GMSL解析：像素模式和隧道模式如何增强系统性能

作者：Flavius Luntrașu，高级工程师

摘要

本文深入介绍GMSL™技术，重点说明用于视频数据传输的像素模式和隧道模式之间的差异。文章将阐明这两种模式之间的主要区别，并探讨成功实施需要注意的具体事项。

GMSL概览

千兆多媒体串行链路(GMSL)是ADI公司专有的SERDES技术，旨在通过单根同轴电缆或两根屏蔽双绞线(STP)电缆实现远距离高速视频数据传输。GMSL最初是为汽车应用开发的，抗电磁干扰(EMI)能力强，并支持使用更轻的线束。但现在，它也被广泛应用于工业、农业、医疗等众多其他领域。

目前有三代GMSL可用：即GMSL1、GMSL2和GMSL3。深入详细地探讨这三者之间的差异不属于本文的讨论范围。不过，为了更好地理解本文的内容，我们重点说明其中一些细节：

• 本文介绍的技术细节和特性不适用于GMSL1代。
• 虽然完整的GMSL产品组合支持多种类型视频接口（并行、摄像头串行接口2 (CSI-2®)、HDMI®、oLDI等）之间的视频数据传输，但本文阐述的内容仅适用于支持CSI-2的GMSL器件。

图1为支持GMSL的基本网络的示例。SERDES位于视频源和视频接收设备之间，这样就能在两者之间实现更远的传输距离，而且还能减少所需的电缆数量。

图1.支持GMSL的点对点连接。

视频源可以是传感器或处理器，而视频接收设备可以是显示器或其他处理器。

桥接视频接口：CSI-2

CSI-2是移动行业处理器接口(MIPI)联盟制定的一种高速视频接口标准。它可用于汽车、手机、无人机、机器人等众多领域。通常，CSI-2视频源是各种传感器，例如成像器、雷达、LIDAR等，而视频接收设备是处理器、片上系统(SoC)、微控制器等。

CSI-2是一种协议规范，它定义了图像数据如何格式化、接收和发送，并使用D-PHY™或C-PHY™作为硬件层。这两种硬件层是MIPI联盟定义的不同物理层接口，描述了高速数据传输所需的电气特性、信号完整性和时序特性。

简而言之：

• • 相较于D-PHY，C-PHY可以支持更高带宽的应用。每种PHY使用不同的数据和时钟通道拓扑，因此对布局的考量也不同。
• • CSI-2数据包结构由三个主要部分组成：包头、有效载荷和尾部。C-PHY和D-PHY都遵循这种结构，只是略有不同。
  • • 包头包含有关有效载荷内容的安全信息，其作用是让接收器知道准备接收什么类型的数据。
  • • 有效载荷包含需要传输的主要信息。
  • • 尾部通过CRC校验和来保护有效载荷信息。

SERDES视频数据传输

在GMSL系统中，CSI-2数据包由串行器接收，将其编码为GMSL数据包格式，再通过电缆传送到配对的解串器，由解串器将视频解包，并将CSI-2信息发送到本地处理器。

随着GMSL CSI-2器件的演进，出现了两种不同的视频数据传输模式。虽然两种模式都能确保视频内容通过GMSL链路安全可靠地传输，但其各自的特点也应予以考虑。两种传输模式分别是像素模式和隧道模式。

像素模式是传统的传输模式，它是在第一批GMSL2产品中引入的。如图2所示，在此模式下，传入的CSI-2数据包包头和尾部被移除，数据有效载荷转换为像素格式，以便通过GMSL链路发送。CSI-2格式与像素格式之间的转换在串行器中完成，而在链路的另一端，解串器会重建CSI-2结构，并将新的包头和尾部添加到结构中。

图2.像素模式传输（简化版）。

隧道模式则是将整个CSI-2数据结构重新打包，如图3所示。因此，隧道模式有时被称为CSI-2转发，它不支持任何基于像素的处理。

图3.隧道模式传输（简化版）。

不同的GMSL器件可能支持一种或两种传输模式，详细信息请参阅相应的数据手册。

为使GMSL链路成功运行，系统必须支持串行器和解串器，并统一配置为像素模式或隧道模式。如果串行器和解串器之间的模式不匹配，将无法传输视频数据。GMSL器件支持的其他外设接口或协议（例如I2C、UART、GPIO等）不会受到影响。

像素模式与隧道模式逐项特性比较

在实施基于GMSL的系统时，系统设计人员需要根据采用的是像素模式还是隧道模式关注几项特性。本节将重点介绍其中一些特性。

所有这些特性都与CSI-2数据包结构本身，以及CSI-2包头和尾部中可找到的信息类型密切相关。

数据完整性

GMSL通信受其自身的校验和算法保护。除了该算法之外，CSI-2协议还会计算数据有效载荷字节的16位CRC，并将此信息存储在数据包尾部中。该校验和中不包括包头信息。

图4.像素模式下的视频数据完整性。

在隧道模式下，来自传感器的原始CRC会通过链路一直发送到处理器，使得数据完整性进一步增强。如图5所示，在串行器和解串器之间仍然存在GMSL CRC，使得冗余度更高。

此外，在隧道模式下，解串器还支持内联CRC校验，因而能够验证并选择性地纠正CSI-2标头或有效载荷CRC。检测到的校验和不匹配情况时，可使用错误报告功能进行报告。这样，系统可以在SoC进行数据采集之前，更快地发现错误。

图5.隧道模式下的视频数据完整性。

在像素模式和隧道模式下，均可使用内部前向纠错(FEC)功能进一步提升串行器和解串器之间的数据完整性。

聚合

在GMSL中，聚合是指将多个视频流合并为单个输出的功能，通过这种方式可以更优化地利用视频接收设备的输入引脚。1图6显示了使用两个单输入MAX96717 串行器和一个双输入MAX96716A 解串器实现聚合的示例。

图6.使用匹配传输模式实现两个视频源之间的聚合。

每个GMSL端口的传输模式都是单独配置的。在图6中，串行器和解串器的输入端口都必须配置为以像素模式或隧道模式运行。只有采用同一传输模式的视频流之间才能进行聚合。

混合使用情况（即一个链路以像素模式运行，另一个链路以隧道模式运行）不支持聚合。在这种情况下，视频流必须使用不同的解串器输出端口，如图7所示。

图7.像素/隧道混合模式用例。

MIPI物理层

MIPI转换

此外，将来自两个或更多传感器的多个视频流合并到单个MIPI端口时，可能会出现另一个问题：组合视频数据可能会超过D-PHY的10 Gbps限制。为了突破这一瓶颈，并避免对架构设计施加太多限制，通过视频链进行D-PHY至C-PHY的转换是理想方案。

在像素模式下，从视频源到接收设备的传输过程中，只有CSI-2数据有效载荷保持不变，并且对于两种物理层，其结构相同。这意味着，使用GMSL技术，在像素模式下，接收设备和视频源无需考虑对方使用何种类型的PHY。由于PHY数据包结构仅标头和尾部有所不同，因此可以将传入的D-PHY结构解构，然后由解串器重新组装为C-PHY，有效载荷信息不会受到影响。

隧道模式本身不具备此功能；因此，该模式不支持D-PHY至C-PHY的转换。

但也有例外，例如MAX96724/MAX96724F/MAX96724R 四输入CSI-2解串器系列，其支持多达四个CSI-2端口，物理层可以使用D-PHY或C-PHY配置。该系列可以配置为以像素模式或隧道模式工作。MAX96724系列可以在隧道模式下执行D-PHY至C-PHY的转换，而不影响数据完整性。

虚拟通道管理

虚拟通道是分配给CSI-2数据包的标签，用于识别每个数据有效载荷。在使用聚合的应用中，标签会变得更加重要，因为接收端需要对多个传入流进行解复用并将其相互区分。此类标签位于CSI-2数据包的包头段内。

因此，在像素模式下，可以对GMSL器件进行自定义虚拟通道重新分配。另一方面，并非支持隧道模式的器件都具备这种灵活性。在这种情况下，每个视频源都需要设置唯一的虚拟通道。

原理图和布局布线影响

像素模式和隧道模式在协议层面上存在差异，但未必需要对应用的原理图进行任何实质性修改。

GMSL器件可以设置为上电时默认进入像素模式或隧道模式。此默认设置可通过CFG[#]引脚上的预定义电阻分压器网络实现，详见具体器件的数据手册。根据上电默认配置为像素模式还是隧道模式，这些电阻会有所不同。

无论上电默认配置如何，从一种模式到另一种模式的转换也可以通过寄存器写入来实现。

而模式的切换对布局方面没有影响。像素模式和隧道模式将在相同的布局和PCB堆叠上运行。

结语

了解GMSL技术的两种模式之间的差异，对于设计稳健的高性能系统至关重要。表1对像素模式和隧道模式支持的一些特性进行了比较。简而言之，像素模式可提供更大的系统灵活性，而隧道模式以损失部分系统灵活性为代价，提升了数据完整性。

表1.像素模式和隧道模式支持的特性

参考文献

1GMSL2通用用户指南。ADI公司，2023年12月。