MIPI接口：（4）MIPI CSI-2协议详解（上）

1. 什么是CSI？

CSI（Camera Serial Interface）是MIPI联盟早期制定的摄像头接口标准，主要用于连接摄像头和处理器。

CSI-2是CSI的第二代版本，在原有基础上进行了全面优化：

（1）分层架构：CSI-2明确将协议分为应用层、协议层和物理层，并新增了“虚拟通道”功能，可支持多个摄像头通过同一物理链路传输数据。

（2）数据包机制：CSI-2定义了长包（Long Packet）和短包（Short Packet）两种格式。长包用于传输图像数据，短包用于同步信号（如帧开始、行结束等控制指令），而CSI仅支持单一数据格式。

2. CSI-2 Layer

类似于大家熟知的以太网协议，都是一层一层打包。分为三层：应用层（Application）、协议层（Protocol Layer）和物理层（PHY Layer）。下图中的Transmitter一般指摄像头模块，Receiver一般指处理摄像头数据的芯片（例如手机SoC）。

Figure 1. CSI-2 Layer

2.1 物理层

物理层是MIPI联盟定义的PHY规范。定义了传输媒介（如电导体）、输入/输出电路，以及时钟机制，用于从串行数据流中准确捕获“0”和“1”。

（1） 它规定了传输的线路、电路参数、时钟同步机制等，保证数据不会乱；

（2） 定义了信号的“开始”和“结束”规则，确保数据有序传输。

2.2 协议层

在发射端，协议层的作用就是给数据加上Header和数据校验信息。

在接收端，协议层就是解析头部，然后交给对应的逻辑处理，同时进行错误检测，确保数据完整性和正确性。

（1）Pixel/Byte Packing/Unpacking Layer（像素/字节打包 & 解包层）

TX：这一层的作用就是将不同像素格式pixels（支持6bits-24bits）打包成字节（8bits），传到下一层Low Level Protocal.

RX：将从Low Level Protocol接收到字节解包成pixels，传到上一层Application。

（2）Low Level Protocol（低级协议层，LLP）

保证数据在SoT到EoT之间是按字节和按位同步。传输的最小单位为1Byte。

管理大小端Endian。

（3）Lane Management（通道管理层）

在这一层，CSI-2是可扩展的（Lane-scalable），可以根据带宽需要选择传输通道的数目（1~4）。

TX：如果选择了多通道，在发射端需要将数据分配到各个通道进行并行传输。

RX：从多个通道接收数据，还原成原始数据流。

2.3 应用层

应用层主要负责higher-level的数据编码和数据解析，用于处理数据流中的信息。

3. CCI

CCI（Camera Control Interface）是一个双线、双向、半双工的串行接口。

CCI用于控制CSI-2发送端（摄像头）。

在CSI-2中，接收端（处理器）是CCI Master，发送端（摄像头）是CCI Slave。

CCI相当于摄像头的控制器，用来让手机SoC控制摄像头的参数，比如分辨率、帧率、曝光等。

CCI基于I2C（Fast Mode 400KHz，7bit地址寻址），但是不支持Multi-Master Mode。例如，一个手机有前后两个摄像头，一个CCI可以连接这两个摄像头（CCI slave），但是只有一个Master（手机处理器）。

通俗理解，CSI-2用来传照片，CCI用来调整相机参数。

4. Multi-Lane Distribution and Merging

Multi-Lane Distribution时，可能会发生需要传输的总字节数不能被Lane数量整除。所有通道是同时发送，所以会存在部分通道提前结束的情况。每个 D-PHY 数据 Lane 独立工作，不受其他 Lane 影响。

Figure 2. Two Lane Multi-Lane Example

5. Low Level Protocol

LLP有两种数据包：长包（Long Packet）和短包（Short Packet）。

每个数据包开始，设备先从LP模式切换到HS模式，然后发送ST。结束时发现ET序列，回到LP模式。

Figure 3.  Low Level Protocol

6. Long Packet长包

Figure 4. Long Packet Structure

从上图可以得知：

（1）一个Long Packet由PH（Packet Header）、Data Payload和PF（Packet Footer）组成；

（2）PH进一步由DI、WC和ECC组成。

DI：定义虚拟通道（Virtual Channel, VC）和数据类型（Date Type, DT）。

WC（Word Count）：字数计数。解析完PH后，接收端会读取Word Count x 8bit的数据。在读取数据时，不会检查同步码（Sync Code）。即内容可以任意值。

ECC：8bit纠错码。用于检测和修正包头中的错误。能够纠正1-bit错误，检测2-bit错误。

PF包含16bit校验码，用于检查数据包是否正确传输。

Date Type（DT）：0x10~0x37代表不同的数据格式，具体如下表所示：

上表中，前2行表示的短包数据类型，后面6行表示的是长包数据类型。

短包数据类型格式展开如下表所示：

6.1 数据传输顺序

每个字节按照最低有效位（LSB）优先传输。

多字节数据按照最低有效字节优先传输。

6.2 包解析流程

（1）读取SoT，进行数据包解析；

（2）解析Packet Header，获得DI、Word Count和ECC;

（3）根据Word Count，读取Data Payload;

（4）读取Packet Footer并检查checksum是否正确；

（5）解析完后，等待EoT。然后继续等待下一个SoT处理下一个数据包。

7. Short Packet短包

Short Packe仅包含PH包头，没有包尾，没有Data Payload。包头中的WC字段会被“短包数据字段“替换。包头依然包含了8bit ECC，可以纠正1bit错误，检测2bit错误，确保数据的正确性。

从下图可以发现短包信息量相比长包很小，但是很关键，短包的作用如下：

（1） 帧同步数据（Frame Synchronization Data Type）：代表帧号（Frame Number）；

（2） 行同步数据（Line Synchronization Data Type）：代表行号（Line Number）；

（3） 通用短包数据（Generic Short Packet Data Type）：用户自定义，可以存放任意内容。

Figure 5. Short Packet Structure 

Data ID由VC和DT两部分组成，如下图所示。VC位于高2bit，DT为低6bit。

Figure 5. Data Identifier Byte

VC的作用是在同一个数据流中提供多个独立数据通道，支持不同的数据流交错传输。接收端会检测VC号，并将交错的视频流正确拆分到对应的通道。由于VC 2bit，所以最多支持4个独立数据流，即有效的虚拟通道编号为0到3。

外设中的VC标识符应支持可编程配置，这样Host Processor就可以控制数据流的解复用方式。

Figure 6. Logical Channel Block Diagram 

7.1 通用短包数据格式

传递额外的控制或者时间信息：

（1） 控制相机快门的开启、关闭；

（2） 触发闪光灯；

（3） 其他特定应用需要的同步信号。