與這些趨勢相關的挑戰之一是必須簡化連接裝置晶片組和周邊元件的電氣介面。本文將討論能夠滿足這些關鍵需求的一種通用傳輸層協議——MIPI UniPro(統一協議)。MIPI UniPro可以簡化智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、相機和多媒體裝置、各種智慧手錶、健康監測儀以及作為IoT裝置進入市場的各種創新行動產品所需的互連。

MIPI UniPro:協議目的和市場應用

MIPI UniPro是由MIPI聯盟(MIPI Alliance)開發的,為交換封包傳輸規定了一種傳輸層協議堆疊。它建置於MIPI M-PHY實體層上,並形成了MIPI UniPort-M介面。

正如其名所示,MIPI UniPro是一種統一的協議。它並不像一般協議那樣針對特定的應用,而是從一開始就設計作為一種通用的輕量級協議,並且專為行動裝置提供卓越的協議效率。它也不像為PC產業開發的其它知名傳統協議那樣需要很大的開銷,因為在PC產業中功耗通常不是工程師關心的重點。MIPI UniPro可以作為一種獨立介面用於處理器之間的通訊(IPC),或成為一種建構模組用於多媒體介面。它還可以與其它MIPI或非MIPI應用層協議共同使用。

從採用這些規範的組織機構類型,就可以看出MIPI UniPro和MIPI M-PHY的通用性。JEDEC組織使用UniPort-M為其通用快閃記憶體儲存(UFS)規範提供基礎。Google使用UniPort-M將組成其Project Ara智慧型手機平台的模組連接在一起。MIPI相機序列介面(MIPI CSI-3)使用UniPort-M介面,將相機和應用處理器連接在一起。

MIPI UniPro的歷史

MIPI UniPro最初版本在2007年推出,當前的版本是v1.6,發佈於2013年9月。

MIPI UniPro從2004年起在產業中發揮作用,當時MIPI聯盟成立了MIPI UniPro工作組,致力於開發一種能夠滿足廣泛需求的可互通性介面。該工作組的目標是採用一種協議堆疊支援種類廣泛的元件類型和資料流量;減少和標準化裝置之間眾多的實體鏈路,從而為設計模組化鋪路,達到縮短新手機設計和製造週期的目的;簡化關鍵元件的系統整合;以及確保所有版本的後向相容性,使這一規格永不過時。

關鍵技術特性:應用案例

接下來簡要說明MIPI UniPro-M如何滿足各種不同介面需求的技術性能。

通用實體鏈路:MIPI UniPort-M能夠在一條實體鏈路上使用多個邏輯通道。一種所謂的Cport可為多達2,047個邏輯通道中的每個通道提供雙向應用出入口。每個邏輯通道上的應用訊息先被分段,接著加上UniPro訊框標頭和頁腳發送出去,並在M-PHY實體通道上以時間多工的方式進行傳輸,如圖1所示。

20160811 MIPI TA31P1 圖1:UniPro訊框多工範例

因此,一個實體通道就可以用來支援連接多個應用(如顯示、音訊、控制、儲存和其它應用)所需的邏輯。換句話說,單個應用可能因為多個目的而共享一個雙向CPort通道:舉例來說,一台顯示裝置可以使用CPort通道連接到顯示器,並使用反向通道傳輸觸控螢幕資料(圖2)。

20160811 MIPI TA31P2 圖2:使用MIPI UniPort-M作為導入媒體模組的通用傳輸通道

調整鏈路速度與功耗模式:MIPI UniPort-M可以提供可變的鏈路速度,並能夠透過動態地改變速度而最佳化性能,同時有效地管理功耗。一條雙向UniPort-M鏈路主要透過其工作模式、變速裝置及可用通道數量進行表徵。慢速模式(SLOW MODE)針對低功耗傳輸進行了最佳化;通道通常未端接,即可可以支援7種不同的速度,範圍從每通道3Mbps到576Mbps。在快速模式(FAST MODE)下支持從每通道1.5Gbps開始的三種不同速度,且速度逐一倍增,最高是每通道6Gbps。雙向提供非對稱設置的內外鏈路支援最多達4個平行通道。

SLOW和FAST模式還可以與AUTO功能結合,從而為資料流量間隙控制M-PHY BURST的關閉及因此產生的鏈路功率。在完全沒有資料流量的情況下,睡眠(HIBERNATE)模式可以驅動整條鏈路進入超低功耗狀態。

UniPro提供了一個較低層的鏈路協議,不需要邊帶訊號就可以動態管理鏈路(圖3)。在一端的應用使用所謂的POWERMODE訊息控制整條雙向鏈路設置,該訊息將為Mode、Gear和眾多使用通道要求新的鏈路設置,包括對內和對外鏈路。應用請求必須針對一致性進行檢查,然後透過UniPro的獨特PHY配接器配置協議(PACP)與對等裝置進行通訊。此處再次執行一致性檢查,再將認可的新設置訊息返回給申請者。接著再將設置同時應用於本地裝置和對等裝置。在配置過程中應用資料流量暫時停止,配置本身只需幾微秒的時間,即可讓頻繁的動態變化適應應用的功耗規劃。

20160811 MIPI TA31P3 圖3:通過PACP實現的動態帶內鏈路管理。

媒體轉換器:MIPI UniPort-M可讓資料透過光纖或銅纜從一個節點傳輸到另一個節點。基於MIPI M-PHY的UniPro支援使用頻帶內M-PHY配置,實現媒體轉換器(MC)控制。媒體轉換器有助於改善更長距離的訊號完整性,還可以提高電磁兼容(EMI)性能。

未來更多的進展

MIPI UniPro工作組一直在不斷改進MIPI UniPro。新版規格可望在今年發佈,屆時將與MIPI M-PHY實體層整合在一起。 M-PHY v4.1將導入高速GEAR 4(High Speed GEAR 4)功能,並較上一版規格倍增最大資料傳輸速率,因而能夠作業於 11.6Gbit/秒/通道或4通道46.4Gbit/s。倍增的資料傳輸速率將有助於設計人員提供更高的吞吐量,和/或減少通道數來降低成本。

當前v1.6版本的MIPI UniPro是一種點對點的介面。然而,UniPro的設計考慮加進了基本的網路支援,而且市場上確實存在網路方面的使用需求。舉例來說,Google Project Ara就在MIPI UniPro v1.6基礎上開發一個網路交換機,用於在多個MIPI UniPro點對點連接間傳輸封包。因為MIPI UniPro傳輸層並未定義各個點之間的主/從關係,因此這樣的網路可能有一個以上的主應用設備。這種經驗可能是首次嘗試在手機上創建模組化網路,可望激發為未來新版本MIPI UniPro定義相關功能的興趣。

(參考原文:Streamlining interconnections for compact designs,by Jurgen Urban)