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【產業動態】MIPI 車用 SerDes 解決方案(MASS)介紹

MIPI Automotive SerDes Solutions (MASS) 是一套專為汽車應用而設計的連接解決方案,它提供了全面的端到端連接能力,用於日益增長的攝影機、感測器和顯示器;MASS的技術組成包括物理層和協議層,其遵循相關的MIPI規範和標準;在功能安全性方面,MASS在協議層實現了功能安全功能,確保系統在故障情況下的可靠運行和資料保護;同時,MASS也提供資料安全保護功能,包括:資料的加密、驗證和安全傳輸等;這些功能使得MASS成為實現高品質影像傳輸和安全性的理想選擇。


無論是在車輛的安全駕駛輔助系統還是即時決策支援系統中,MASS都能提供穩定可靠的連接和資料傳輸。MASS廣泛應用的領域還包括多個高解析度儀控顯示和娛樂顯示的整合,這些特性使得MASS成為現代汽車設計中不可或缺的重要技術。


摘要


MIPI車用SerDes解決方案(MASS)是一系列規範,為高性能感測器和顯示器建立了一個完整、高度可靠的車載連接框架,該框架包含了標準化的長距離SerDes(MIPI A-PHY),以及經過驗證用於攝影機、感測器和顯示器的高層協定(如MIPI CSI-2、MIPI DSI-2和VESA eDP/DP),並具備功能安全和安全性增強措施,MASS是先進駕駛輔助系統、數位座艙、和車載娛樂服務的重要推動者。

由於連接性(Connectivity)、自動化(Automation)、共享(Sharing)和電氣化(Electrification)(簡稱為“CASE”)等顛覆性產業趨勢,汽車系統正經歷一場快速的演進,先進駕駛輔助系統(ADAS, Advanced Driver Assistance Systems)、數位座艙、車用資訊娛樂系統(IVI, In-Vehicle Infotainment)和自動駕駛系統(ADS, Autonomous Driving system)的普及,驅動了車輛感測器和顯示器的快速增長,對攝影機和顯示器的解析度、訊框率 (frame rates) 和位元深度 (bit-depths) 要求也越來越高;為實現所有這些車載感測器和顯示器之間的高速連接,需要開發創新的電氣和電子(E/E)架構,並利用最新的高速車用網路協定,實現高容量資料傳輸。

圖1、汽車產業趨勢的定義為“CASE”(資料來源:MIPI聯盟)
圖1、汽車產業趨勢的定義為“CASE”(資料來源:MIPI聯盟)

為了因應這些挑戰並支援新的架構,MIPI Alliance開發了MIPI Automotive SerDes Solutions(MASS),這是一個端到端的框架,使用MIPI A-PHYMIPI CSI-2MIPI DSI-2和其他許多產業標準化的協定,其具備了功能安全、資料安全性 (security) 和可靠性,用於連接攝影機、感測器和顯示器。


作為滿足汽車產業需求的跨產業合作努力的結果,MASS由四個要素組成,這些要素結合在一起形成了完整的端到端連接框架:


  • SerDes物理層: MASS的基礎是MIPI A-PHY,這是產業第一個長距離非對稱串行器/解串器(SerDes)物理層介面標準,具有高抗干擾能力,A-PHY專門設計來滿足汽車產業的需求,它將消除專有的非對稱PHY和橋接器的需求,簡化車載通訊網路、降低成本、線材束重量和開發時間。

  • 更高層協定: MASS結合了一套被廣泛採用的高層應用協定,這些協定在數十億裝置中得到使用,並且正在被應用於汽車領域;這些協定包括用於攝影機的MIPI CSI-2、用於顯示器的MIPI DSI-2和VESA eDP/DP,以及包括較低速度的協定,如I2C(內部整合電路, Inter-Integrated Circuit)、GPIO(通用輸入輸出埠, General Purpose I/O Ports)、乙太網路、和MIPI I3C,使用這些已經被廣泛採用的協定,將推動規模經濟效應,降低非循環開支/開發成本,並提供向前和向後相容性。

  • 功能安全: MASS標準化了幾項功能安全增強功能,有助於以MASS為基礎的應用,滿足ISO標準26262:2018《道路車輛-功能安全》的要求,並使設計師能夠構建符合常見的汽車安全完整性等級(ASIL)規範系統,從ASIL B到ASIL D。

  • 資料安全性 (Security): MASS還包括安全性增強功能,高頻寬數位內容保護(HDCP)已經支援顯示器應用,並將在不久的將來添加其他安全性增強功能,以實現端到端的身份驗證、隱私保護(加密)、訊息完整性、和重播保護。

所有MIPI的基本MASS規範已經完成,或將在2021年底之前完成;在2022年中,將完成額外的規範和更新,以在MASS框架中增加更多的安全性增強功能。


這份白皮書介紹了汽車市場趨勢、MASS框架及其要素的概述,並展示MASS應用案例,欲了解更多訊息,請至 https://mipi.org/automotive


汽車市場趨勢與挑戰概述


由於連接性 (Connectivity)、自動化 (Automation)、共享 (Sharing) 和電氣化 (Electrification) 等顛覆性產業趨勢的推動,汽車感測器(攝影機/雷達/雷射雷達)和顯示系統正在經歷快速演進,這些趨勢的在表1中描述,推動了外部感測器和車載顯示器的數量不斷增加,其中一些範例在圖2中顯示。

表1 CASE:推動車載感測器和顯示器的普及(資料來源:MIPI聯盟)
表1 CASE:推動車載感測器和顯示器的普及(資料來源:MIPI聯盟)
圖2、外部車輛感測器和車載顯示器普及的例子(資料來源:MIPI聯盟)
圖2、外部車輛感測器和車載顯示器普及的例子(資料來源:MIPI聯盟)

這些趨勢獲得市場研究的支持,該研究預測下一個十年內,支援先進駕駛輔助系統(ADAS)功能的車輛數量將迅速增長,數據顯示,ADAS系統的複雜性將迅速增加,推動市場上支援SAE自動駕駛等級1、2、3及以上的車輛的採用,如圖3所示。

圖3、自動駕駛等級市場預測(資料來源:Yole Développement)
圖3、自動駕駛等級市場預測(資料來源:Yole Développement)

車輛感測器和顯示器的數量增加,同時伴隨著不斷提升的攝影機和顯示器解析度、訊框率、和位元深度所需的資料負載需求的增長,MIPI於2018年進行的一項研究預測了攝影機和顯示模組的資料頻寬需求,結果顯示在圖4中,這些訊息被用於確定初始MASS SerDes的目標速度為16 Gbps。

圖4、顯示器和攝影機資料負載的增加(資料來源:MIPI聯盟)
圖4、顯示器和攝影機資料負載的增加(資料來源:MIPI聯盟)

MIPI 車用 SerDes 解決方案介紹 (MASS)


MIPI Automotive SerDes Solutions (MASS) 是MIPI聯盟開發的一套解決方案,重點在於克服前一節中描述的挑戰,並促進新的電氣和電子(E/E)架構的開發;MASS是一個端到端的框架,用於使用MIPI A-PHY、MIPI CSI-2、MIPI DSI-2和許多其他產業標準化的協定,在車輛內連接攝影機、感測器和顯示器,同時具備功能安全性、資料安全性和彈性。


在MASS之前,汽車產業不得不依賴專有的SerDes協定,來實現外圍要素和處理器之間的長距離連接,並且需要設計專有的功能安全解決方案,這種缺乏標準化和支援的連接框架,限制了開發商的選擇,阻礙了規模經濟效應的實現,增加了設計的複雜性和成本。


MASS框架利用已經在汽車領域廣泛使用的現有MIPI協定以及其他協定,例如:VESA的DisplayPort(DP)和嵌入式DisplayPort(eDP)用於顯示器,以及眾多支援性協定,如I2C和GPIO。

圖5、MASS端到端系統示意圖(資料來源:MIPI聯盟)
圖5、MASS端到端系統示意圖(資料來源:MIPI聯盟)

MASS建立了一個受產業所支持的一系列標準的規模經濟效應,眾多汽車相關開發商共同採用了一套標準化的協定和技術,從而降低了整體成本;透過共享相同的標準和規範,汽車製造商和供應商能夠從大規模生產和採購中受益,實現更高的效率和更低的成本;這也使得汽車原始裝置製造商(OEM)和 Tier 1 供應商能夠將工程成本分攤到更多的元件數量上,同時,它還促進了來自廣泛的產業參與者生態系統的加值服務,如測試和軟體資源的開發。

Protocol Insight A-PHY 協定分析儀:提供了上行和下行流量的時間相關封包以及封包統計訊息,其 Marlin 封包產生器 (exerciser) 支援流量產生,並具備錯誤注入功能。
Protocol Insight A-PHY 協定分析儀:提供了上行和下行流量的時間相關封包以及封包統計訊息,其 Marlin 封包產生器 (exerciser) 支援流量產生,並具備錯誤注入功能。

標準化還有助於產業更快地改進技術,因為供應商會開發更高效的方式來實施這些規範,這些方式隨後會整合到未來的版本中;標準化的介面還可以透過向前和向後相容性,簡化產品後續的維護和更新,同時也鼓勵開發者提供長期的支援;標準化使得技術的演進和更新更加順利,促進了產品的可持續發展,同時,標準化還為供應商提供了更多的競爭優勢,因為他們可以更快地推出符合標準的產品,滿足市場需求,並在產業中占據更有利的位置;整體而言,標準化對於促進技術進步、簡化產品維護、和提供長期支援都起著重要作用。


使用標準可以消除設計或選擇專有介面的負擔,使得汽車原廠和Tier 1供應商能夠專注於在協定堆疊更高層次上開發“高價值”的產品差異化技術,例如:利用機器學習和人工智能提供增強客戶體驗的應用,這樣做可以使他們專注於開發更具創新性、能夠區隔產品的技術,而無需花費過多精力設計專有介面。使用標準介面讓車廠和供應商能夠更有效地分配資源,集中精力提供更具價值的技術解決方案,從而提升產品的競爭力,並為客戶提供卓越的體驗。


MASS是專為需要在汽車內部具有高速、高度不對稱的資料傳輸網路應用而設計的,它與對稱協定(如車用乙太網路)相輔相成,儘管乙太網路和其他對稱網路協定,主要用於對等裝置之間的全雙工、對稱網路通訊,但MASS優化了將資源受限的外部元件與相應的電子控制單元(ECU)相連接,使用MASS表示汽車邊緣的元件可以更小、更簡單,同時在單向上提供高頻寬,例如:從攝影機、或雷達傳感器,到ECU的輸入 (inbound) 資料流,或從ECU到數位座艙顯示器的輸出 (outbound) 資料流。


整合藍圖


MASS的設計主要實現了即時的整合,如圖6所示,初步的整合將透過標準化的A-PHY SerDes橋接器,擴展短距離的MIPI C-PHY / D-PHY物理界面,從而取代專有的長距離SerDes解決方案。

圖6、MASS橋接解決方案與MASS整合解決方案(資料來源:MIPI Alliance)
圖6、MASS橋接解決方案與MASS整合解決方案(資料來源:MIPI Alliance)

MASS的作法為透過將A-PHY和其他MASS協定直接整合到傳感器、ECU和顯示器中,實現更高效的流程,從而消除了獨立橋接要素的需求;在某些情況下,整合可能會先從A-PHY連接的一端或另一端開始,例如:先將其整合到圖形處理器中,然後再整合到顯示模組中。


MASS 框架


MASS由四個主要要素組成,當這些要素結合在一起時,創造了一個從頭到尾的車用連接框架,這四個要素分別是(1)物理層介面、(2)高層協定、(3)功能安全和(4)資料安全性,每個要素在表2中有更詳細的描述。

表2、MASS的主要要素(資料來源:MIPI Alliance)
表2、MASS的主要要素(資料來源:MIPI Alliance)

為了說明這些規範如何構成框架,圖7顯示了完整的MASS協定堆疊,包括:物理層和連結層、協定適應層(protocol adaptation layer) 和協定層。

圖7、MASS協定堆疊(資料來源:MIPI Alliance)
圖7、MASS協定堆疊(資料來源:MIPI Alliance)

表3列出了目前MASS框架中各層所包含的規範,並在下面對每個規範進行了更詳細的描述;此外,還提供了內建於MASS中的功能安全和資料安全性啟用功能的概述,以及支援這些規範的各種一致性測試套件的簡要說明。

表3、MASS規範(截至2021年6月)(來源:MIPI Alliance)
表3、MASS規範(截至2021年6月)(來源:MIPI Alliance)

大部分MASS規範已經完成,其餘核心規範將於2021年底前完成,額外的規範將於2022年中完成,以進一步增強MASS框架的安全功能。


MIPI A-PHY SerDes (實體層和資料連結層)


在2020年9月,MIPI聯盟發佈了 MIPI A-PHY v1.0,這是首個非對稱的產業長距離SerDes物理層介面標準,A-PHY專為滿足車用產業的特定需求而設計,它將消除對專有物理層介面和橋接器的依賴,從而簡化車載通訊網路,降低成本、減輕重量並縮短開發時間。


在標準化帶來的優勢之外,A-PHY 還提供了前所未有的彈性和可靠性,讓汽車製造商、Tier 1供應商和元件供應商能夠更簡化和優化攝影機、感測器和顯示器的整合。A-PHY 不僅擴展了 MIPI CSI-2 和 MIPI DSI-2 的應用範圍,還支援其他經批准的非 MIPI 上層協定,從而減少了設計的複雜性,並加速了產品上市的時間。


A-PHY 概述


A-PHY物理界面(如圖8所示)為點對點、或鏈式拓撲 (daisy-chain topology) 中的資料源和資料接收器之間,提供非對稱的資料網路,它透過單根電纜(同軸或屏蔽差分對)傳輸高速單向資料、嵌入式雙向控制資料,並可選擇性地供應電源。

圖8、A-PHY物理介面(來源:MIPI聯盟)
圖8、A-PHY物理介面(來源:MIPI聯盟)

A-PHY在車用系統中的主要任務是在攝影機、顯示器、和相應的ECU之間傳輸資料,它提供了一個協定無關的資料連結層,可以支援其他MIPI規範和MIPI認可的第三方規範,A-PHY的傳輸距離可達15米,使得MIPI CSI-2和MIPI DSI-2等高層協定,可以直接在整個車輛範圍的物理連結上運行。

A-PHY v1.0的主要特點包括:

  • 在A-PHY v1.0中,支援高達16 Gbps的資料傳輸速率;在v1.1中,提升至32 Gbps,並有未來升級至48 Gbps及更高速率的規劃

  • 具有極高的可靠性,車輛資料傳輸的封包錯誤率(PER)永遠低於10-19

  • 具有出色的抗干擾能力,受電磁干擾(EMI)的影響極小

  • 延遲極低(最多6微秒)

  • 支援多種電纜類型,包括同軸電纜和屏蔽差分對(SDP)

  • 可以達到長達15米的距離,並具備四個內聯連接器 (inline connectors)


A-PHY 性能


A-PHY v1.0定義了兩個配置檔案和五個速度檔位(見表4),以滿足不同應用的性能、成本和複雜度需求。

表4 A-PHY v1.0速度檔位和調變方式(資料來源:MIPI Alliance)
表4 A-PHY v1.0速度檔位和調變方式(資料來源:MIPI Alliance)

檔位和調變方式如下:

  • 配置1: 設計用於簡單、成本最低的做法,縮短上市時間,使用NRZ-8b10b編碼,它形成了G1和G2兩個速度檔位。

  • 配置 2: 設計用於高性能應用,使用脈衝幅度調變(PAM)編碼,具有更高的EMC抗干擾能力和較低的資料包錯誤率,它形成了G3、G4和G5三個速度檔位,以及未來的更高速度檔位。


不同的速度檔位滿足了連接高性能攝影機、感測器和顯示器的需求,例如,G5檔位支援16 Gbps的速率,可以以每秒60幅的速度傳輸3840x2160的Ultra-HD影音;對於安全應用的延遲要求,A-PHY v1.0在G5檔位中的最大延遲為6微秒,即從A-PHY發射器產生資料包到A-PHY接收器接收資料包的時間。在這段時間內,可以進行快速的PHY層重新發送,以實現超低的資料包錯誤率,如下所述。


A-PHY的物理層透過其通用資料連結層和一組協定適應層(PALs),可以支援多種高層協定,這些協定適應層將這些協定映射到A-PHY的A-Packet格式中,除了用於MIPI CSI-2和MIPI DSI-2的協定適應層之外,還正在開發額外的協定適應層,可應用於多種低頻寬控制介面。


A-PHY採用窄頻干擾消除(NBIC)和物理層重傳方案(RTS),以實現最大的連接可靠性和超低的資料包錯誤率,RTS提供了極高的抗電磁干擾能力,可以恢復損壞的A-Packet,確保連接的穩定性;MIPI聯盟在獨立實驗室進行的測試顯示,即使經過多年的機械應力和老化,A-PHY連接仍能保持高度的抗干擾能力,這有助於A-PHY實現超低的資料包錯誤率,即<10-19,即車輛使用壽命內不到一個資料包的錯誤。


A-PHY未來的增強功能


A-PHY v1.1 目前正在開發中,將透過支援星形四對纜線(STQ)電纜上的雙下行連接,將Gear 5的最大下行資料速率從16 Gbps提高到32 Gbps,同時,上行速度將從100 Mbps增加到200 Mbps;此外,A-PHY v1.1還將將PAM4編碼擴展到更低的速度檔位(G1和G2),降低這些檔位的操作頻寬,使汽車 OEM 製造商、Tier 1供應商和其他供應商,能夠使用成本更低的舊有電纜和連接器實現A-PHY。


IEEE 標準採納 A-PHY


A-PHY v1.0已被採納為IEEE標準,IEEE 2977™-2021的批准《IEEE Standard for Adoption of MIPI Alliance Specification for A-PHY Interface (A-PHY) Version 1.0》,拓寬了MIPI A-PHY的應用生態系統,進一步促進了全球汽車產業的互通性、供應商選擇、和規模效益。


A-PHY協定適應層(PALs)


MIPI協定適應層(PALs)定義了在A-PHY連接中,傳輸已驗證的MIPI和經批准的第三方協定所需的轉換方式,MIPI協定適配層將這些經批准的高層協定轉換到A-PHY的A-Packet格式中,作為從A-PHY的通用資料連結層到高層協定之間的傳輸通道(見圖9),這樣,協定適配層使得高層協定能夠在A-PHY物理連接中無縫運行。

圖9、A-PHY協定適應層(資料來源:MIPI聯盟)
圖9、A-PHY協定適應層(資料來源:MIPI聯盟)

MASS(MIPI Automotive SerDes Solutions)整合了多個PAL規範,用以簡化A-PHY與各種上層協定的整合,目前已經有了MIPI CSI-2、MIPI DSI-2、VESA eDP/DP、I2C和GPIO介面的PAL,目前正在開發一個額外的PAL,以便透過乙太網路對外圍裝置進行控制和配置,預計於2021年發布;此外,還計劃於2022年開發一個用於I3C的PAL,表5列出了所有PAL的完整清單。

表5、MASS協定適配層(資料來源:MIPI聯盟)
表5、MASS協定適配層(資料來源:MIPI聯盟)

MASS協定層


MASS運用了一系列在汽車產業被廣泛支援的高層協定,包括MIPI CSI-2(用於攝影機)、MIPI DSI-2和VESA eDP/DP(用於顯示器),以及多種低速控制協定,如I2C、GPIO、乙太網路和I3C;下面會對每個高層協定進行簡要介紹。


MIPI攝影機協定


MIPI的攝影機協定主要應用於智慧型手機、平板電腦、汽車、無人機、可穿戴裝置、和其他產品中,來傳輸高解析度影像、豐富色彩、和先進的影像功能;這些協定使攝影機、和高速傳感器能夠與應用處理器、或影像訊號處理器相互連接,在汽車應用中,MIPI攝影機協定通常與MIPI攝影機服務擴展(CSE)用於安全和資料安全性,以及MIPI攝影機命令集(CCS)使用於高層控制的相互結合。


MIPI CSI-2


自2005年以來,CSI-2已成為連接行動裝置系統中攝影機和主機裝置的標準,除了在行動裝置中廣泛應用外,CSI-2在汽車系統單片機(SoC)元件中也得到廣泛採用,它不僅提供了與車載攝影機的連接,還可連接CSI-2的雷達和雷射雷達傳感器,這些傳感器在先進駕駛輔助系統(ADAS)中扮演關鍵角色。CSI-2的廣泛應用證明了其不斷演進的能力和在多種應用中的靈活性,同時也展現了該規範在提供汽車級電子系統服務方面的可靠性和成熟度。


CSI-2可支援各種不同的影像解析度、影音訊框率 (frame rate)、色彩深度、和高動態範圍功能的傳感器;例如:目前的應用中,攝影機的解析度可超過4000萬像素,視訊捕捉速率可達4K/120fps或8K/30fps,這使得CSI-2在現代車輛中的應用非常理想,因為車輛需要多個攝影機和其他傳感器,每個傳感器都有自己的用途和要求。


CSI-2 v3.0提供了針對現代車輛影像系統設計的功能,這些功能利用機器感知等技術,包括:

  • RAW-24: 這是一種以24位元精度表示單個影像像素的格式,提供了更高的影像品質,有助於自駕系統做出更好的決策,例如,在設計一個主動安全輔助系統應用時,RAW-24可以幫助前置攝影機系統區分陰影和道路上的黑暗障礙物,即使汽車剛從陽光明媚的地方進入隧道。

  • 感興趣的智慧區域(SROI): 這個功能的主要目的是利用機器推理算法更準確地分析圖像,透過在感測器模組中進行更多的分析來實現,這樣做可以減少傳送到遠端ECU的資料量,從而提高系統效率。

  • 統一串列連接(USL): 這個功能透過將控制訊號資料與影像像素封裝在一起,來減少連接影像感測器與相應應用處理器所需的線路數量;這種減少線路數量的做法使得車載感測器與處理器之間的連接更加簡單,同時也降低了設計的複雜性。


CSI-2 v4.0將於2021年發布,增加以下功能支援:

  • 始終開啟的監控通道 (AOSC, Always-On Sentinel Conduit): 這項功能可透過整合或外部控制器實現超低功耗的 ”始終開啟” 推理,使得低功耗感測器始終處於 ”開啟狀態”,始終監控周圍環境,只有在發生相關事件時才喚醒遠端應用處理器;AOSC將使CSI-2訊框傳輸和雙向控制可以透過雙線I3C解決方案實現,而不是透過CSI-2 PHY(如MIPI C-PHY或MIPI D-PHY)進行傳輸。

  • RAW-28 影像捕捉: 這是一項針對關鍵任務、即時感知的自主應用的功能。

MIPI攝影機服務擴展(CSE)


攝影機服務擴展(CSE)規範定義了CSI-2的擴展功能,包括:功能安全、安全性和其他特性;CSE規範可應用在具有從ASIL B到ASIL D等級功能安全目標的車用系統;此外,CSE的使用也可應用於非車用系統的情境。


CSE定義了服務擴展封包(SEP)的格式,以實現從感測器到相應ECU的端到端資料保護機制,在使用SerDes橋接連接時,所有的SEP封包在連接時,會透過MIPI C-PHY / MIPI D-PHY進行封裝和傳輸,以建立一個隧道來保護資料的傳送,然後透過A-PHY橋接進一步傳送至遠端的A-PHY接收器。


CSE還引入了ESS-CCI(Enhanced Safety and Security for Camera Command Interface)協定,用於實現感測器與相關ECU之間控制通道的端到端保護,該協定使用PAL/I2C在A-PHY上進行隧道封裝。


使用CSE可以使汽車系統實現ADAS的安全目標,達到ISO 26262:2018標準下的ASIL D級別;它支援的安全機制,包括:端到端保護,建議對資料通訊匯流排實現“高”診斷覆蓋率。


如果系統中的所有元件(即資料源和資料接收器)都支援CSE,那麼由資料源(例如影像感測器)產生的任何SEP封包,在傳輸到接收器(例如影像處理器)的過程中,如果被修改或中斷,都將被檢測到。


MIPI 攝影機指令集


MIPI 攝影機指令集(CCS)是針對CSI-2設計的,可快速整合影像感測器功能,無需依賴特定裝置驅動程式,同時,它還賦予開發人員靈活性,可以自訂更高階的攝影機和影像系統處理方式,同時降低攝影機和影像元件的整合需求和成本。


CCS支援CCS靜態資料,實現標準化能力和組態文件,它可以與支援I2C、MIPI I3C和MIPI CSI-2的感測器一起使用,並使用統一串列連接(USL)指令和控制介面,透過CCS靜態資料,一個裝置驅動程式可以與多個不同的影像感測器和模組進行交互作用,從而實現共用的驅動程式,簡化新元件的整合流程。


MIPI還提供CCS工具,以補充CCS的功能,包括:


  • 一個以YAML為基礎定義的純文字格式,讓開發人員可以以純文字形式讀取和編輯CCS靜態資料文件,並且可以輕鬆地透過腳本和其他程式產生。

  • 利用 Perl腳本,將這些以純文字的CCS靜態資料文件,轉換為CCS靜態資料的二進制格式。

  • 實現以C語言編寫的參考庫,提供了一個通用工具,用於解析轉換器產生的二進制文件,這使得在驅動程式中支援CCS靜態資料更加容易;無論在哪裡使用標準解析庫,CCS靜態資料的二進制文件都可以以相同的方式進行讀取。

此外,還開發了符合CCS標準的Linux攝影機感測器驅動程式,可用於Linux主要發展核心 (mainline kernel),MIPI CCS和MIPI CCS Tools是可公開使用的。


CCS工具以3-Clause BSD 授權進行分發,可在MIPI Alliance的GitHub程式庫中下載。


顯示協定


MIPI DSI-2


MIPI DSI-2(MIPI Display Serial Interface 2)規範已經具備支援多個車用顯示器的功能,這要歸功於高頻寬的物理連接、資料壓縮、和靈活但簡單的架構,DSI-2支援自定義和標準設計,非常適用於新一波的車用顯示器開發,核心的DSI-2規範還可透過MIPI DSE和DCS規範(下文詳述)進行擴充。


和CSI-2一樣,DSI-2規範最初是在2000年代中期為智能手機開發的,支援高解析度和訊框率,具有低功耗特性,可用於顯示模式和命令模式的顯示器;DSI-2目前可以支援每秒超過三千兆像素的無壓縮影像內容,在最近發布的v2.0規範中,這一數字提升到了六千兆像素;它的傳輸層採用了VESA VDC-M標準,用於對顯示的內容會資料進行視覺無損壓縮。


DSI-2讓設計師在同一個控制台上使用一組訊號線,串聯多個不同像素時序的顯示器,MIPI DCS(MIPI Display Command Set)的命令協定確保每個顯示器按照其獨特的刷新率,接收到定時的資料封包,而較少的MIPI PHY線路表示減少元件、降低系統和製造成本,以及減少複雜性。


DSI-2協定支援了一些功能,以滿足汽車產業獨特且嚴格要求,這些功能包括:提供增強的連接完整性,用於資訊安全應用以及保護娛樂影音串流的HDCP功能,確保資料的安全性。


圖像壓縮在應對下一代車輛中的高性能和高速度介面顯示器的普及至關重要,VDC-M顯示壓縮標準能夠以最大6:1的壓縮比,將24位元未壓縮RGB源的像素壓縮為每像素4位元(或將30位元未壓縮RGB源的像素壓縮為每像素5位),同時最小化對延遲的影響,這有助於汽車設計師滿足對更大總車輛顯示頻寬的需求。


最近,MIPI進行了一項影像壓縮研究,評估VDC-M在汽車應用場景中的視覺無損特性,這項研究結果證明了DSI-2在應對下一代車輛中不斷增長的頻寬挑戰提供了解決方案,透過使用VDC-M標準進行影像壓縮,可以達到最高6:1的壓縮比,從而有效地降低傳輸介面對於速度的要求,這表示在保持視覺上無損的前提下,車輛設計師可以減少介面所需的頻寬,更好地滿足對總車輛顯示頻寬的需求,相關論文可從MIPI Alliance網站下載。


MIPI顯示服務擴展(DSE)


MIPI 顯示服務擴展 (DSE) 規範定義了 DSI-2 和 eDP/DP 顯示協定在 A-PHY 連結上從顯示源(例如中央 ECU)到顯示接收器(例如主動矩陣顯示模組)的傳輸流程和機制,DSE 提供了功能安全、資料安全性和其他功能。


DSE規範定義了一種服務擴展封包(SEP)格式,用以實現資料保護,並將影音時序和時脈訊息嵌入到A-PHY封包中,顯示串流內容由顯示源和接收器在其協定層中轉換為/自SEP格式,從而提供端到端的資料保護。


在使用A-PHY橋接器的情況下,SEP封包從資料源透過MIPI C-PHY / MIPI D-PHY進行隧道封裝,然後被封裝成A-PHY A-Packets,透過分組交換的A-PHY網路傳輸到遠端接收器,並在那裡進行相反的操作。如果顯示源和/或接收器元件支援整合的A-PHY功能,SEP封包可以直接透過A-PHY網路傳輸到遠端A-PHY接收器,而無需使用橋接器元件。


使用SEP格式可以實現顯示系統在ISO 26262:2018標準下,達到ASIL D級別的ADAS安全目標,同時支援端到端的資料保護機制,以確保對資料通訊匯流排的"高"診斷覆蓋率。


如果系統中的所有元件(即資料源和資料接收器)都支援DSE,那麼由資料源產生的任何SEP封包,在傳輸到接收器的過程中如果被修改或中斷,都將被檢測到。


MIPI 顯示命令集 (DCS)


MIPI 顯示命令集 (DCS) 提供了一套標準化的命令集,用在DSI-2上對顯示器進行控制和提供影像資料,它定義了所有設定、控制和測試功能的命令,包括:解析度、寬度、和亮度等設定的控制,DCS支援VESA DSC和VDC-M顯示串流壓縮標準。


採用DCS有助於不同廠商產品之間的無縫互通,從而簡化了行動裝置和其他產品的整合和開發流程,這不僅減少了上市時間和設計成本,還能夠輕鬆添加新的功能,並充分利用MIPI規範的可擴展性,進一步增強了產品的多功能性和適應性。


VESA 顯示協定


VESA DisplayPort 和 Embedded DisplayPort(eDP)是由VESA開發和標準化的數位顯示協定,該介面主要用於連接影音源(例如ECU)和顯示裝置(例如顯示模組)。


功能安全


MASS(MIPI Automotive Subsystem)實現了資料保護功能,有助於滿足ISO 26262:2018的功能安全要求,使設計師能夠構建符合相應ASIL規範(從ASIL B到ASIL D)的系統,滿足單點故障度量(SPFM)和潛在故障度量(LFM)的要求,MASS的功能安全性,能使其成為應用於汽車領域的理想選擇,它確保系統在面對故障時能,夠可靠運行並保護資料的完整性和可用性。

圖10、「橋接器間 (bridge-to-bridge)」和「端對端 (end-to-end)」資料保護的例子(來源:MIPI聯盟)
圖10、「橋接器間 (bridge-to-bridge)」和「端對端 (end-to-end)」資料保護的例子(來源:MIPI聯盟)

在MASS中,設計了多個功能,包括在物理層和協定層,以實現「bridge-to-bridge」和「end-to-end」的資料保護解決方案,如圖10所示。


在物理層面上,A-PHY具備一些功能,使之可以在汽車應用中實現功能安全性:

  • 在A-PHY的A-Packet格式中,封包表頭和封包尾端,都包含循環冗余檢查(CRC),用於檢測封包的完整性;此外,封包表頭中還包含一個8位元的訊息計數器,用於檢測A-Packet的丟失和重播攻擊,同時,還有一個超時監控器用於檢測通訊的丟失,這些功能協助確保資料在傳輸過程中的完整性和可靠性,並提供對潛在攻擊和通訊問題的檢測和保護。

  • 每個A-PHY的連接,使用一個有時間限制的PHY層級的本地重傳機制(RTS),用於恢復損壞的A-Packet,確保連接的穩定性,對上層協定層完全透明;該RTS機制對電磁干擾(EMI)具有極高的免疫能力,而RTS機制的低開銷則有助於A-PHY在3、4和5檔等上層速度檔位,實現約90%的效能,這種效率比許多其他協定更高。這一機制確保了在A-PHY連接中封包的可靠傳輸和良好的性能表現。

在MASS堆疊的更高層中,MIPI CSE和MIPI DSE服務擴展規範為攝影機和顯示協定增加了功能安全性,這使得從感測器資料源到ECU資料接收器(包括可選擇的橋接傳輸),以及從ECU資料源到顯示面板資料接收器(包括可選擇的橋接傳輸)實現了"端對端"的資料保護。


資料安全


MASS整合了安全功能,MIPI DSE的初始版本支援顯示器的HDCP,為MIPI DSI-2顯示資料提供端對端的內容保護,並為VESA eDP/DP顯示資料提供橋接器間 (bridge-to-bridge) 的資料保護。


未來的CSE和DSE規範將於2022年中期推出,並新增額外的安全功能,這些更新將引入端對端安全機制,包括;身份驗證、機密性(加密)、資料完整性、和重播攻擊保護。


MASS規範的一致性測試套件


MIPI Alliance已經開發了一致性測試套件(CTS)來確保基於MIPI規範的產品之間的互通性以及測試工具和環境的可用性,這些測試套件主要幫助開發者評估其產品的一致性,重要的是要認識到,MIPI並不批准或證明任何產品符合其規範,並且目前並未定義官方的資格認證計劃。


目前,MIPI成員可以使用符合C-PHY、D-PHY和CSI-2的一致性測試套件,對於CCS,符合性測試套件已在MIPI網站上公開提供給成員和非成員。


而A-PHY、DSI-2和DCS的一致性測試套件正在開發中。


結論


現今汽車科技發展迅速,電子元件對新車設計和成功扮演著至關重要的角色,先進駕駛輔助系統(ADAS)和車載娛樂平台不斷演進,自動駕駛系統(ADS)成為開發的重點,這些創新需要更多攝影機、傳感器、顯示器和運算資源,供應商生態系統也在不斷壯大,連接這些元件的資料介面在安全和保密方面至關重要,標準化和互通性對於汽車創新至關重要。


MIPI聯盟透過MIPI車用串行解決方案(MASS)來呼應這些應用,該解決方案提供了端到端的連接解決方案,包括:攝影機、傳感器和顯示器等越來越多的汽車應用所需的完整連接性方案,這些解決方案在協定層面內建了前所未有的功能安全和資料安全性功能,將幫助汽車製造商整合新興的安全功能,例如:低延遲的倒車攝影機、車道保持、和標誌檢測傳感器,以及360度攝像頭、雷射雷達和雷達系統,MASS還支援多個高解析度的儀表、控制和娛樂顯示器的整合。


附錄 A - MASS使用案例


後方備用攝影機和儀表板顯示螢幕

圖11、後備攝影機和顯示螢幕的範例(來源:MIPI Alliance)
圖11、後備攝影機和顯示螢幕的範例(來源:MIPI Alliance)

一個安裝在車輛後方的攝影機,提供後方即時影音,並將其傳輸到高清顯示器上,以提醒駕駛員車輛行進路徑上的行人或其他物體,攝像頭使用MIPI CSI-2透過MIPI A-PHY直接將影像資料串流傳輸到一個ECU上,ECU在處理數據後,使用MIPI DSI-2或VESA eDP/DP直接透過MIPI A-PHY將即時影音串流傳輸到駕駛台上的顯示器上。


車道保持攝影機

圖 12、車道保持攝影機/傳感器的範例(來源:MIPI Alliance)
圖 12、車道保持攝影機/傳感器的範例(來源:MIPI Alliance)

在車輛前方安裝了高解析度的MIPI CSI-2攝影機和其他感測器,用於即時捕捉道路標線的影像,在某些情況下,攝影機/感測器模組可能會進行一些預先處理,以確定車輛在車道中的位置,影像資料透過MIPI A-PHY上的MIPI CSI-2傳輸到電子控制單元(ECU),ECU從多個攝影機/感測器接收資料,進行感測器融合,以實現先進的駕駛輔助系統和即時決策。


在圖12所示的兩種配置中,從資料來源到資料接收端實施了功能安全性和資料安全功能,以確保極低的錯誤率並提供對故意、或非故意篡改的端到端保護,這些封閉迴路的MASS實現確保了影像傳感器和/或顯示器的可靠工作,這對於這些類型的安全關鍵性應用非常重要;在這兩種配置中,A-PHY的低延遲和高資料速率在嚴格的時序要求下,實現了高品質的影像傳輸。


原文網址與下載:MIPI Alliance


關於 MIPI Alliance


MIPI Alliance(MIPI)是為行動和行動應用關聯性 (mobile-influenced) 的產業開發介面規範的組織,每一款現代智慧手機都至少使用了一項MIPI規範;MIPI聯盟成立於2003年,即將迎來其20週年慶典,該組織擁有超過375家全球會員公司和15個活躍的工作小組,致力於為廣大的行動生態系統提供規範;組織的成員包括:手機製造商、設備原始設計製造商(OEM)、軟體供應商、半導體公司、應用處理器開發商、IP工具供應商、汽車製造商和Tier 1供應商、測試儀器商,以及相機、平板電腦和筆記型電腦製造商等;欲了解更多資訊,請至 www.mipi.org


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