Granite River Labs, GRL
陳明忠 Allen Chen
隨著數位傳輸技術快速發展，手持式裝置在人們的日常生活中已成為不可或缺的標準配備，在消費市場大量需求的驅動力之下，各種應用於手持式裝置上的高速傳輸技術也被快速的推動著；MIPI（Mobile Industry Processor Interface）就是在這樣的需求下應運而生的，MIPI是一種可用於手持式裝置應用處理器上的溝通介面，舉例來說，我們每天都會使用的手機相機功能，就是透過MIPI C / D-PHY的CSI協議與手機應用處理器進行溝通，進而讓使用者可以透過手機上的相機功能來進行拍照。
（圖片來源：https://www.mipi.org/about-us）
對於數位界面的測試而言，大多數的測試都有所謂的測試規範（CTS, Compliance Test Specification）來明確定義測試的條件、方法與項目，MIPI當然也不例外，不過MIPI比較特別的地方是，這份由MIPI聯盟制定的測試文件是一份規格符合性測試文件（Conformance Test Suit, CTS）或者可以稱為一致性測試文件，與規範合格性測試（Compliance Test Suit, CTS）就性質上來說是不同的；符合性測試大多都可依照測試文件自己進行測試，而規範合格性測試則需依照所謂的認證程序，在經過一定的認證程序、且產品通過認證測試後，就可以將產品的相關訊息列在規範制訂組織的網站上，現行DisplayPort（簡稱DP）就是屬於規範合格性測試的範疇。
目前最新的MIPI D-PHY規範版本為2021年7月發佈的版本3.0，其通道速率由4.5 Gbps提升到9.0Gbps，D-PHY最新的CTS版本為2.1，是在2018年12月發佈；MIPI D-PHY是基於時脈通道與資料通道為基礎的一個主從式架構，用於同步的時脈信號是由通道上的源設備發送，如圖2的功能方塊圖所示，可知MIPI D-PHY的最基本配置為單一個時脈與數據通道，一共為4條訊號線，每個正負信號都可以獨立控制，D-PHY在數據通道上分成兩種工作模式，其細節可參考GRL另一篇技術文章：MIPI D-PHY Overview。本文會著重於MIPI C-PHY之介紹。
現行MIPI C-PHY規範版本為2.1，是在2021年的7月發佈，相較於過去的版本在通道速率由原本的3.5Gsps提升到6.0Gsps，而其最新的CTS版本為2.0，是在2020年4月發佈的。接下來說明MIPI C-PHY的架構，MIPI C-PHY的高速傳輸通道是以三線式組成的主從式架構（圖2），從方塊圖可以看到C-PHY並沒有時脈通道，而其傳送模式是跟D-PHY一樣有兩種，分別為低功率（Low Power, LP）模式與高速（High Speed, HS）模式，低功率模式主要是用於介面控制信號的傳送，但也可以用於低速資料數據傳送；而高速傳輸模式利用3相位編碼的方式將通道資料以16比特編碼成7種不同的symbols，以5個不同值的方式呈現，其編碼增益為2.28，即每個symbol可以2.28個比特來表示。
如同D-PHY，C-PHY的資料傳送機制是透過協議層溝通完成，各別通道資料傳輸啟動與終止可以是獨立的，但就應用層面上來說，多數資料傳輸的啟動是同步的，但是終止則可以分開，這是因為C-PHY在處理資料傳送位元組不是等分的，傳輸通道同樣可以在定義的資料速率上有彈性的選擇進行資料傳送，最高可以單一通道傳送6Gsps的資料速率，另外由於C-PHY與D-PHY在特性上是類似的，因此在設計上是可以共存在同一傳輸通道上。
圖2: MIPI C-PHY Block Diagram
（圖片來源：MIPI Specification for C-PHY Version 2.1）
MIPI C-PHY的高速傳輸依據三相信令運作（Three-phase coding）原理，運作原理請參考圖3，先從傳送端到接收端資料傳送的過程來說明C-PHY字節與通道狀態的關係，C-PHY的高速資料傳送首先是將16比特的資料字節透過16比特到7個字符（Symbol）轉換模塊機制轉換，每個字符以3個比特來表示，因此內部形成一個21比特寬度的資料，再透過序列轉串列的方式排成3比特的資料寬度以利於3線資料的處理，接下來再透過符號編碼成3線碼型（VA, VB, VC）輸出，實體傳輸線上會將實際上使用的6個線狀態（5個線狀態轉換）以三相編碼的方式來表示，如圖4所示，這是由於需要傳送16比特的資料而採用的資料傳輸編碼，當接收端收到後，會以同樣的方式將線狀態解碼出16比特的資料，這裡我們說明一下字符編碼模塊接收的3比特資料代表的意義，這3個比特的資料將決定下個線狀態轉換的結果，其中FLIP比特位是指僅正負狀態改變而線狀態不變，Rotation比特位代表線狀態轉換的方向為順時鐘或是逆時鐘，最後的極性比特位會決定下個線狀態的正負極性。
（圖片來源：MIPI Specification for C-PHY Version 2.1）
圖4: MIPI C-PHY Six Wire States
（圖片來源：MIPI Specification for C-PHY Version 2.1）
如果與D-PHY做個比較的話，C-PHY的運作樣貌與D-PHY是非常相似的，舉個例子來說，D-PHY的通道傳輸狀態轉換會運用LP-00、LP-01與LP-11這三個低速訊號狀態來進行，同樣的C-PHY也有類似的運作機制，C-PHY會透過通道上低速狀態信號LP-111、LP-001、LP-000的切換來達成通道傳輸模式的轉換，同樣的從高速切換到低功率模式也是類似，只是C-PHY是基於3線架構，唯一比較大的差異是在高速傳輸時通道上的資料呈現方式，如下圖，我們可以由圖上的比較看出D-PHY與C-PHY通道傳輸不同的地方。
（圖片來源：MIPI Specification for C-PHY Version 2.1）
C-PHY的量測環境與接法則是透過示波器探棒將通道上三線碼型輸出（VA, VB, VC）訊號進行量測，其高速傳輸模式量測結果如圖6。
（圖片來源：Keysight Technologies）
綜合以上的介紹，MIPI C-PHY 在編碼上較為複雜且通道利用率較高。同樣的在規範設計上MIPI D-PHY與C-PHY都具備低功耗、高效能與有效的抗電磁干擾能力，展望未來，我們能預見MIPI C-PHY與MIPI D-PHY在手持式裝置應用上的快速發展。
參考文獻
作者
GRL 台灣技術總監 陳明忠 Allen Chen
在ITRI , Sunplus, XinzeDigital等公司擁有15年以上的研發工作經驗，擅長領域包含：IP Verification、SI/PI Simulation、Mipi、HDMI、DisplayPort、DDR等技術及規範研究
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發佈日期 2022/03/14 AN-220314-TW