Interfejs MIPI M-PHY od środka

Interfejs MIPI został doskonale przyjęty przez konstruktorów korzystających z mikrokontrolerów, bowiem uprościł pod wieloma względami dołączenie do nich nowoczesnych wyświetlaczy. Interfejs MIPI został użyty w zestawach startowych z mikrokontrolerami STM32F469I-DISCO (fotografia 1), w którym steruje pracą wyświetlacza o przekątnej 4,3 cala (sposób dołączenie modułu do mikrokontrolera pokazano na rysunku 2). W artykule przedstawiamy jeden z elementów tego interfejsu – M-PHY.

Fot. 1. Wygląd zestawu STM32F469I-DISCO z wyświetlaczem LCD sterowanym za pomocą interfejsu MIPI-DSI
Rys. 2. Budowa interfejsu wyświetlacza zastosowanego w zestawie STM32F469I-DISCO

Specyfikacja M-PHY była opracowana przez grupę roboczą MIPI Alliance (Mobile Industry Processor Interface) – organizację firm współpracujących przy tworzeniu tego standardu. Dokument ma na celu rozszerzenie możliwości urządzeń mobilnych poprzez definicję standardu, który zrewolucjonizuje nadchodzące generacje przenośnych urządzeń multimedialnych. Na rynku urządzeń mobilnych wciąż obserwowany jest wzrost liczby urządzeń i zapotrzebowanie na coraz wyższe przepustowości. Grupa MIPI Alliance przedstawiła standard warstwy fizycznej, który sprosta tym wymaganiom i dodatkowo jest w stanie stać się popularnym rozwiązaniem w kilku innych zastosowaniach.

MIPI i M-PHY

Specyfikacja M-PHY jest podstawą wizji MIPI Alliance, która obejmuje nowe i bardziej wydajne interfejsy wysokich szybkości dla urządzeń mobilnych. Członkowie MIPI dostrzegli zapotrzebowanie na interfejs szeregowy, który zaspokoi coraz większą przepustowość wymaganą przez urządzenia mobilne. Obecnie wymagania te rosną na skutek gwałtownej popularyzacji materiałów wideo, komunikacji z mediami społecznościowymi i przetwarzania w chmurze. Urządzenia mobilne muszą pozostać krok przed wymaganiami wyższej szybkości transferu, aby zapewnić użytkownikom natychmiastową reakcję na polecenia zgodnie z ich oczekiwaniami. Dzięki powodzeniu projektu udało się definiować standard M-PHY, który oczekuje na finałową akceptację jako najnowsza specyfikacja MIPI. Interfejs synchroniczny MIPI D-PHY zsynchronizowany z odbiornikiem stanowi zaawansowany sposób komunikacji między procesorem aplikacji a kamerą lub wyświetlaczem urządzenia przenośnego, co należy uznać za sukces.

O ile D-PHY jest interfejsem o dużych możliwościach, jego synchroniczna zasada działania ma swoje ograniczenia szybkości (1 Gbps), które nie pozwalają na obsługę wyższych szybkości transferu. Na rynku istnieje zapotrzebowanie na bardziej wydajną warstwę fizyczną, która pozwala na transfer asynchroniczny z dużą szybkością. Kolejną wymaganą cechą jest integralność sygnałowa w szybkich połączeniach między układami. Problem stanowi też wzrost poziomu interferencji elektromagnetycznych w coraz mniejszych urządzeniach oraz minimalizacja wydzielanej mocy.

Wiele zadań M-PHY

M-PHY potrafi jednocześnie zrealizować wiele zadań. Punktem wyjścia dla standardu było wypełnienie specyfikacji określonej przez grupę MIPI. Specyfikacja obejmowała takie funkcje, jak interfejs kamery CSI, Display Serial (DSI) i Universal Protocol (UniPro). CSI oraz DSI są łatwe do zrozumienia: definiują protokół interfejsów między procesorem aplikacji a kamerą lub wyświetlaczem. Natomiast UniPro to specyfikacja, która opisuje uniwersalny protokół komunikacji między układami, stanowiąc wspólny tunel dla innych protokołów.

Interfejs M-PHY został zaprojektowany jako warstwa fizyczna (PHY) zgodne ze specyfikację UniPro. Specyfikacja M-PHY obejmuje dwie metody przesyłania sygnałów – odtwarzanie zegara na podstawie sygnału lub wykorzystanie wbudowanego zegara. Interfejs może też pracować z niską lub wysoką szybkością. Komunikacja z wysoką szybkością sprawia, że M-PHY jest doskonałym rozwiązaniem motoryzacji – zapewnia wysoką przepustowość i jest opłacalny finansowo.

Pierwszą oznaką sukcesu M-PHY było przyłączenie grupy DigRF Alliance do MIPI. DigRF Alliance ustaliła specyfikację dla układ pracującego w paśmie podstawowym (BBIC) i radiowym (RF) dla platform mobilnych. Nowa specyfikacja opisuje charakterystyki czasowe, elektryczne i logiczne cyfrowego interfejsu między BBIC a RFIC. Wybór warstwy fizycznej padł na M-PHY.

Interfejs M-PHY został uznany przez organizację JEDEC za doskonałą warstwę fizyczną dla uniwersalnej pamięci Flash (UFS). Jest to interfejs wysokiej szybkości, który standaryzuje sposób komunikacji między wieloma różnymi układami pamięci nieulotnej. Są one obecnie rozwijane przez komitet JC-64 ds. modułów pamięci Flash. M-PHY jest zgodny z wymaganiami dotyczącymi warstwy fizycznej.

Kolejny podkomitet J42.6 dostrzegł potencjał M-PHY jako warstwy fizycznej w przyszłych urządzeniach mobilnych.

Gdy specyfikacja M-PHY została ostatecznie zatwierdzona, będzie stanowić warstwę fizyczną zawsze stosowaną razem ze specyfikacją nadrzędnej warstwy MIPI. Jakiekolwiek inne użycie specyfikacji M-PHY jest surowo zabronione, o ile nie uzyska wcześniej akceptacji zarządu MIPI

Charakterystyka M-PHY

M-PHY stanowi połączenie szeregowe. Standard ma za zadanie spełnić następujące wymagania:

  • Niska liczba wyprowadzeń – wszystkie sygnały kontrolne są przesyłane jednym interfejsem
  • Obsługa interfejsów elektrycznych i optycznych przy użyciu konwerterów elektrooptycznych o nieskomplikowanej budowie
  • Specyfikacja elektryczna zgodna z wymaganiami złącz optycznych (swoboda doboru czasów sygnału, kodowanie bez składowej stałej i inne)
  • Optymalizacja pod kątem małych odległości (poniżej 10 cm) i jednoczesna możliwość pracy na większe odległości (metry).Szeroki zakres dopuszczalnych szybkości transferu (10 Mbps – 6 Gbps)
  • Adaptacja zużycia mocy poprzez tryb burst
  • Wiele trybów transmisji, które zapewniają efektywne wykorzystanie energii
  • Wspólne lub osobne zegary referencyjne
  • Niezależność od procesu produkcyjnego
  • Niski poziom emisji elektromagnetycznej
  • Wiele zakresów / szybkości transmisji dla różnych zastosowań, a także w celu ominięcia problemów interferencji
  • Stałe szybkości transmisji w trybie wysokiej szybkości, jednocześnie dostępne tryby niskiej szybkości pozwalające na swobodny wybór szybkości z pewnego zakresu
  • Wiele trybów oszczędzania energii – wymiana poboru mocy na szybkość budzenia
  • Kodowanie 8b/10b – usuwa składową stałą, pozwala na odzyskiwanie zegara i dodatkowe symbole kontrolne na poziomie warstwy fizycznej oraz protokołu
  • Możliwości konfiguracji w celu obniżenia kosztów i zapewnienia najwyższej wydajności.

Ponieważ celem M-PHY jest zastąpienie D-PHY w zastosowaniach wymagających wyższej przepustowości, projektanci systemów będą mogli wybrać jeden z fizycznych interfejsów. W tabeli 1 zostały wymienione różnice między D-PHY oraz M-PHY. Na fotografii 3 przedstawiono umieszczenie podsystemów kamery i wyświetlacza korzystających z łącz ZD-PHY lub M-PHY.

Tab. 1. Porównanie MIPI D-PHY oraz M-PHY

Fot. 3. Przekrój telefonu komórkowego pokazujący połączenia między procesorem a podsystemem kamery i wyświetlacza. Połączenia można zrealizować jako D-PHY lub M-PHY

Opis techniczny

Podstawowa architektura M-PHY została pokazana na rysunku 4. Każde łącze (LINK) składa się z dwóch elementów (SUBLINK), które z kolei zawierają jedną lub więcej linii (LANE). Linia jest jednokierunkowy, szeregowym, różnicowym kanałem (LINE) między wyprowadzeniami (PIN) i łączy nadajnik oraz odbiornik M-PHY. SUBLINK zawiera linie przesyłające dane w tym samym kierunku. Natomiast łącze zawiera dwa elementy SUBLINK przesyłające dane w przeciwnych kierunkach. Taka praca interfejsu jest zgodna z definicjami protokołów DSI, CSI, UniPro oraz DigRF, które zarządzają liniami (LANE).

Rys. 4. Architektura łącza M-PHY zawierająca elementy LINE, LATE i SUBLINK, jak również układy zarządzające liniami (LANE). Źródło: MIPI Alliance

Istnieją dwa zasadniczo różne rodzaje interfejsów M-PHY oznaczone jako „Type I” i „Type II” w zależności od rodzaju użytego sygnały. Typ I wykorzystuje modulację szerokości impulsu (PWM), natomiast typ II używa kodowania NRZ zsynchronizowanego z zegarem systemowym. Typ II wymaga zegara referencyjnego współdzielonego przez nadajnik i odbiornik. Typ I może pracować z niezależnym lokalnym zegarem referencyjnym na obu końcach łącza. Typu I oraz II nie mogą pracować łącznie, ale możliwe są implementacje obsługujące obie wersje  w celu zwiększenia funkcjonalności urządzenia. Dzięki temu jedna specyfikacja M-PHY może służyć do wielu zastosowań i połączeń w urządzeniu mobilnym. Dwa tryby są przedstawione na rysunku 5.

Rys. 5. Architektury zegara M-PHY typu I oraz typu II (Źródło: MIPI Alliance)

Dla sygnałów PWM (typ I) jest dostępnych wiele szybkości („biegów” – GEAR), które obejmują różne prędkości transmisji. Domyślną szybkością dla typu I jest PWM-G1 w zakresie od 3 do 9 Mbps. W sumie do wyboru jest 6 szybkości, z których każda kolejna ma dwa razy wyższą wartość (PWM-G2 do G7) oraz jedna szybkość poniżej ustawienia domyślnego (PWM-G0).

Architektura i metoda modulacji GEAR pozwala M-PHY dostosować się do wymaganej przepustowości i poziomu wydzielanej mocy. Interfejs M-PHY może również obsługiwać tryb wysokiej szybkości (HS-MODE). Tryb wysokiej szybkości obejmuje domyślną szybkość (HS-G1) oraz dwie kolejne szybkości o dwukrotnie wyższej wartości (HS-G2 oraz HS-G3).

Użycie dowolnej szybkości oznacza, że wszystkie niższe szybkości także muszą być obsługiwane. Przykładowo, nie można dopuszczać pracy wyłącznie w trybie HS-G3. Każda szybkość ma do dyspozycji dwie przepustowości (baud rate) w celu uniknięcie interferencji elektromagnetycznych. Na przykład szybkość HS-G1 ma do dyspozycji przepustowości 1,25 Gbps oraz 1,45 Gbps. Jest to szczególnie użyteczne podczas sprzedawania jednego modelu w dwóch rejonach geograficznych, w których stosowane są różne zakresy pasma podstawowego. Jeśli w jakimś regionie interferencje w jednym paśmie są szczególnie uciążliwe, możliwy jest wybór drugiego pasma. Szybkości G2 oraz G3 oznaczają odpowiednio przepustowość 2,5 oraz 5 Gbps. Typ II wykorzystuje współdzielony zegar referencyjny i nie wymaga odzyskiwania zegara. Dzięki wielu możliwym architekturom i systemom zegara specyfikacja M-PHY pozwala na tworzenie bardzo wszechstronnych warstw fizycznych, które mogą spełniać wymagania wielu różnych łącz. Standard M-PHY jest w pełni określony i gotowy do implementacji w układach scalonych. Standard spełnia wymagania na szybkość i moc nowej generacji urządzeń przenośnych.

Zastosowanie w praktyce

Motywacja do utworzenia bardziej wydajnej warstwy fizycznej nie było wyłącznie dodanie funkcjonalności, ale też poprawa niezawodności urządzeń przenośnych. Połączenie dwóch części telefonu z klapką wymaga łącza elastycznego, odpornego na zniekształcenia mechaniczne. Jednocześnie potrzebna jest odpowiednia przepustowość wymagana przez aplikacje i wysoka jakość odbieranego sygnału. Co więcej, warstwa fizyczna musi wydzielać jak najmniejszą moc i nie powodować silnych interferencji elektromagnetycznych. Dawniej stosowało się miedziane przewody o przekroju poniżej 1 mm. Przez połączenie powinna przechodzić jak najmniejsza liczba przewodów, aby zapewnić wysoką integralność sygnału bez ograniczania projektu telefonu. Z tego powodu preferowane są interfejsy szeregowe wysokich szybkości.

Łącza optyczne zapewniają trwałość i elastyczność przewodu, a także odporność na zakłócenia i interferencje elektromagnetyczne. Niektóre urządzenia mobilne maja duże mechaniczne zawiasy, które zapewniają kontrolę nad pochyleniem wyświetlacza. Jest to istotne w przypadku małych rozmiarów wyświetlaczy, pozwala też zmniejszyć obciążenie oczu i szyi. Przykładowy mechanizm obrotu w dwóch osiach został pokazany na fotografii 6. Pierwsza oś działa jak klapka telefonu, natomiast druga pozwala na dostosowanie kąta wyświetlacza.

Fot. 6. Zaawansowane urządzenia przenośne mają elementy ruchome, które powodują mechaniczne obciążenie łącza między procesorem a wyświetlaczem

Wymagana przepustowość i podatność zawiasów na uszkodzenia mechaniczne ogranicza liczbę przewodów miedzianych, które mogą się w nich znajdować oraz rodzaj używanych materiałów.

Łącza optyczne pozwalają ominąć ten problem i odseparować architekturę systemu od kształtu urządzenia. Dzięki temu mogą stanowić wspólną platformę dla różnych modeli, niezależnie od obecności zawiasów, parametrów fizycznych i funkcjonalności. Dawniej elementy optyczne były uważane za dodatkowy nakład kosztów i mocy. W dużym stopniu jest to prawda, ponieważ w przenośnych urządzeniach użytkowych nie do zaakceptowania są dodatkowe koszty elementów oraz zwiększenie poboru mocy. Jednak wraz z serializacją i uzyskanym w ten sposób zwiększeniem przepustowości (ok. 3 Gbps) przewody miedziane stają się porównywalne pod względem kosztów. Nie mają przy tym zalet układów optycznych. Wraz ze wzrostem przepustowości rozwiązania optyczne stają się bardziej korzystne pod względem ceny i zużycia mocy w przeliczeniu na gigabit. Jest to rozwiązanie przyszłościowe, podczas gdy miedź najpewniej osiągnie kres swoich ograniczeń. Warto również uwzględnić wpływ popularyzacji warstwy fizycznej wykorzystującej układy optyczne na ceny. Obecnie producenci układów optycznych wytwarzają względnie niewielkie liczby elementów, wykorzystanie ich w masowej produkcji urządzeń użytkowych może prowadzić do obniżenia ceny jednostkowej.

Grupa robocza MIPI PHY zasugerowała użycie medium optycznego w celu rozwiązania wymienionych problemów. Powstała podgrupa odpowiedzialna za optykę, która zaproponowała optyczny konwerter mediów (Optical Media Converter, OMC). Konwertuje on sygnały po stronie  nadajnika M-PHY (M-TX) na sygnały optyczne (świetlne), przesyła je przez medium, takie jak plastikowy światłowód (POF) i przetwarza je z powrotem na postać elektryczną po stronie odbiornika (M-RX). OMC w takim ujęciu stanowi nierozerwalną całość złożoną z nadajnika optycznego (O-TX) i odbiornika (O-RX) z odpowiednimi układami fotonicznymi oraz ze światłowodu. Ponieważ OMC jest jednym modułem, sam zapewnia współpracę między modułami optycznymi. Z tego powodu domena optyczna nie znalazła się w specyfikacji MIPI. Takie moduły są często spotykane w systemach komunikacji optycznej wysokich szybkości, takich jak SONET/SDH oraz jako część Ethernetu zgodnie ze standardem IEEE, Fiber Channel i OIF-CEI. Moduł i jego połączenia elektryczne zostały przedstawione na rysunku 7.

Rys. 7. Moduł konwertera optycznego MIPI określa elektrooptyczny interfejs dla urządzeń przenośnych

Gdy wydajne urządzenia rejestrujące i odtwarzające obraz wydzielają dużo ciepła, może to prowadzić do nieakceptowalnego przesunięcia poziomu masy pomiędzy końcami tradycyjnego przewodu miedzianego. W takiej sytuacji łącze optyczne jest jeszcze bardziej pożądane.

Zarówno dla przewodu miedzianego i optycznego specyfikacja M-PHY opisuje funkcjonalna architekturę, która pozwala na realizację transmisji z dużą szybkością przy minimalnym koszcie i poborze mocy. Zoptymalizowany interfejs komunikacji między układami M-PHY pozwala na realizację transmisji wideo wysokiej jakości.

Finalizacja projektu

Ostatnim niezbędnym krokiem do wprowadzenia specyfikacji M-PHY jest środowisko współpracujących przedsiębiorstw, które są w stanie zaprojektować, przetestować i zademonstrować współpracę układów M-PHY, a następnie wprowadzić gotowe produkty na rynek. Współpraca dostawców, którzy mogą zrealizować te zadania, jest końcowym etapem projektu realizowanego przez MIPI Alliance. Ponieważ M-PHY jest wyjątkowym rozwiązaniem, które pozwala na realizację wielu architektur i systemów, różni się ono od takich standardów, jak PCI Express, SATA czy DDR. Wprowadzenie jednego gotowego układu na rynek nie będzie zadowalające. Potencjalnie M-PHY stanowi rozwiązanie, które może zapewnić optymalny wybór pod względem mocy, zajmowanej powierzchni kosztu w wielu różnych zastosowaniach. Sukces adaptacji MIPI opiera się na dostarczeniu oferty, która obejmuje wielofunkcyjne układy, które można dobrać w zależności od zastosowania w celu obniżenia kosztów.

Firma Mixel Inc. Przedstawiła już jednego ze swych klientów, którym jest japońska firma Graphin. Obie firmy planują rozwijać środowisko M-PHY dzięki układowi scalonemu Golden M-PHY. Będzie on używany w systemach testowych Graphin. Ten sam układ będzie mógł też służyć do testów współpracy urządzeń w ramach środowiska M-PHY. Mixel współpracuje również z brytyjskim Nanotech Semiconductor. Firma ta kieruje grupą odpowiedzialna za warstwę optyczną. Mixel pracuje nad stworzeniem wydajnych, niewielkich układów MIPI, które pozwolą zrealizować różne konfiguracje systemów M-PHY.

George Brocklehurs