幾十年前當(dāng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師們想要降低成本時(shí)，他們會(huì)使用那個(gè)年代規(guī)模化生產(chǎn)的PC架構(gòu)。通過(guò)采用原先為PC架構(gòu)開(kāi)發(fā)的硬件和軟件，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠在降低開(kāi)發(fā)成本的同時(shí)，獲得經(jīng)過(guò)上千萬(wàn)消費(fèi)電子應(yīng)用驗(yàn)證的高可靠性元器件。PC總線為專(zhuān)用的嵌入式應(yīng)用提供了極具吸引力的低成本替代方案。除了以上優(yōu)勢(shì)之外，嵌入式開(kāi)發(fā)工程師還能充分利用易于使用的設(shè)計(jì)工具和基于熟知的架構(gòu)之上的開(kāi)源操作系統(tǒng)。通過(guò)將設(shè)計(jì)遷移到PC架構(gòu)，使得設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)⒌统杀緜鬟f給終端消費(fèi)者，并且縮短開(kāi)發(fā)周期。

PC時(shí)代已經(jīng)一去不返。PC架構(gòu)已不再能夠提供如同以往的規(guī)模化生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工程師在考慮如何利用消費(fèi)電子市場(chǎng)上規(guī)模化生產(chǎn)帶來(lái)成本優(yōu)勢(shì)時(shí)，智能手機(jī)市場(chǎng)變成了首選。全球范圍內(nèi)每年賣(mài)出的智能手機(jī)數(shù)量高達(dá)數(shù)十億部，各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工程師都在嘗試如何充分利用當(dāng)今移動(dòng)解決方案中關(guān)鍵元器件提供的高性能和低成本優(yōu)勢(shì)。就像二十年前PC架構(gòu)所扮演的角色一樣，移動(dòng)市場(chǎng)提供了工程師熟悉的硬件架構(gòu)和應(yīng)用，其性能已經(jīng)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的消費(fèi)電子市場(chǎng)中得到驗(yàn)證。

推動(dòng)當(dāng)前便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)發(fā)展的是由MIPI聯(lián)盟定義的接口和總線。MIPI聯(lián)盟成立于2003年，旨在為移動(dòng)和移動(dòng)相關(guān)設(shè)備制定一整套全面的規(guī)范。聯(lián)盟的目標(biāo)是提供設(shè)備供應(yīng)商創(chuàng)建創(chuàng)新移動(dòng)產(chǎn)品時(shí)所需的硬件和軟件接口規(guī)范，同時(shí)加速產(chǎn)品上市進(jìn)程并降低成本。通過(guò)制定一整套核心標(biāo)準(zhǔn)，MIPI聯(lián)盟使得移動(dòng)設(shè)備制造商能夠從不同的供應(yīng)商處獲取元器件，并輕松優(yōu)化設(shè)計(jì)的性能。

圖1. MIPI聯(lián)盟已經(jīng)制定推出了一套核心標(biāo)準(zhǔn)，以簡(jiǎn)化移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并確保互操作性（圖片來(lái)自MIPI聯(lián)盟）

該組織已經(jīng)從最初的四個(gè)成員發(fā)展到現(xiàn)在的成百上千個(gè)成員，其在智能手機(jī)行業(yè)的聲譽(yù)不言而喻。所有主要芯片廠商都使用MIPI聯(lián)盟制定的規(guī)范，每一部智能手機(jī)至少使用一個(gè)MIPI規(guī)范。

事實(shí)上，MIPI聯(lián)盟的影響力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了移動(dòng)行業(yè)的范疇。隨著移動(dòng)互連融入到人們生活中的方方面面，越來(lái)越多不同行業(yè)中的設(shè)計(jì)工程師正在嘗試為他們的設(shè)計(jì)采用移動(dòng)技術(shù)。但是在這個(gè)過(guò)程中，他們也面臨著重重障礙。許多嵌入式系統(tǒng)中使用的攝像頭和顯示屏與當(dāng)今移動(dòng)應(yīng)用處理器（AP）上的接口類(lèi)型或數(shù)量不匹配。

應(yīng)用處理器、圖像傳感器和顯示屏可能是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們能夠從移動(dòng)市場(chǎng)中獲益最多的MIPI標(biāo)準(zhǔn)元器件。如今的移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)常常包含采用MIPI顯示屏串行接口（DSI）的顯示屏和采用MIPI攝像頭串行接口（CSI-2）的圖像傳感器。DSI和CSI-2接口均基于D-PHY物理層總線協(xié)議。D-PHY采用一個(gè)差分時(shí)鐘和1-4對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，D-PHY是一種中心對(duì)齊的源同步接口，在時(shí)鐘的上下邊沿都有數(shù)據(jù)傳輸。D-PHY的獨(dú)家特性之一是能夠“即時(shí)”將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)。

當(dāng)設(shè)計(jì)中采用傳統(tǒng)或?qū)Ｓ蔑@示屏以及傳統(tǒng)或?qū)Ｓ脠D像傳感器時(shí)，嵌入式設(shè)計(jì)工程師該如何利用MIPI市場(chǎng)提供的眾多優(yōu)勢(shì)呢？ 以工業(yè)市場(chǎng)為例。一直以來(lái)，嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)工程師都依賴(lài)于采用LVDS、RGB或SPI接口的顯示屏。但是大多數(shù)嵌入式處理器都不具備DSI接口。想要利用MIPI處理器和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)工程師在保留傳統(tǒng)LVDS顯示屏?xí)r，需要實(shí)現(xiàn)LVDS顯示屏與符合MIPI標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用處理器之間的橋接。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法是構(gòu)建從OpenDSI、LVDS或?qū)Ｓ媒涌诘組IPI DSI的視頻橋接解決方案（見(jiàn)圖2）。

圖2. 視頻橋接解決方案使得設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)顯示屏與MIPI應(yīng)用處理器的互連

同樣，工業(yè)領(lǐng)域中的許多設(shè)計(jì)工程師也想在設(shè)計(jì)中采用最新一代移動(dòng)處理器和應(yīng)用時(shí)保留CMOS攝像頭。圖3（下圖）說(shuō)明了如何實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)CMOS并行輸出與MIPI應(yīng)用處理器CSI-2輸入之間的橋接。

圖3. 在此示例中，視頻橋接解決方案使得開(kāi)發(fā)工程師能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)圖像傳感器與MIPI應(yīng)用處理器的互連

在汽車(chē)行業(yè)，符合MIPI標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用處理器和元器件的使用量也在增加。隨著汽車(chē)設(shè)計(jì)中像高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)等應(yīng)用需要顯示的內(nèi)容以及使用的攝像頭數(shù)量不斷增加，對(duì)于視頻橋接解決方案的需求也在不斷增長(zhǎng)。在攝像頭的幫助下，駕駛員不僅可以在倒車(chē)時(shí)看到后方車(chē)輛，它們還可以替代兩側(cè)后視鏡以提供360度視野，并支持各類(lèi)應(yīng)用，例如車(chē)道變更跟蹤和盲點(diǎn)減少。在現(xiàn)在的汽車(chē)中，設(shè)計(jì)工程師可以聚合來(lái)自多個(gè)圖像傳感器的視頻數(shù)據(jù)，將其拼接在一起，通過(guò)單個(gè)CSI-2接口傳輸?shù)綉?yīng)用處理器。

設(shè)計(jì)工程師在游戲應(yīng)用中聚合來(lái)自多個(gè)攝像頭的數(shù)據(jù)或?qū)⑵浞珠_(kāi)輸出到多個(gè)顯示屏，這樣的視頻橋接解決方案經(jīng)過(guò)驗(yàn)證是非常有用的。舉個(gè)例子，快速發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）市場(chǎng)的最新趨勢(shì)之一是從單個(gè)顯示屏轉(zhuǎn)為各使用一半帶寬的雙顯示屏頭盔，為用戶(hù)提供立體圖像。但是如果應(yīng)用處理器只有一個(gè)DSI接口，設(shè)計(jì)工程師該如何拆分視頻輸出到兩個(gè)顯示屏？圖4（下圖）說(shuō)明了如何使用視頻橋接解決方案將來(lái)自應(yīng)用處理器的單個(gè)DSI視頻數(shù)據(jù)輸出拆分為兩路輸出，分別用于左眼和右眼顯示屏。該橋接可支持兩個(gè)HD或一個(gè)QHD顯示屏，I/O速率高達(dá)1.5 Gbps/通道。

圖4. 該橋接解決方案將視頻數(shù)據(jù)拆分為兩路DSI輸出，實(shí)現(xiàn)支持立體圖像的VR頭盔

另一個(gè)潛在的橋接應(yīng)用是將數(shù)據(jù)聚合為單個(gè)CSI-2輸出。圖5（下圖）說(shuō)明了無(wú)人機(jī)或VR開(kāi)發(fā)工程師如何使用全新的橋接器件將多個(gè)圖像傳感器視頻輸出聚合為滿(mǎn)足應(yīng)用處理器接口要求的單個(gè)輸入。該橋接可用于設(shè)計(jì)中的應(yīng)用處理器無(wú)法提供足夠的接口以支持圖像傳感器輸入或圖像傳感器和成像數(shù)據(jù)之間存在處理延遲的情況。 在這種情況中，處理器必須以最小的延遲同時(shí)接收多個(gè)CSI-2輸出。多個(gè)合并的視頻流還必須共享公共時(shí)鐘，并且在某些情況下還需要單獨(dú)的上電時(shí)序。

圖5. 無(wú)人機(jī)和其他系統(tǒng)制造商在設(shè)計(jì)中集成多個(gè)CSI-2攝像頭，因此可能需要將視頻內(nèi)容進(jìn)行合并以交付應(yīng)用處理器進(jìn)行處理

為了滿(mǎn)足全新視頻應(yīng)用的需求，今天的嵌入式視頻應(yīng)用設(shè)計(jì)工程師需要高性能、低功耗、小尺寸的橋接解決方案。理想的橋接解決方案要能夠?yàn)閿z像頭、顯示屏和應(yīng)用處理器轉(zhuǎn)換不兼容的接口，將多個(gè)視頻流合并為單個(gè)輸出，或者將單個(gè)視頻輸出拆分為多個(gè)。

解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法是使用通用的多通道無(wú)源開(kāi)關(guān)將信號(hào)傳送到電路板上的多個(gè)位置。然而，大多數(shù)多路復(fù)用/解復(fù)用解決方案不能為設(shè)計(jì)工程師提供所需的高性能或高度的設(shè)計(jì)靈活性。另一個(gè)選項(xiàng)是投資基于特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）或?qū)Ｓ?a target="_blank">集成電路（ASIC）的橋接解決方案。大多數(shù)橋接解決方案的應(yīng)用面都很窄，高昂的一次性工程成本（NRE）以及超長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期讓這種方式得不償失。

萊迪思半導(dǎo)體的CrossLink FPGA已上市一年多了，可為設(shè)計(jì)工程師提供設(shè)計(jì)靈活性并加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，它是業(yè)界超快的MIPI D-PHY橋接器件，能夠以12 Gbps帶寬傳輸分辨率高達(dá)4K超高清的視頻。CrossLink器件設(shè)計(jì)用于解決應(yīng)用處理器、圖像傳感器和顯示屏之間的接口不匹配問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)支持各種領(lǐng)先和現(xiàn)有協(xié)議的低成本、高度緊湊的橋接解決方案。

CrossLink橋接器件包含兩個(gè)MIPI D-PHY硬核以及支持多種視頻功能的面向移動(dòng)應(yīng)用的FPGA架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)用、合并、解復(fù)用、仲裁、拆分和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。器件中的每個(gè)MIPI D-PHY塊最高支持四條數(shù)據(jù)通道和一條時(shí)鐘通道用于發(fā)送和接收（Tx和Rx）數(shù)據(jù)。兩個(gè)可編程I/O bank支持多種接口，包括MIPI D-PHY、MIPI CSI-2、MIPI DSI、CMOS、RGB、SubLVDS、SLVS、LVDS以及Open LDI。

器件中的FPGA架構(gòu)擁有5936個(gè)4輸入LUT、180 kbit RAM塊和47 kbit分布式RAM。這些LUT分布在可編程功能單元（PFU）中專(zhuān)用寄存器的旁邊，可用作邏輯運(yùn)算、RAM和ROM功能的基本功能塊。可編程互連網(wǎng)絡(luò)連接各PFU塊。可編程I/O bank、嵌入式I2C和嵌入式MIPI D-PHY以及嵌入式RAM（EBR）塊分布在PFU之間。設(shè)計(jì)工程師可使用萊迪思Diamond設(shè)計(jì)軟件來(lái)配置PFU模塊并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

基于CrossLink器件的接口橋接解決方案的開(kāi)發(fā)流程相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。開(kāi)發(fā)人員首先從萊迪思Diamond FPGA設(shè)計(jì)軟件的IP配置工具Clarity Designer中選擇要使用或生成的IP。Clarity Designer支持配置多個(gè)IP，構(gòu)建IP之間的互連以及規(guī)劃設(shè)計(jì)中IP所使用的資源。

一旦生成IP，開(kāi)發(fā)工程師就可以使用Aldec仿真器進(jìn)行仿真。開(kāi)發(fā)工程師只需打開(kāi)Aldec仿真器，打開(kāi)工具并點(diǎn)擊執(zhí)行即可。仿真完成后，開(kāi)發(fā)工程師可以查看仿真結(jié)果。使用萊迪思Reveal片上調(diào)試工具可以進(jìn)行設(shè)計(jì)硬件調(diào)試。Reveal工具集成在萊迪思Diamond FPGA設(shè)計(jì)軟件中，具備一鍵操作、高級(jí)觸發(fā)功能、簡(jiǎn)單的流程、支持修改原始設(shè)計(jì)以及增強(qiáng)的邏輯分析儀波形顯示功能。

為了加速系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，萊迪思還提供CrossLink LIF-MD6000主控連接評(píng)估板。該評(píng)估板包括一片采用81-ball csfBGA封裝的CrossLink-MD6000器件。除此之外，該評(píng)估板還具備Mini USB Type-B連接器到FTDI以及通過(guò)SPI接口將FTDI連至CrossLink的電路。該套件還包括兩個(gè)接口板。

二十年前，處于市場(chǎng)主導(dǎo)地位的PC架構(gòu)推動(dòng)了各類(lèi)市場(chǎng)的發(fā)展。今天，高速發(fā)展的移動(dòng)市場(chǎng)對(duì)工業(yè)、汽車(chē)和醫(yī)療等領(lǐng)域也產(chǎn)生了類(lèi)似的影響。隨著移動(dòng)技術(shù)不斷擴(kuò)展到全新的應(yīng)用領(lǐng)域，移動(dòng)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工程師可在橋接解決方案的幫助下充分利用移動(dòng)市場(chǎng)的規(guī)模化生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)以及移動(dòng)處理器、顯示屏和圖像處理器的成本和性能優(yōu)勢(shì)。