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FPGA开发圈 2018-05-25 13:19:20

[导读] 几十年前当嵌入式系统设计工程师们想要降低成本时,他们会使用那个年代规模化生产的PC架构。通过采用原先为PC架构开发的硬件和软件,嵌入式系统设计工程师能够在降低开发成本的同时,获得经过上千万消费电子应用验证的高可靠性元器件。PC总线为专用的嵌入式应用提供了极具吸引力的低成本替代方案。除了以上优势之外,嵌入式开发工程师还能充分利用易于使用的设计工具和基于熟知的架构之上的开源操作系统。通过将设计迁移到PC架构,使得设计工程师能够将低成本传递给终端消费者,并且缩短开发周期。

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PC时代已经一去不返。PC架构已不再能够提供如同以往的规模化生产优势。现在的嵌入式系统开发工程师在考虑如何利用消费电子市场上规模化生产带来成本优势时,智能手机市场变成了首选。全球范围内每年卖出的智能手机数量高达数十亿部,各个领域的设计工程师都在尝试如何充分利用当今移动解决方案中关键元器件提供的高性能和低成本优势。就像二十年前PC架构所扮演的角色一样,移动市场提供了工程师熟悉的硬件架构和应用,其性能已经在竞争激烈的消费电子市场中得到验证。

核心标准

推动当前便携式设备设计发展的是由MIPI联盟定义的接口和总线。MIPI联盟成立于2003年,旨在为移动和移动相关设备制定一整套全面的规范。联盟的目标是提供设备供应商创建创新移动产品时所需的硬件和软件接口规范,同时加速产品上市进程并降低成本。通过制定一整套核心标准,MIPI联盟使得移动设备制造商能够从不同的供应商处获取元器件,并轻松优化设计的性能。

图1. MIPI联盟已经制定推出了一套核心标准,以简化移动系统设计并确保互操作性(图片来自MIPI联盟)

该组织已经从最初的四个成员发展到现在的成百上千个成员,其在智能手机行业的声誉不言而喻。所有主要芯片厂商都使用MIPI联盟制定的规范,每一部智能手机至少使用一个MIPI规范。

广泛的影响

事实上,MIPI联盟的影响力已经远远超出了移动行业的范畴。随着移动互连融入到人们生活中的方方面面,越来越多不同行业中的设计工程师正在尝试为他们的设计采用移动技术。但是在这个过程中,他们也面临着重重障碍。许多嵌入式系统中使用的摄像头和显示屏与当今移动应用处理器(AP)上的接口类型或数量不匹配。

应用处理器、图像传感器和显示屏可能是嵌入式系统设计者们能够从移动市场中获益最多的MIPI标准元器件。如今的移动系统设计常常包含采用MIPI显示屏串行接口(DSI)的显示屏和采用MIPI摄像头串行接口(CSI-2)的图像传感器。DSI和CSI-2接口均基于D-PHY物理层总线协议。D-PHY采用一个差分时钟和1-4对差分数据线来传输数据,D-PHY是一种中心对齐的源同步接口,在时钟的上下边沿都有数据传输。D-PHY的独家特性之一是能够“即时”将差分信号转换为单端信号。

当设计中采用传统或专用显示屏以及传统或专用图像传感器时,嵌入式设计工程师该如何利用MIPI市场提供的众多优势呢? 以工业市场为例。一直以来,嵌入式应用设计工程师都依赖于采用LVDS、RGB或SPI接口的显示屏。但是大多数嵌入式处理器都不具备DSI接口。想要利用MIPI处理器和应用优势的工业应用设计工程师在保留传统LVDS显示屏时,需要实现LVDS显示屏与符合MIPI标准的应用处理器之间的桥接。解决这个问题的一个方法是构建从OpenDSI、LVDS或专用接口到MIPI DSI的视频桥接解决方案(见图2)。

图2. 视频桥接解决方案使得设计工程师能够实现传统显示屏与MIPI应用处理器的互连

同样,工业领域中的许多设计工程师也想在设计中采用最新一代移动处理器和应用时保留CMOS摄像头。图3(下图)说明了如何实现传统CMOS并行输出与MIPI应用处理器CSI-2输入之间的桥接。

图3. 在此示例中,视频桥接解决方案使得开发工程师能够实现传统图像传感器与MIPI应用处理器的互连

在汽车行业,符合MIPI标准的应用处理器和元器件的使用量也在增加。随着汽车设计中像高级驾驶辅助系统(ADAS)和车载信息娱乐系统等应用需要显示的内容以及使用的摄像头数量不断增加,对于视频桥接解决方案的需求也在不断增长。在摄像头的帮助下,驾驶员不仅可以在倒车时看到后方车辆,它们还可以替代两侧后视镜以提供360度视野,并支持各类应用,例如车道变更跟踪和盲点减少。在现在的汽车中,设计工程师可以聚合来自多个图像传感器的视频数据,将其拼接在一起,通过单个CSI-2接口传输到应用处理器。

设计工程师在游戏应用中聚合来自多个摄像头的数据或将其分开输出到多个显示屏,这样的视频桥接解决方案经过验证是非常有用的。举个例子,快速发展的虚拟现实(VR)市场的最新趋势之一是从单个显示屏转为各使用一半带宽的双显示屏头盔,为用户提供立体图像。但是如果应用处理器只有一个DSI接口,设计工程师该如何拆分视频输出到两个显示屏?图4(下图)说明了如何使用视频桥接解决方案将来自应用处理器的单个DSI视频数据输出拆分为两路输出,分别用于左眼和右眼显示屏。该桥接可支持两个HD或一个QHD显示屏,I/O速率高达1.5 Gbps/通道。

图4. 该桥接解决方案将视频数据拆分为两路DSI输出,实现支持立体图像的VR头盔

另一个潜在的桥接应用是将数据聚合为单个CSI-2输出。图5(下图)说明了无人机或VR开发工程师如何使用全新的桥接器件将多个图像传感器视频输出聚合为满足应用处理器接口要求的单个输入。该桥接可用于设计中的应用处理器无法提供足够的接口以支持图像传感器输入或图像传感器和成像数据之间存在处理延迟的情况。 在这种情况中,处理器必须以最小的延迟同时接收多个CSI-2输出。多个合并的视频流还必须共享公共时钟,并且在某些情况下还需要单独的上电时序。

图5. 无人机和其他系统制造商在设计中集成多个CSI-2摄像头,因此可能需要将视频内容进行合并以交付应用处理器进行处理

选择合适的解决方案

为了满足全新视频应用的需求,今天的嵌入式视频应用设计工程师需要高性能、低功耗、小尺寸的桥接解决方案。理想的桥接解决方案要能够为摄像头、显示屏和应用处理器转换不兼容的接口,将多个视频流合并为单个输出,或者将单个视频输出拆分为多个。

解决这个问题的一种方法是使用通用的多通道无源开关将信号传送到电路板上的多个位置。然而,大多数多路复用/解复用解决方案不能为设计工程师提供所需的高性能或高度的设计灵活性。另一个选项是投资基于特定应用标准产品(ASSP)或专用集成电路(ASIC)的桥接解决方案。大多数桥接解决方案的应用面都很窄,高昂的一次性工程成本(NRE)以及超长开发周期让这种方式得不偿失。

莱迪思半导体的CrossLink FPGA已上市一年多了,可为设计工程师提供设计灵活性并加速产品上市进程,它是业界超快的MIPI D-PHY桥接器件,能够以12 Gbps带宽传输分辨率高达4K超高清的视频。CrossLink器件设计用于解决应用处理器、图像传感器和显示屏之间的接口不匹配问题,能够实现支持各种领先和现有协议的低成本、高度紧凑的桥接解决方案。

CrossLink桥接器件包含两个MIPI D-PHY硬核以及支持多种视频功能的面向移动应用的FPGA架构,能够实现复用、合并、解复用、仲裁、拆分和数据转换功能。器件中的每个MIPI D-PHY块最高支持四条数据通道和一条时钟通道用于发送和接收(Tx和Rx)数据。两个可编程I/O bank支持多种接口,包括MIPI D-PHY、MIPI CSI-2、MIPI DSI、CMOS、RGB、SubLVDS、SLVS、LVDS以及Open LDI。

器件中的FPGA架构拥有5936个4输入LUT、180 kbit RAM块和47 kbit分布式RAM。这些LUT分布在可编程功能单元(PFU)中专用寄存器的旁边,可用作逻辑运算、RAM和ROM功能的基本功能块。可编程互连网络连接各PFU块。可编程I/O bank、嵌入式I2C和嵌入式MIPI D-PHY以及嵌入式RAM(EBR)块分布在PFU之间。设计工程师可使用莱迪思Diamond设计软件来配置PFU模块并实现设计。

典型的开发流程

基于CrossLink器件的接口桥接解决方案的开发流程相对来说比较简单。开发人员首先从莱迪思Diamond FPGA设计软件的IP配置工具Clarity Designer中选择要使用或生成的IP。Clarity Designer支持配置多个IP,构建IP之间的互连以及规划设计中IP所使用的资源。

一旦生成IP,开发工程师就可以使用Aldec仿真器进行仿真。开发工程师只需打开Aldec仿真器,打开工具并点击执行即可。仿真完成后,开发工程师可以查看仿真结果。使用莱迪思Reveal片上调试工具可以进行设计硬件调试。Reveal工具集成在莱迪思Diamond FPGA设计软件中,具备一键操作、高级触发功能、简单的流程、支持修改原始设计以及增强的逻辑分析仪波形显示功能。

为了加速系统开发,莱迪思还提供CrossLink LIF-MD6000主控连接评估板。该评估板包括一片采用81-ball csfBGA封装的CrossLink-MD6000器件。除此之外,该评估板还具备Mi连接器到FTDI以及通过SPI接口将FTDI连至CrossLink的电路。该套件还包括两个接口板。

总结

二十年前,处于市场主导地位的PC架构推动了各类市场的发展。今天,高速发展的移动市场对工业、汽车和医疗等领域也产生了类似的影响。随着移动技术不断扩展到全新的应用领域,移动相关产品的设计工程师可在桥接解决方案的帮助下充分利用移动市场的规模化生产优势以及移动处理器、显示屏和图像处理器的成本和性能优势。

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