幾十年前當(dāng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工程師們想要降低成本時，他們會使用那個年代規(guī)模化生產(chǎn)的PC架構(gòu)。通過采用原先為PC架構(gòu)開發(fā)的硬件和軟件，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工程師能夠在降低開發(fā)成本的同時，獲得經(jīng)過上千萬消費(fèi)電子應(yīng)用驗證的高可靠性元器件。PC總線為專用的嵌入式應(yīng)用提供了極具吸引力的低成本替代方案。除了以上優(yōu)勢之外，嵌入式開發(fā)工程師還能充分利用易于使用的設(shè)計工具和基于熟知的架構(gòu)之上的開源操作系統(tǒng)。通過將設(shè)計遷移到PC架構(gòu)，使得設(shè)計工程師能夠?qū)⒌统杀緜鬟f給終端消費(fèi)者，并且縮短開發(fā)周期。

PC時代已經(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。現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工程師在考慮如何利用消費(fèi)電子市場上規(guī)模化生產(chǎn)帶來成本優(yōu)勢時，智能手機(jī)市場變成了首選。全球范圍內(nèi)每年賣出的智能手機(jī)數(shù)量高達(dá)數(shù)十億部，各個領(lǐng)域的設(shè)計工程師都在嘗試如何充分利用當(dāng)今移動解決方案中關(guān)鍵元器件提供的高性能和低成本優(yōu)勢。就像二十年前PC架構(gòu)所扮演的角色一樣，移動市場提供了工程師熟悉的硬件架構(gòu)和應(yīng)用，其性能已經(jīng)在競爭激烈的消費(fèi)電子市場中得到驗證。

推動當(dāng)前便攜式設(shè)備設(shè)計發(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，旨在為移動和移動相關(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)新移動產(chǎn)品時所需的硬件和軟件接口規(guī)范，同時加速產(chǎn)品上市進(jìn)程并降低成本。通過制定一整套核心標(biāo)準(zhǔn)，MIPI聯(lián)盟使得移動設(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)，以簡化移動系統(tǒng)設(shè)計并確保互操作性（圖片來自MIPI聯(lián)盟）

該組織已經(jīng)從最初的四個成員發(fā)展到現(xiàn)在的成百上千個成員，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MIPI規(guī)范。

事實上，MIPI聯(lián)盟的影響力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了移動行業(yè)的范疇。隨著移動互連融入到人們生活中的方方面面，越來越多不同行業(yè)中的設(shè)計工程師正在嘗試為他們的設(shè)計采用移動技術(shù)。但是在這個過程中，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)今移動應(yīng)用處理器（AP）上的接口類型或數(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)計者們能夠從移動市場中獲益最多的MIPI標(biāo)準(zhǔn)元器件。如今的移動系統(tǒng)設(shè)計常常包含采用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采用一個差分時鐘和1-4對差分?jǐn)?shù)據(jù)線來傳輸數(shù)據(jù)，D-PHY是一種中心對齊的源同步接口，在時鐘的上下邊沿都有數(shù)據(jù)傳輸。D-PHY的獨家特性之一是能夠“即時”將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號。

當(dāng)設(shè)計中采用傳統(tǒng)或?qū)Ｓ蔑@示屏以及傳統(tǒng)或?qū)Ｓ脠D像傳感器時，嵌入式設(shè)計工程師該如何利用MIPI市場提供的眾多優(yōu)勢呢？ 以工業(yè)市場為例。一直以來，嵌入式應(yīng)用設(shè)計工程師都依賴于采用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)勢的工業(yè)應(yīng)用設(shè)計工程師在保留傳統(tǒng)LVDS顯示屏?xí)r，需要實現(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。解決這個問題的一個方法是構(gòu)建從OpenDSI、LVDS或?qū)Ｓ媒涌诘組IPI DSI的視頻橋接解決方案（見圖2）。

圖2. 視頻橋接解決方案使得設(shè)計工程師能夠?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)計工程師也想在設(shè)計中采用最新一代移動處理器和應(yīng)用時保留CMOS攝像頭。圖3（下圖）說明了如何實現(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。隨著汽車設(shè)計中像高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和車載信息娛樂系統(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，對于視頻橋接解決方案的需求也在不斷增長。在攝像頭的幫助下，駕駛員不僅可以在倒車時看到后方車輛，它們還可以替代兩側(cè)后視鏡以提供360度視野，并支持各類應(yīng)用，例如車道變更跟蹤和盲點減少。在現(xiàn)在的汽車中，設(shè)計工程師可以聚合來自多個圖像傳感器的視頻數(shù)據(jù)，將其拼接在一起，通過單個CSI-2接口傳輸?shù)綉?yīng)用處理器。

設(shè)計工程師在游戲應(yīng)用中聚合來自多個攝像頭的數(shù)據(jù)或?qū)⑵浞珠_輸出到多個顯示屏，這樣的視頻橋接解決方案經(jīng)過驗證是非常有用的。舉個例子，快速發(fā)展的虛擬現(xiàn)實（VR）市場的最新趨勢之一是從單個顯示屏轉(zhuǎn)為各使用一半帶寬的雙顯示屏頭盔，為用戶提供立體圖像。但是如果應(yīng)用處理器只有一個DSI接口，設(shè)計工程師該如何拆分視頻輸出到兩個顯示屏？圖4（下圖）說明了如何使用視頻橋接解決方案將來自應(yīng)用處理器的單個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HD或一個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，實現(xiàn)支持立體圖像的VR頭盔

另一個潛在的橋接應(yīng)用是將數(shù)據(jù)聚合為單個CSI-2輸出。圖5（下圖）說明了無人機(jī)或VR開發(fā)工程師如何使用全新的橋接器件將多個圖像傳感器視頻輸出聚合為滿足應(yīng)用處理器接口要求的單個輸入。該橋接可用于設(shè)計中的應(yīng)用處理器無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接收多個CSI-2輸出。多個合并的視頻流還必須共享公共時鐘，并且在某些情況下還需要單獨的上電時序。

圖5. 無人機(jī)和其他系統(tǒng)制造商在設(shè)計中集成多個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為攝像頭、顯示屏和應(yīng)用處理器轉(zhuǎn)換不兼容的接口，將多個視頻流合并為單個輸出，或者將單個視頻輸出拆分為多個。

解決這個問題的一種方法是使用通用的多通道無源開關(guān)將信號傳送到電路板上的多個位置。然而，大多數(shù)多路復(fù)用/解復(fù)用解決方案不能為設(shè)計工程師提供所需的高性能或高度的設(shè)計靈活性。另一個選項是投資基于特定應(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）以及超長開發(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)計工程師提供設(shè)計靈活性并加速產(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MIPI D-PHY硬核以及支持多種視頻功能的面向移動應(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MIPI D-PHY塊最高支持四條數(shù)據(jù)通道和一條時鐘通道用于發(fā)送和接收（Tx和Rx）數(shù)據(jù)。兩個可編程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)計工程師可使用萊迪思Diamond設(shè)計軟件來配置PFU模塊并實現(xiàn)設(shè)計。

基于CrossLink器件的接口橋接解決方案的開發(fā)流程相對來說比較簡單。開發(fā)人員首先從萊迪思Diamond FPGA設(shè)計軟件的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IP，構(gòu)建IP之間的互連以及規(guī)劃設(shè)計中IP所使用的資源。

一旦生成IP，開發(fā)工程師就可以使用Aldec仿真器進(jìn)行仿真。開發(fā)工程師只需打開Aldec仿真器，打開工具并點擊執(zhí)行即可。仿真完成后，開發(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)計硬件調(diào)試。Reveal工具集成在萊迪思Diamond FPGA設(shè)計軟件中，具備一鍵操作、高級觸發(fā)功能、簡單的流程、支持修改原始設(shè)計以及增強(qiáng)的邏輯分析儀波形顯示功能。

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

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