两大差异：GMSL3工作模式和错误监控。
对于GMSL3模式，表3和表4中详细列出的以下所有更改都通过CFG引脚处理。这些引脚用于正确配置器 件的发送和接收速度，以及PAM4调制。表3和表4列出了当软件对CFG引脚进行编程或覆写操作时需使 用的寄存器，但此类操作通常不建议采用。
注：如果使用CFG引脚配置GMSL模式，则表3和表4中显示的以下更改不是必需的。
编程步骤需要按照特定顺序进行。先从远程器件开始，然后再处理本地器件。“远程”和“本地”指的是 I2C控制器的位置。对本地器件进行编程时，会阻止其与远程器件的通信。在此示例中，MAX96793是远程器件，而MAX96792A（连接到 I2C控制器）是本地器件。
| 步骤 | 位置 | 器件 | 说明 | 寄存器 | 值 |
| 1 | 远程 | MAX96793 | 将Tx速率更改为12Gbps | 0x0001 | REG1[3:2] = 0b11 |
| 2 | 远程 | MAX96793 | 使能FEC | 0x0028 | TX0[1] = 0b1 |
| 3 | 远程 | MAX96793 | 禁用GMSL2模式并使能GMSL3模式 | 0x0006 | REG6[7] = 0b0 |
| 4 | 本地 | MAX96792A | 使GMSL链路保持RESET（复位）状态 | 0x0010 | CTRL0[6] = 0b1 |
| 5 | 本地 | MAX96792A | 将Rx速率更改为12Gbps | 0x0001 | REG1[1:0] = 0b11 |
| 6 | 本地 | MAX96792A | 使能FEC | 0x0028 | TX0[1] = 0b1 |
| 7 | 本地 | MAX96792A | 禁用GMSL2模式并使能GMSL3模式 | 0x0004 | REG4[7:6] = 0b11* |
| 8 | 本地 | MAX96792A | 使GMSL链路离开RESET（复位）状态 | 0x0010 | CTRL0[6] = 0b0 |
| *这会将两个链路都设置为GMSL3。每个链路可以单独配置。 | |||||
| 步骤 | 位置 | 器件 | 说明 | 寄存器 | 值 |
| 1 | 远程 | MAX96793 | 将Tx速率更改为6Gbps | 0x0001 | REG1[3:2] = 0b10 |
| 2 | 远程 | MAX96793 | 禁用FEC | 0x0028 | TX0[1] = 0b0 |
| 3 | 远程 | MAX96793 | 使能GMSL2模式并禁用GMSL3模式 | 0x0006 | REG6[7] = 0b0 |
| 4 | 本地 | MAX96792A | 使GMSL链路保持RESET（复位）状态 | 0x0010 | CTRL0[6] = 0b1 |
| 5 | 本地 | MAX96792A | 将Rx速率更改为6Gbps | 0x0001 | REG1[1:0] = 0b10 |
| 6 | 本地 | MAX96792A | 禁用FEC | 0x0028 | TX0[1] = 0b0 |
| 7 | 本地 | MAX96792A | 使能GMSL2模式并禁用GMSL3模式 | 0x0004 | REG4[7:6] = 0b00* |
| 8 | 本地 | MAX96792A | 使GMSL链路离开RESET （复位）状态 | 0x0010 | CTRL0[6] = 0b0 |
| *这会将两个链路都设置为GMSL3。每个链路可以单独配置。 | |||||
如错误报告部分所述，错误监控策略需要根据FEC报告进行更改。
| MAX96793 | MAX96792A | |||
| 位名称 | 寄存器 | 值 | 寄存器 | 值 |
| DEC_ERR_OEN_A | 0x001A | INTR2[0] = 0b1 | 0x001A | INTR2[0] = 0b1 |
| DEC_ERR_OEN_B | — | — | 0x001A | INTR2[1] = 0b1 |
| IDLE_ERR_OEN | 0x001A | INTR2[2] = 0b1 | 0x001A | INTR2[2] = 0b1 |
| IDLE_ERR_OEN_B | — | — | 0x5010 | INTR10[6] = 0b1 |
| FEC_RX_ERR_OEN | — | — | 0x001C | INTR4[5] = 0b0* |
| FEC_RX_ERR_OEN_B | — | — | 0x5010 | INTR10[5] = 0b0* |
| *每个链路可以单独配置。 | ||||
| MAX96793 | MAX96792A | |||
| 位名称 | 寄存器 | 值 | 寄存器 | 值 |
| DEC_ERR_OEN_A | 0x001A | INTR2[0] = 0b0 | 0x001A | INTR2[0] = 0b0 |
| DEC_ERR_OEN_B | — | — | 0x001A | INTR2[1] = 0b0 |
| IDLE_ERR_OEN | 0x001A | INTR2[2] = 0b0 | 0x001A | INTR2[2] = 0b0 |
| IDLE_ERR_OEN_B | — | — | 0x5010 | INTR10[6] = 0b0 |
| FEC_RX_ERR_OEN | — | — | 0x001C | INTR4[5] = 0b1* |
| FEC_RX_ERR_OEN_B | — | — | 0x5010 | INTR10[5] = 0b1* |
| *每个链路可以单独配置。 | ||||
使能FEC后，FEC统计信息可以根据应用要求单独配置。MAX96792A拥有许多寄存器，寄存器块地址从0x2000开始，支持读取统计信息及设置两个链路的错误阈值。
例如，应用可能允许在触发报警之前存在一定数量的可纠正位错误，则可以将CORRECTED_THRESHOLD_ 0/1/2/3 设置为允许的纠正位数量。不可纠正位错误更令人担忧，表明系统存在更大的问题。
凭借丰富的统计信息，用户可全面了解GMSL链路的健康状态。
结论
GMSL2 和GMSL3器件系列能够随设计同步扩展，文中所述细节说明了升级系统时需要考虑的变更。一般来说，GMSL2和GMSL3器件尽可能保持一致，以减轻升级时的设计负担。尽管本文详细介绍了两款特定器件的升级方法，但在进行其他GMSL2和GMSL3设备升级时，您必须查阅对应的设计文档。然而，无论是何种 GMSL器件，GMSL带宽的计算和GMSL通道的规格均遵循统一标准。
参考文献
[1] Canterbury, “QR codes - Coding - Error control - Computer Science Field Guide,” Csfieldguide.org.nz, 2024. https://www.csfieldguide.org.nz/en/chapters/coding-error-control/qr-codes.