嵌入式系統的設計者們正面臨著進退兩難的困境。一方面他們需要降低系統成本。另一方面他們的系統面向使用面相對較窄、小批量的應用，無法發揮出大批量生產的規模效益。大批量的消費類應用市場提供的元件能夠處理類似的任務，而且成本更低，但嵌入式系統設計者們卻無法充分利用這些元件，因為他們的系統可靠性建立在為嵌入式環境優化的高度專用的那些傳統接口之上。這個問題在顯示屏、攝像頭和應用處理器方面最為突出，適用于移動平臺的低成本、MIPI標準元件使用基于D-PHY物理總線的接口，無法與嵌入式系統處理器進行通信，因為后者是通過LVDS、RGB或SPI接口連接顯示屏，以及通過數字并行接口、subLVDS或HiSPi接口連接圖像傳感器。
本文著重討論針對此問題可能的解決方案，并探索嵌入式系統設計者們該如何利用那些大批量消費電子市場的系統設計師們已經在使用的高性價比元件。本文著重探討了一種新的超低密度（ULD）FPGA和相關的參考設計如何創建低成本、高度可配置的橋接解決方案，在嵌入式設計中采用基于D-PHY的MIPI標準外設，為新興應用采用MIPI標準的元件打開新局面。
歷史經驗
二三十前當嵌入式系統設計者們想要降低成本時，他們會使用那個年代的高性價比平臺。通過采用為流行的PC架構開發的標準硬件和軟件，嵌入式系統設計者們在降低成本的同時，獲得了經過上千萬消費電子應用驗證的高可靠性元件。相對于VME、STD和Multibus等復雜、昂貴的嵌入式總線架構，采用外設部件互連標準（PCI）總線的元件和子系統提供了非常有吸引力并且低成本的替代選項。PCI和后來的PCIe總線使得嵌入式開發者們能夠充分利用已有的、易于使用的設計工具和基于熟知的架構之上的開源操作系統。這種策略帶來了很多好處，使得設計者們能夠將低成本傳遞給終端消費者，并且縮短開發周期，更容易滿足產品上市的時間窗口。
PC時代已經一去不返。原有的PC架構已不再是高性價比架構的最佳選擇（圖1），取而代之的是現今的移動計算時代。現在，如果嵌入式系統開發者想要降低系統成本，他們不得不使用如今高速增長、大批量的智能手機和平板電腦市場采用的元件和接口。
圖1：移動設備正逐漸成為主要的計算平臺，將帶來更多類型的應用、更好的用戶體驗以及更快的網絡。
移動和移動相關產品的接口參數
現在市場上絕大多數的智能手機和平板電腦使用的總線和接口是由移動產業處理器接口（MIPI）聯盟定義的。MIPI聯盟成立于2003年，通過為各種移動系統外設，如圖像傳感器、存儲器、顯示屏、RF元件和其他移動平臺上的器件與應用處理器間的標準硬件和軟件接口制定技術規范來推動元件間互連的發展。圖2 展示了典型的移動平臺MIPI標準接口。
顯示屏、攝像頭和應用處理器可能是嵌入式系統設計者們能夠從移動市場中獲益最多的MIPI標準元件。正如圖2 展示的，如今的移動系統設計常常包含使用顯示屏串行接口（DSI）的LCD顯示屏和采用攝像頭串行接口（CSI-2）的攝像頭圖像傳感器。嵌入式系統設計者們面對的主要挑戰是如何構建嵌入式應用中經常使用的成熟接口和移動系統中MIPI聯盟定義的接口間的橋接，以充分利用這些成本更低的移動應用元件。舉個例子，在嵌入式系統市場中，顯示屏通常使用LVDS、RGB或SPI接口，圖像傳感器往往采用數字并行接口、subLVDS或HiSPi接口。絕大多數嵌入式處理器都不提供DSI顯示屏接口。由此可見，設計者們需要嵌入式處理器與DSI顯示屏的橋接。同樣地，嵌入式系統設計團隊如果想要集成用于移動應用市場的低成本圖像傳感器，他們也需要CSI-2接口的橋接。
圖2：由MIPI聯盟定義的移動平臺接口。
D-PHY接口
MIPI CSI-2和DSI接口均基于名為D-PHY的物理層總線協議。D-PHY采用一個差分時鐘和1-4對差分數據線來傳輸數據，D-PHY是一種中心對齊的源同步接口，在時鐘的上下邊沿都有數據傳輸。一個器件作為發送端，另一個器件作為接收端。該總線可以在運行中將差分信號轉換成單端信號。通常差分或高速（HS）模式用于高性能視頻傳輸，而單端低功耗（LP）模式用于傳輸控制數據。
DSI HS接口工作時的電氣特性與200mV共模電壓下的可調節低電壓信號（SLVS）標準器件相同。采用DDR源同步時鐘，以及1-4個接口數據通道。顯示分辨率和刷新率要求越高，就需要更多數據通道和更高的速率。DSI接口在數據通道0上使用LP模式來配置顯示屏的寄存器映射。該映射稱為顯示指令集（DCS）。因此，設計者們在構建DSI接口橋接時，不僅要將視頻或圖像數據映射到HS模式，還需要一套在LP模式下配置顯示屏的機制。請注意這正是DSI和CSI-2接口之間的關鍵區別。CSI-2圖像傳感器采用獨立的I²C總線對圖像傳感器進行編程，而不是采用LP模式。
當今的應用處理器提供了極具吸引力的功能、高度集成和低功耗特性，許多嵌入式系統設計者們由于對原有處理器相關軟件和外設功能的巨大投入，仍無法停止使用原有的處理器。過渡到另一種處理器的軟件開發成本通常太過高昂。
盡管如此，設計人員們仍可采用一些移動產品中使用的低成本元件。舉個例子，考慮到在軟件方面的大量投資無法收回時，我們不難想象將基于微控制器的嵌入式設計過渡到新應用處理器的代價太過高昂以至于無法實現。假設現有的控制器使用CMOS RGB或LVDS flatlink總線連接至LCD顯示屏。設計者們想用低成本的DSI顯示屏替換LCD顯示屏，但這個想法不可行，因為DSI顯示屏使用的是不兼容微控制器現有接口的D-PHY總線（見圖3）。
圖3：嵌入式市場中的許多傳統微控制器不提供兼容MIPI標準的接口。
新的橋接選擇
不久以前，嵌入式設計者們還不得不采用成本相對較高的專用ASIC將低成本的DSI顯示器應用到他們的設計中。在大多數情況下，ASIC的成本太高，開發周期過長，無法支持這樣的設計變動。所以嵌入式設計者們不得不繼續使用更加昂貴的顯示屏。
現在，嵌入式設計者們可以使用基于高度可配置、超低密度FPGA的解決方案來構建D-PHY橋接。舉個例子，萊迪思半導體開發了一系列參考設計，來幫助OEM廠商充分利用MIPI攝像頭、應用處理器和顯示屏元件的低成本優勢。萊迪思最近推出了適用于MIPI攝像頭和顯示屏應用的4個參考設計：用于DSI顯示屏，驅動DSI接收端的MIPI DSI發送橋接；將應用處理器連接至不是為移動應用設計的顯示屏的DSI接收橋接；將應用處理器連接至非CSI-2圖像傳感器的CSI-2發送橋接；將CSI-2圖像傳感器連接至嵌入式ISP的CSI-2接收橋接。使用萊迪思的ULD FPGA，嵌入式設計者們可快速開發可編程的橋接解決方案，能夠針對不同要求做出相應修改。
基于超低密度FPGA的橋接解決方案
讓我們重新審視一下一個嵌入式微控制器采用CMOS RGB或LVDS flatlink總線來連接LCD顯示屏的設計。假設該微控制器擁有CMOS RGB888（24位色彩總線）顯示接口，第一步就是確定該如何對DSI顯示屏的配置寄存器進行編程。通常情況下，微控制器使用I²C總線進行配置。然而，I²C總線無法對顯示屏進行MIPI DSI接口參數的配置。DSI使用低功耗模式下的串行數據通道0來對顯示指令集（DCS）進行操作。在這個情況下，FPGA橋接必須將來自于微控制器的I²C指令轉換為一連串的DCS指令來配置DSI顯示屏。在顯示屏配置完成后，FPGA需要進行設置來接收RGB888接口的數據。如果總線上和顯示屏顯示的分辨率是完全一致的，FPGA就會將并行總線轉換成串行DSI總線。如果分辨率不一致，FPGA將會對圖像進行縮放。在上述情況中，需要為DSI接口配置輸出數據通道。一旦完成上述步驟，FPGA能夠輸出DSI發送接口來驅動DSI顯示器。
如果嵌入式系統設計者們想要在設計中集成低成本CSI-2圖像傳感器，但是該設計中的圖像信號處理器（ISP）只具備CMOS接口，遇到這種情況該怎么辦？之前也提到過，DSI和CSI-2接口間的關鍵區別在于如何映射圖像傳感器寄存器的數據。CSI-2使用獨立的I²C總線來完成這個任務。通過I²C總線可以將圖像傳感器的寄存器配置直接發送到ISP，這個區別簡化了設計者們的任務。這個方案中，CSI-2圖像傳感器數據作為橋接用FPGA的輸入總線，而FPGA將驅動ISP上的CMOS并行總線（請看圖4）。
圖4：基于ULD FPGA的CSI-2圖像傳感器橋接。
相同的CSI-2橋接解決方案可以用來擴展現有嵌入式系統的功能。從3D立體影音到行車記錄儀，越來越多的應用需要多個圖像傳感器。然而，盡管當今市場上常用的主流ISP只具備一個圖像傳感器端口，但它們的性能足以支持兩個傳感器。
使用下方所述的雙傳感器橋接（見圖5），嵌入式設計者們能夠擴展ISP端口配置以支持更多新應用。這個例子描繪了用于行車記錄儀的圖像傳感器橋接：采用兩個攝像頭，一個對準前擋風玻璃，另一個指向司機。該橋接連接至每個圖像傳感器的并行CMOS總線，能夠在上/下、左/右任一配置下輸出兩幅合并的720P圖像。這個例子使用萊迪思1300 LUT MachXO3 FPGA實現，能夠同步和管理兩個圖像傳感器。它輸出ISP或應用處理器能夠接收的CSI-2格式的數據。
圖5：雙傳感器橋接擴展了現有系統功能。
結束語
眾多應用領域的開發人員都希望在不犧牲可靠性的情況下，窮盡各種技術手段將系統成本壓縮到最低，將尺寸和功耗控制到最小。嵌入式系統市場也不例外。與90年代的PC市場十分相似，如今高速增長的MIPI接口智能手機和平板電腦市場為嵌入式設計者們提供了絕佳的機會，只要能夠解決兼容性的問題，就能將各種成本更低且經過驗證的元件集成到電路板上。使用基于ULD FPGA的新一代可編程橋接解決方案，現在嵌入式設計者們能夠克服上述障礙，充分利用MIPI顯示屏、圖像傳感器和應用處理器的優勢來降低系統成本，增強可靠性，同時恰到好處地滿足嵌入式系統的性能和實時性要求。
關于作者
Ted Marena先生擔任萊迪思半導體公司首席技術官辦公室業務發展總監。Marena先生自1991年起加入萊迪思，為許多垂直市場定義了平臺解決方案，適用于消費電子、小型無線蜂窩網絡、CMOS圖像傳感器、顯示屏和汽車等應用。
在加入萊迪思半導體公司之前，Marena先生是Wang Computers公司的一名硬件設計工程師，在此期間他設計了以太網、ISDN、RS232和T1/E1電路板。Marena先生擁有康涅狄格大學（University of Connecticut）的電氣工程理學學士學位以及本特利大學麥卡勒姆商學院（Bentley College’s Elkin B. McCallum Graduate School of Business）的市場營銷碩士學位。