作者：Flavius Luntra?u，高級工程師

摘要

本文深入介紹GMSL™技術，重點說明用于視頻數據傳輸的像素模式和隧道模式之間的差異。文章將闡明這兩種模式之間的主要區別，并探討成功實施需要注意的具體事項。

GMSL概覽

千兆多媒體串行鏈路(GMSL)是ADI公司專有的SERDES技術，旨在通過單根同軸電纜或兩根屏蔽雙絞線(STP)電纜實現遠距離高速視頻數據傳輸。GMSL最初是為汽車應用開發的，抗電磁干擾(EMI)能力強，并支持使用更輕的線束。但現在，它也被廣泛應用于工業、農業、醫療等眾多其他領域。

目前有三代GMSL可用：即GMSL1、GMSL2和GMSL3。深入詳細地探討這三者之間的差異不屬于本文的討論范圍。不過，為了更好地理解本文的內容，我們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于GMSL1代。

· 雖然完整的GMSL產品組合支持多種類型視頻接口（并行、攝像頭串行接口2 (CSI-2®)、HDMI®、oLDI等）之間的視頻數據傳輸，但本文闡述的內容僅適用于支持CSI-2的GMSL器件。

圖1為支持GMSL的基本網絡的示例。SERDES位于視頻源和視頻接收設備之間，這樣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。

圖1.支持GMSL的點對點連接。

視頻源可以是傳感器或處理器，而視頻接收設備可以是顯示器或其他處理器。

橋接視頻接口：CSI-2

CSI-2是移動行業處理器接口(MIPI)聯盟制定的一種高速視頻接口標準。它可用于汽車、手機、無人機、機器人等眾多領域。通常，CSI-2視頻源是各種傳感器，例如成像器、雷達、LIDAR等，而視頻接收設備是處理器、片上系統(SoC)、微控制器等。

CSI-2是一種協議規范，它定義了圖像數據如何格式化、接收和發送，并使用D-PHY™或C-PHY™作為硬件層。這兩種硬件層是MIPI聯盟定義的不同物理層接口，描述了高速數據傳輸所需的電氣特性、信號完整性和時序特性。

簡而言之：

· 相較于D-PHY，C-PHY可以支持更高帶寬的應用。每種PHY使用不同的數據和時鐘通道拓撲，因此對布局的考量也不同。

· CSI-2數據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信息，其作用是讓接收器知道準備接收什么類型的數據。

-有效載荷包含需要傳輸的主要信息。

-尾部通過CRC校驗和來保護有效載荷信息。

SERDES視頻數據傳輸

在GMSL系統中，CSI-2數據包由串行器接收，將其編碼為GMSL數據包格式，再通過電纜傳送到配對的解串器，由解串器將視頻解包，并將CSI-2信息發送到本地處理器。

隨著GMSL CSI-2器件的演進，出現了兩種不同的視頻數據傳輸模式。雖然兩種模式都能確保視頻內容通過GMSL鏈路安全可靠地傳輸，但其各自的特點也應予以考慮。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，它是在第一批GMSL2產品中引入的。如圖2所示，在此模式下，傳入的CSI-2數據包包頭和尾部被移除，數據有效載荷轉換為像素格式，以便通過GMSL鏈路發送。CSI-2格式與像素格式之間的轉換在串行器中完成，而在鏈路的另一端，解串器會重建CSI-2結構，并將新的包頭和尾部添加到結構中。

圖2.像素模式傳輸（簡化版）。

隧道模式則是將整個CSI-2數據結構重新打包，如圖3所示。因此，隧道模式有時被稱為CSI-2轉發，它不支持任何基于像素的處理。

圖3.隧道模式傳輸（簡化版）。

不同的GMSL器件可能支持一種或兩種傳輸模式，詳細信息請參閱相應的數據手冊。

為使GMSL鏈路成功運行，系統必須支持串行器和解串器，并統一配置為像素模式或隧道模式。如果串行器和解串器之間的模式不匹配，將無法傳輸視頻數據。GMSL器件支持的其他外設接口或協議（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

在實施基于GMSL的系統時，系統設計人員需要根據采用的是像素模式還是隧道模式關注幾項特性。本節將重點介紹其中一些特性。

所有這些特性都與CSI-2數據包結構本身，以及CSI-2包頭和尾部中可找到的信息類型密切相關。

數據完整性

GMSL通信受其自身的校驗和算法保護。除了該算法之外，CSI-2協議還會計算數據有效載荷字節的16位CRC，并將此信息存儲在數據包尾部中。該校驗和中不包括包頭信息。

圖4.像素模式下的視頻數據完整性。

在隧道模式下，來自傳感器的原始CRC會通過鏈路一直發送到處理器，使得數據完整性進一步增強。如圖5所示，在串行器和解串器之間仍然存在GMSL CRC，使得冗余度更高。

此外，在隧道模式下，解串器還支持內聯CRC校驗，因而能夠驗證并選擇性地糾正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。這樣，系統可以在SoC進行數據采集之前，更快地發現錯誤。

圖5.隧道模式下的視頻數據完整性。

在像素模式和隧道模式下，均可使用內部前向糾錯(FEC)功能進一步提升串行器和解串器之間的數據完整性。

聚合

在GMSL中，聚合是指將多個視頻流合并為單個輸出的功能，通過這種方式可以更優化地利用視頻接收設備的輸入引腳。1圖6顯示了使用兩個單輸入MAX96717 串行器和一個雙輸入MAX96716A 解串器實現聚合的示例。

圖6.使用匹配傳輸模式實現兩個視頻源之間的聚合。

每個GMSL端口的傳輸模式都是單獨配置的。在圖6中，串行器和解串器的輸入端口都必須配置為以像素模式或隧道模式運行。只有采用同一傳輸模式的視頻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）不支持聚合。在這種情況下，視頻流必須使用不同的解串器輸出端口，如圖7所示。

圖7.像素/隧道混合模式用例。

MIPI物理層

MIPI轉換

此外，將來自兩個或更多傳感器的多個視頻流合并到單個MIPI端口時，可能會出現另一個問題：組合視頻數據可能會超過D-PHY的10 Gbps限制。為了突破這一瓶頸，并避免對架構設計施加太多限制，通過視頻鏈進行D-PHY至C-PHY的轉換是理想方案。

在像素模式下，從視頻源到接收設備的傳輸過程中，只有CSI-2數據有效載荷保持不變，并且對于兩種物理層，其結構相同。這意味著，使用GMSL技術，在像素模式下，接收設備和視頻源無需考慮對方使用何種類型的PHY。由于PHY數據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，然后由解串器重新組裝為C-PHY，有效載荷信息不會受到影響。

隧道模式本身不具備此功能；因此，該模式不支持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，其支持多達四個CSI-2端口，物理層可以使用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，而不影響數據完整性。

虛擬通道管理

虛擬通道是分配給CSI-2數據包的標簽，用于識別每個數據有效載荷。在使用聚合的應用中，標簽會變得更加重要，因為接收端需要對多個傳入流進行解復用并將其相互區分。此類標簽位于CSI-2數據包的包頭段內。

因此，在像素模式下，可以對GMSL器件進行自定義虛擬通道重新分配。另一方面，并非支持隧道模式的器件都具備這種靈活性。在這種情況下，每個視頻源都需要設置唯一的虛擬通道。

原理圖和布局布線影響

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

GMSL器件可以設置為上電時默認進入像素模式或隧道模式。此默認設置可通過CFG[#]引腳上的預定義電阻分壓器網絡實現，詳見具體器件的數據手冊。根據上電默認配置為像素模式還是隧道模式，這些電阻會有所不同。

無論上電默認配置如何，從一種模式到另一種模式的轉換也可以通過寄存器寫入來實現。

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

結語

了解GMSL技術的兩種模式之間的差異，對于設計穩健的高性能系統至關重要。表1對像素模式和隧道模式支持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靈活性，而隧道模式以損失部分系統靈活性為代價，提升了數據完整性。

表1.像素模式和隧道模式支持的特性

參考文獻

1GMSL2通用用戶指南。ADI公司，2023年12月。

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

作者簡介

Flavius Luntra?u 是ADI公司的高級現場應用工程師，從事汽車視頻連接方面的工作。他在GMSL技術領域擁有三年多的實踐經驗，致力于支持OEM和一級供應商集成先進的攝像頭系統和顯示解決方案。目前專注于與客戶合作、共同開發定制解決方案以及促進創新汽車應用開發來推動GMSL技術取得成功。