數位傳輸技術快速發展，手持式裝置也成為人們日常生活中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的高速傳輸技術也被快速地推動著，行動產業處理器介面(MIPI)就是在這樣的需求下應運而生的。MIPI的全名為Mobile Industry Processor Interface，是由MIPI聯盟發起的專為行動產業處理器所制定的開放標準。
MIPI是一種可用於手持式裝置(如智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦和混合裝置)應用處理器上的溝通介面。舉例來說，每天都會使用的手機相機功能，就是透過MIPI C-PHY或MIPI D-PHY的CSI協定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。
MIPI聯盟於2003年由美國德州儀器(TI)、意法半導體(ST)、芬蘭諾基亞(Nokia)以及英國安謀(Arm)等公司共同成立。MIPI聯盟為開放的會員制組織，所有手機行業內的公司(包含手機裝置製造商、系統供應商、軟體廠商、半導體廠商等公司)皆可加入。MIPI聯盟主要目的在於推進手機內部硬體和軟體介面的標準化，提供全面的規範組合，用於連接行動裝置中的晶片組和周邊裝置，因此手持式裝置製造商能使用這些規範來優化性能、簡化設計過程、降低開發成本、創造規模經濟並縮短產品的上市時間。
MIPI一致性測試與最新規範
在正式進入MIPI的種類與規格之前，先介紹一下一致性測試與合規性測試。
對於數位介面的測試而言，大多數的測試都有所謂的測試規範(Compliance Test Specification, CTS)來明確定義測試條件、方法與項目，MIPI當然也不例外。只不過比較特別的地方是，這份由MIPI聯盟制定的測試文件是一份規格一致性測試(Conformance Test Suit)文件或者可以稱為一致性測試文件，雖然縮寫都是CTS，但與合規性測試(Compliance Test Suit)是不一樣的。一致性測試大多可依照測試文件自行實施測試，而合規性測試則須依照所謂的認證程序，在經過一定的認證流程且產品通過認證測試後，才可以將產品的相關資訊列在規範制定組織的網站上，現行DP(DisplayPort)就是屬於合規性測試的範疇。
目前最新的MIPI D-PHY規範版本為2021年7月發布的版本3.0，其通道速率由4.5Gbps提升到9.0Gbps，最新的測試規範版本則為2018年12月發布的版本2.1；而MIPI C-PHY規範版本為2021年7月發布的版本2.1，相較於過去的版本，通道速率由原本的3.5Gsps提升到6.0Gsps，而其最新的測試規範則為2020年4月發布的版本2.0。
六種MIPI介面與多媒體類別
首先來了解MIPI聯盟所規範出的六種手持式裝置需要的介面類別，這裡每一個規範皆經過優化，以滿足行動裝置所需要的嚴格條件與特徵，例如高頻寬性能、低功耗、低電磁干擾(EMI)等(圖1)。六個類別包括：物理層(Physical Layer)、多媒體(Multimedia)、晶片到晶片/處理器間通訊(Chip-to-chip/Inter-Processor Communications)、設備控制和數據管理(Device Control and Data Management)、系統除錯(System Debugging)、軟體整合(Software Integration)。
圖1 MIPI規畫的下一代智慧型手機內部架構
圖片來源：MIPI Alliance
而當中的多媒體(Multimedia)類別，主要分為應用層(Application Layer)、協定層(Protocol Layer)、實體層(PHY Layer)三個層面(圖2)。
圖2 多媒體類別的三個層面
圖片來源：MIPI Alliance
其中，與影像傳輸相關的CSI(Camera Serial Interface)為相機串列介面，定義了一個位於攝影模組和處理器之間的高速序列介面；而DSI(Display Serial Interface)則為顯示串列介面，定義了一個位於處理器和顯示模組之間的高速序列介面。如圖2所示，CSI-2以及DSI/DSI-2之實體層包含D-PHY與C-PHY。
認識MIPI D-PHY
MIPI D-PHY將百萬畫素相機和高解析度顯示器連接到應用處理器，提供靈活、高速、低功耗、低成本的解決方案。同時，由於鏈路收發器的主從關係顯著降低了鏈路的複雜性，適合具有一個主要數據傳輸方向的顯示器和相機案例。
MIPI D-PHY架構與工作模式
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，配置包含一條時脈通道(Clock Lane)以及一條或多條數據通道(Data Lane)，其中時脈通道皆為單向通道，而數據通道可為單向或雙向通道。每條時脈通道包含Cp、Cn，每條數據通道包含Dp、Dn。因此MIPI D-PHY的最基本配置為單條時脈與數據通道和四條訊號線，且每個正負訊號皆可以獨立控制。
而MIPI D-PHY在數據通道上分成兩種工作模式：每條鏈路都有一個主控端(Master)和一個從端(Slave)，主控端至從端為數據傳輸的正向。主控端為時脈通道提供高速DDR時脈訊號，是主要的數據來源；從端在時脈通道接收時脈訊號，是主要的數據接收端。在所有情況下，時脈通道與單向數據通道皆保持在正向傳輸，只有雙向數據通道可以反向傳輸，由從端獲取數據。完整的雙向數據通道模組(Universal Lane)示意圖如圖3所示。
圖3 MIPI雙向數據通道模組
圖片來源：MIPI Alliance Specification for D-PHY, Version 2.0
MIPI D-PHY通道收發器
D-PHY通道擁有高速和低功耗兩種收發器，四個組合分別為：高速傳送器(HS-TX)、高速接收器(HS-RX)、低功耗傳送器(LP-TX)、低功耗接收器(LP-RX)，並且可以支援高速(High Speed, HS)和低功率(Low Power, LP)兩種傳輸模式。
HS模式採用低壓差分訊號，雖然功耗較大，但能夠擁有很高的資料傳輸速率(80M~4.5Gbps)；LP模式則採用單端訊號，雖資料傳輸速率低(<10Mbps)，但相對功耗低。HS訊號的電壓範圍為140毫伏特(mV)~270毫伏特，而LP訊號的電壓約為1.2伏特(V)，如圖4所示。此兩種模式的結合使D-PHY能夠在需要時以高速傳輸大量數據，在其餘時間又能夠減少功耗。
圖4 High Speed和Low Powe傳輸模式
圖片來源：MIPI Alliance Specification for D-PHY, Version 2.0
其中高速傳送器以差分方式驅動通道，有Differential-0和Differential-1兩種通道狀態。低功耗傳送器則以單端方式獨立驅動兩條線路，因此有LP-00、LP-01、LP-10以及LP-11四種通道狀態(表1)。LP模式下不同通道狀態的組合可用於控制傳輸訊號進入不同的操作模式。
MIPI D-PHY操作模式
MIPI D-PHY的操作模式主要共有三種：控制模式(Control Mode)、高速模式(Burst Mode)以及逃逸模式(Escape Mode)；於一般正常操作期間，數據通道將處於控制模式或高速模式。以下詳細介紹MIPI D-PHY的三種操作模式：
．控制模式
在控制模式下，數據通道所傳送的訊號為LP訊號，且如上所述有四種通道狀態：LP-00、LP-01、LP-10和LP-11。其中，進入高速模式的順序是LP-11、LP-01、LP-00，此時數據通道保持高速模式，直到收到停止狀態(LP-11)。而進入逃逸模式的順序是：LP-11、LP-10、LP-00、LP-01、LP-00。此兩者模式皆須通過控制模式內的請求來進入。
．高速模式
在高速模式之下，高速數據傳輸以突發形式發生，從停止狀態(LP-11)開始和結束。在HS訊號開始傳輸前，數據通道將離開停止狀態，並通過傳輸開始程序(Start-of-Transmission)準備進入高速模式。如表2所示，分別描述TX和RX兩側的事件順序。當LP訊號依序走完LP-11、LP-01、LP-00的順序後，RX將會進行Line Termination，TX則會關閉LP訊號驅動程序，並且於同時啟用HS訊號驅動程序。而在數據通道傳輸HS訊號的期間，時脈通道應處於高速模式，提供DDR時脈。
當數據突發結束時，數據通道將通過傳輸結束程序(End-of-Transmission)進入停止狀態，如表3所示。
於一般訊號傳輸時，會從控制模式進入高速模式，此時將傳輸HS訊號，當HS訊號傳輸結束，會再從高速模式離開回到控制模式。整個數據突發傳輸期間的事件序列便如同圖5所示。每條通道的傳輸可以由協定獨立地開始和結束，對於大多數應用程序通道將同步啟動，但由於每個通道傳輸的字節數不等，可能會在不同的時間結束。
圖5 MIPI D-PHY高速模式傳輸序列
圖片來源：MIPI Alliance Specification for D-PHY, Version 2.0
．逃逸模式
逃逸模式是當數據通道使用低功耗狀態時的特殊操作模式，例如LPDT(Low-Power Data Transmission)、ULPS(Ultra-Low Power State)、Remote Triggers等。當LP訊號依序走完LP-11、LP-10、LP-00、LP-01、LP-00，數據通道便進入逃逸模式，此時發送器將發送一個8位元的進入命令來指示請求的動作(表4)。其中，所有未分配的命令都保留用於將來的擴展。停止狀態(LP-11)將用於退出逃逸模式，並且立即返回控制模式。
何謂MIPI C-PHY
接下來進入MIPI C-PHY的介紹。相較於D-PHY，C-PHY在編碼上較為複雜且通道利用率較高，並且在規範設計上同樣都具備低功耗、高效能與有效的抗電磁干擾能力。
MIPI C-PHY架構與傳送模式
MIPI C-PHY的高速傳輸通道是以三線式組成的主從式架構，從圖6的方塊圖可以看到C-PHY並沒有時脈通道。其傳送模式和D-PHY分為兩種：低功率(LP)模式與高速(HS)模式，低功率模式主要是用於介面控制訊號的傳送，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位元(bit)編碼成7種不同的字符(Symbol)，以5個不同值的方式呈現，其編碼增益為2.28，即每個Symbol可用2.28個位元來表示。
圖6 MIPI C-PHY Block Diagram 圖片來源：MIPI Specification for C-PHY Version 2.1
如同D-PHY，C-PHY的資料傳送機制是透過協定層溝通完成，個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6Gbps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。
MIPI C-PHY傳輸原理
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7，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位元的資料字節透過16位元到7個字符轉換模組機制轉換，每個字符以3個位元來表示，因此內部形成一個21位元寬度的資料，再透過序列轉串列的方式排成3位元的資料寬度以利於三線資料的處理。
圖7 MIPI C-PHY Symbol encoding and mapping functions
圖片來源：MIPI Specification for C-PHY Version 2.1
接下來，再透過符號編碼成三線碼型(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(圖8)，這是由於須要傳送16位元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位元的資料。
圖8 MIPI C-PHY Six Wire States
圖片來源：MIPI Specification for C-PHY Version 2.1
這裡說明一下字符編碼模組接收的3位元資料代表的意義，這3個位元的資料將決定下個線狀態轉換的結果，其中FLIP bit是指僅正負狀態改變而線狀態不變，Rotation bit代表線狀態轉換的方向為順時鐘或是逆時鐘，最後的極性bit會決定下個線狀態的正負極性。
圖9 MIPI D-PHY, C-PHY High Speed Burst Comparison
圖片來源：MIPI Specification for C-PHY Version 2.1
MIPI C-PHY vs. MIPI D-PHY
讀完MIPI C-PHY的介紹後，可以發現C-PHY的運作樣貌與D-PHY非常相似。舉例來說，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，同樣地，C-PHY也有類似的運作機制，C-PHY會透過通道上低速狀態訊號LP-111、LP-001、LP-000的切換來達成通道傳輸模式的轉換。而從高速切換到低功率模式也是類似的，但因為C-PHY是三線架構，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，可參考圖9，由圖中的比較可以看出D-PHY與C-PHY通道傳輸的差異之處。
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可參考圖10。
圖10 MIPI C-PHY Measurement Result
圖片來源：Keysight Technologies
MIPI技術發展快速 前景可期
綜合以上的介紹，可以看出MIPI規範從D-PHY到C-PHY是持續改善與進步的，且隨著科技世代人們的使用習慣，手持式裝置種類變得繁多，銷售量也是年年升高，再結合車用電子與5G的趨勢，如何運用MIPI規範與技術，將相機、感測器及無線電介面等功能整合於更大更複雜的系統之中將是未來的挑戰，另外也能從趨勢中預見MIPI技術的快速發展。
(本文由Granite River Labs提供)