解读MIPI C-PHY D-PHY子系统

权衡利弊，挑战和采纳

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Ashraf Takla

President & CEO, Mixel, Inc.

2018年4月首次发布。于2022年3月更新。

MIPI® C-PHY(SM)于2014年10月面世，让人既兴奋又担忧。这个新的C-PHY与MIPI D-PHY(SM)和M-PHY®相比如何？MIPI C-PHY有什么不同，它是否与D-PHY足够兼容，以便两者可以在一个混合子系统中共存？

多年后的今天，答案已经很清楚了。

本文将阐述这些答案，提供D-PHY和C-PHY架构的高层次概述，突出其相似性和差异性，确定每种PHY的优点和缺点，并提供在实施C-PHY时遇到的一些挑战的见解。最后，我们将研究Mixel®对C-PHY/D-PHY组合IP的创新实现，从多个来源获得的硅结果，涵盖使用案例，并检查C-PHY/D-PHY组合解决方案在市场上的采用情况。

让我们首先仔细看看D-PHY，它自2009年以来就已经存在，因此得到了更好的理解和广泛应用。D-PHY是一种简单的源同步PHY，使用一个时钟通道和不同数量的数据通道。四个数据通道的D-PHY的框图如图1所示，每个通道的细节如图2所示。由于D-PHY在市场上已经存在了近十年，因此有丰富的文献涵盖了它的独特功能和使用情况（1）。

Four data lane D-PHY block diagram
Figure 1: Four data lane D-PHY block diagram
Block Diagram of a D-PHY data lane
Figure 2: Block Diagram of a D-PHY data lane

相比之下，C-PHY是一种更新、更复杂的PHY。它在三个信号上运行，三合一，时钟被嵌入到数据中，从而不需要单独的时钟通道。 C-PHY的框图如图3所示。

C-PHY Block Diagram
Figure 3: C-PHY Block Diagram

表1对D-PHY和C-PHY进行了比较。

C-PHY vs. D-PHY comparison table

注释：

  1. 四个数据D-PHY通道与三个MIPI C-PHY三通道相比
  2. 编码带来的更高带宽

C-PHY使用编码数据来打包16/7≈2.28位/符号，而D-PHY不使用任何编码。 正因为如此，与D-PHY相比，C-PHY可以实现更高的数据速率，同时以相同的转换或符号速率运行。

乍一看，C-PHY的工作原理，以及潜在的C-PHY/D-PHY组合似乎很神秘。C-PHY信令是多级的，但它的接收器不需要检测多级之间的差异！这是怎么回事？为什么C-PHY和D-PHY有明显的差异，但它们不仅可以共存，而且可以有效地结合成一个IP？ D-PHY使用差分信号，而C-PHY使用三重信号。 它们有可能一起工作吗？ 如何有效地实现C-PHY/D-PHY的组合，使用所有的D-PHY构建模块，而没有任何重复？ 每个符号的数据位数的比率16/7是怎么来的？有这么多的问题需要思考!

让我们尝试着回答这些问题，首先试着揭开C-PHY的神秘面纱。这并不是一件容易的事。在下面的图4中，我们提供了一个C-PHY的快速概述。图4（a）中的框图显示了一个三通道的C-PHY的TX和RX是如何连接的。图4（b）显示了C-PHY子系统的不同子块，即映射、并行/串行功能、编码和通道。图4（c）是TX和RX之间交互的更详细的图片，图4（d）说明了C-PHY的信令级别。

C-PHY (a) TX & RX connection, (b) different functions in C-PHY subsystem, (c) detailed TX & RX interaction, (d) C-PHY signaling levels at TX and RX outputs
Figure 4: C-PHY (a) TX & RX connection, (b) different functions in C-PHY subsystem, (c) detailed TX & RX interaction, (d) C-PHY signaling levels at TX and RX outputs

一个C-PHY车道是由A、B、C三者组成的，如上图4（c）所示。C-PHY的接收器由3个差分RX组成，每个都是看3个信号中的2个的差分，即（A-B）、（B-C）和（C-A）。

C-PHY的编码器保证（i）每个符号至少有一个边缘/转换，（ii）所有三个RX的差分输入都是非零，（iii）所有3个信号的共模是恒定的。上述(ii)和(iii)项是通过限制TX信号在任何单一单位间隔(UI)内的组合为高、中、低，以及保持三个信号中每个信号的电压水平不同来实现的。 符合上述限制(i)的三个TX信号水平的组合，即高、中、低，可以得到6个不同的信号水平组合（线态）。线路状态的数量，6，是三个TX信号电平的排列组合，3! 此外，C-PHY编码器将翻转、旋转、极性符号编码为基于编码器规则的状态变化。

为了保证每个符号至少有一个边缘，上述第（i）项，C-PHY 在从一个符号移动到下一个符号时必须在不同的线路状态之间转换，并且不能在两个连续的符号中保持相同的线路状态。由于这一限制，在六个线态之间有五个不同的独特转换。这意味着编码数据有五种不同的可能性，即每个符号有五种可能的状态，使 C-PHY 成为五进制系统或四进制系统。这样我们就在二进制系统和四进制系统之间移动。这就是为什么需要C-PHY映射器的原因。 现在我们使用的是五进制系统，比特/符号的最大理论数量是log2（5）=2.3219。  映射器功能的构建是为了使映射率尽可能接近而不超过该理论极限。此外，映射器必须在两个整数之间进行映射。 选择比率16/7≈2.28是为了实现上述限制。

另一种描述方式是，映射器需要将16个二进制位映射到一定数量的C-PHY符号，但我们如何确定映射到多少个符号（S）？ 在并行接口上有2^16种组合，映射器输出端的组合是5^S => 2^16，所以S = 7。

Overview of C-PHY encoding
Overview of C-PHY encoding and mapping functions
Figure 5: Overview of C-PHY encoding and mapping functions

要理解为什么C-PHY接收器只需要检测输入信号的极性，而不是多振幅信令的振幅，我们只需要记住，信号振幅中没有嵌入数据。多振幅信令仅用于增加可能的转换次数，并保证每个符号至少有一个转换。

在C-PHY和D-PHY的性能之间做一个相似物比较的方法是，当它们支持4.0Gbps的总数据速率并以类似的转换速率运行时，对它们进行比较。 对于D-PHY来说，这可以通过使用四通道D-PHY来实现，使用10条数据线，每个通道以1.0Gbps/通道运行。 为了获得与C-PHY相同或更低的转换速率的总数据速率，我们可以使用具有6根线的双通道C-PHY，以0.875Gsps运行，低于D-PHY的1.0Gsps。在这种情况下，C-PHY的总数据速率是2 * 0.875 * 16/7 = 4Gbps。   这种比较显示在下面的图6中。

Comparison between D-PHY and C-PHY supporting 4Gbps aggregate data rate, and using same transition rate

基于这种比较，C-PHY有更少的电线（最多减少40%），更低的切换率/通道（降低12.5%），更低的功耗（降低约20-50%），更少的通道数量，因此相同Gbps的面积更小，并且没有时钟通道的消耗。

因此，当比较C-PHY和D-PHY在相同的总数据速率下，C-PHY有很多优势；更少的引脚和焊球（由于每个引脚的性能更高）、灵活性，因为每个C-PHY通道是独立的，带有嵌入式时钟，可以将一条通道从一条链路借用到另一条链路，同时与MIPI D-PHY共存于同一引脚上。 C-PHY还允许在更高的数据率应用中降低功率。此外，C-PHY的嵌入式时钟通道可以将应用处理器上的任何通道分配给任何链路，并消除了时钟杂散发射，这在多频段无线设备中尤为重要。

C-PHY的嵌入式控制代码还能够有效地支持新兴的功能，如快速总线周转（BTA）操作，对时间敏感链路的低延迟（LRTE），以及备用低功耗模式（ALP），这将通过消除单端LP模式实现更长的传输距离，从而减少面积。最后，C-PHY较低的切换率通常可以简化制造，降低低成本产品的成本，例如低端相机。

现在我们已经了解了C-PHY和D-PHY的各个属性，我们可以列举出C-PHY和D-PHY组合的一些优势。这包括能够共享串行接口引脚，重用LP（低功耗）模式，共享公共块，从而减少面积，降低功率/Gbps，在MIPI D-PHY和MIPI C-PHY之间平稳过渡，利用MIPI C-PHY的功率/性能/面积（PPA）改进，同时保持与MIPI D-PHY的兼容性。

Mixel的C-PHY/D-PHY组合IP的实现是独一无二的。 所有的D-PHY块都被重新用于C-PHY操作（HS-TX、HS-RX、SER、DESER、LP-TX、LP-RX和LP-CD），使支持C-PHY的面积开销最小化。 虽然所有的块都被重复使用，但编码器、解码器、CDR、映射器和解映射器是C-PHY功能所需的附加模块。 Mixel实现的框图如图7所示。

C-PHY/D-PHY combo IP block diagram
Figure 7: C-PHY/D-PHY combo IP block diagram

Combo C-PHY/D-PHY已经由Mixel在许多不同的节点和代工厂实现。事实上，Mixel的MIPI IP已经在12个不同的节点和8个不同的代工厂进行了硅验证。

下面我们展示了C-PHY和D-PHY发射器的测试设置和芯片评估。

MIPI C-PHY Transmitter Testing Set-up
Figure 8: MIPI C-PHY Transmitter Testing Set-up
Silicon Results: TX MIPI C-PHY – Eye Diagrams (Mixel)
Figure 9: Silicon Results: TX MIPI C-PHY – Eye Diagrams (Mixel)
Silicon Results: TX MIPI C-PHY – Eye Diagrams (Qualcomm)
Figure 10: Silicon Results: TX MIPI C-PHY – Eye Diagrams (Qualcomm)
Silicon Results: TX MIPI C-PHY – Eye Diagrams (Sony)
Figure 11: Silicon Results: TX MIPI C-PHY – Eye Diagrams (Sony)
Silicon results: TX MIPI D-PHY – Eye Diagrams (Mixel)
Figure 12: Silicon results: TX MIPI D-PHY – Eye Diagrams (Mixel)
Silicon Results: TX MIPI D-PHY – Eye Diagrams (Qualcomm)
Figure 13: Silicon Results: TX MIPI D-PHY – Eye Diagrams (Qualcomm)

下面我们展示了C-PHY和D-PHY接收器的测试设置和硅评估。

Silicon Results: RX MIPI C-PHY- Electrical (Qualcomm)
Figure 14: Silicon Results: RX MIPI C-PHY- Electrical (Qualcomm)
Silicon Results: RX MIPI C-PHY - Link (Qualcomm)
Figure 15: Silicon Results: RX MIPI C-PHY - Link (Qualcomm)
Example use case: camera bring up
Figure 16: Example use case: camera bring up
Example use case: Display bring up
Figure 17: Example use case: Display bring up

现在，让我们来看看当前显示器和照相机应用中不同使用情况的功率、性能和面积。这些都显示在表3中。

在相同的数据速率下，比较D-PHY和C-PHY/D-PHY组合时，面积增加很小。仅C-PHY模块的归一化功率，当在相同的Gbps下比较时是相当的。在相同的转换率下，C-PHY比D-PHY有明显的优势，可以实现更高的数据速率。

然而，功率增量组合PHY可以通过在C-PHY模式配置中启用多种设计选项来取消（此处未显示）。

Display

PPA of different use-cases for Display applications
Table 2: PPA of different use-cases for Display applications

Camera

PA of different use-cases for Camera applications
Table 3: PPA of different use-cases for Camera applications

注意事项：

  1. Combo PHY面积增量< 10%
  2. Combo PHY 可以覆盖广泛的分辨率：80Mpbs – 10Gbps – 17.1Gbps – 18Gbps – 23.94Gbps
  3. MIPI C-PHY 模式：由于频率低/偏置较小/通道数较少，功耗比 DPHY 模式低约 10-30%
  4. 由高通公司提供

C-PHY/D-PHY组合已经在多个使用案例、许多不同的供应商和许多不同类型的产品中得到广泛采用，包括相机（索尼、OVT和其他）、显示器（与大多数主要DDIC公司完成互操作性测试）。该生态系统得到了广泛参与的支持，包括IP（Mixel）、AP/SOC（Snapdragon等）、测试仪（Keysight、Tektronix、Introspect、The Moving Pixel Company）和共模滤波器（Murata、Panasonic、TDK）。

然而，C-PHY的更高的性能并不是免费的；C-PHY带来了一些挑战，包括需要针对不同数据速率范围进行编程的独特 CDR、引入编码抖动的多级信号传输以及使 PCB 设计复杂化的独特的基于 trio 的信号传输。

总之，MIPI C-PHY是一个更复杂、更强大、更高效的PHY，而C-PHY/D-PHY组合在各方面更是如此。Mixel 创建并经过硅验证的双模 MIPI D-PHY/MIPI C-PHY，实现了两个 PHY 之间的平滑过渡。 Mixel的双模MIPI D-PHY/MIPI C-PHY共享所有的通用模块，从而减少了面积，并降低了功率/Gbps。它具有MIPI C-PHY PPA改进的优点，同时保持与MIPI D-PHY的兼容性，并使用相同的串行接口引脚。此外，MIPI C-PHY/MIPI D-PHY组合已经在多个节点和代工厂进行了硅验证，并且已经被许多一级SOC、传感器和显示器供应商集成到几个终端产品中。自其首次亮相以来，我们看到MIPI C-PHY/MIPI D-PHY组合在各种应用中对摄像头和显示器的吸引力不断增强，包括移动和移动邻近应用，如VR/AR/MR、汽车、物联网等。

References:

To learn more about Mixel’s silicon-proven IP, please visit mixel.com/ip-cores or Mixel’s contact page.