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作者：Kainan Wang，ADI公司系統應用工程師 摘要 千兆多媒體串行鏈路 (GMSL)和千兆以太網(wǎng)(GigE)是相機應用中兩種流行的鏈路技術(shù)，常見(jiàn)于不同的終端市場(chǎng)。本文對兩種技術(shù)的系統架構、關(guān)鍵特性和局限性進(jìn)行了比較分析。這將有助于解釋這兩種技術(shù)的基本原理，并深入了解為什么GMSL相機是GigE Vision相機的有力替代方案。 背景知識 GigE Vision是基于以太網(wǎng)基礎架構和協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )相機接口標準。它廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域。ADI公司的GMSL是一種專(zhuān)門(mén)用于視頻數據傳輸的點(diǎn)對點(diǎn)串行鏈路技術(shù)，最初是為汽車(chē)攝像頭和顯示應用而設計的。 這兩種技術(shù)都旨在擴展圖像傳感器視頻數據的傳輸距離，但每種解決方案有其各自的特性。多年來(lái)，我們看到越來(lái)越多的GMSL相機在汽車(chē)之外的領(lǐng)域得到采用，它們通常作為GigE Vision相機的替代方案。 典型系統架構 圖像傳感器連接 GigE Vision相機的信號鏈（如圖1所示）通常由三個(gè)主要元件組成：圖像傳感器、處理器和以太網(wǎng)PHY。處理器將圖像傳感器中的原始圖像數據轉換為以太網(wǎng)幀，該過(guò)程通常涉及圖像處理和壓縮或幀緩沖，以使數據速率適合以太網(wǎng)支持的帶寬。 
圖1.GigE Vision相機傳感器側的主要信號鏈元件。 GMSL相機的信號鏈（如圖2所示）通常更加簡(jiǎn)單，僅包含圖像傳感器和串行器。在典型應用中，串行器轉換圖像傳感器中的原始數據，然后以其原始格式通過(guò)鏈路發(fā)送。這些相機無(wú)需處理器，設計更簡(jiǎn)單，更適合需要小尺寸相機和低功耗的應用。
圖2.GMSL相機傳感器側的主要信號鏈元件。 主機處理器連接 GigE Vision相機因其與眾多主機設備的兼容性而受到業(yè)界的廣泛認可。千兆以太網(wǎng)端口幾乎是個(gè)人計算機(PC)或嵌入式平臺的標準配置。一些GigE Vision相機可以使用通用驅動(dòng)程序，提供真正的即插即用體驗。 GMSL相機需要主機側提供解串器。在大多數用例中，主機設備是帶有一個(gè)或多個(gè)解串器的定制嵌入式平臺。解串器通過(guò)其MIPI發(fā)送器以圖像傳感器MIPI輸出的原始格式傳輸圖像數據。對于此類(lèi)相機，每種定制相機設計都需要一個(gè)匹配的驅動(dòng)程序，就像任何其他MIPI攝像頭一樣。然而，如果圖像傳感器的驅動(dòng)程序已存在，則一對SerDes只需要幾個(gè)預設寄存器或執行幾次寄存器寫(xiě)操作，就能將視頻流從相機傳輸到SoC。
圖3.典型GigE Vision網(wǎng)絡(luò )。 當僅使用一個(gè)相機時(shí)，GigE Vision在系統復雜性方面可能比GMSL有一些優(yōu)勢，因為它可以直接連接到具有以太網(wǎng)端口的PC或嵌入式平臺。然而，當使用多個(gè)GigE相機時(shí)，就需要以太網(wǎng)交換機。它可以是專(zhuān)用以太網(wǎng)交換機設備、具有多個(gè)以太網(wǎng)端口的網(wǎng)絡(luò )接口卡(NIC)或多個(gè)以太網(wǎng)端口與SoC之間的以太網(wǎng)交換IC。在某些情況下，這將導致最大總數據速率降低，更糟糕的是，這將帶來(lái)不可預測的延遲，具體情況取決于相機和終端設備之間的接口。參見(jiàn)圖3。 在GMSL相機系統中，一個(gè)解串器可以連接多達四個(gè)鏈路，其MIPI C-PHY或D-PHY發(fā)送器支持所有四個(gè)相機的總帶寬。只要SoC能夠應對聚合后的數據速率，使用一個(gè)或多個(gè)GMSL器件就不會(huì )影響帶寬或增加過(guò)多系統復雜性。
圖4.典型GMSL相機到主機的連接。 特性比較 傳感器接口 GMSL串行器僅支持并行LVDS (GMSL1)和MIPI (GMSL2/GMSL3)傳感器接口。MIPI是消費電子和汽車(chē)攝像頭廣泛使用的圖像傳感器接口，因此GMSL相機可以支持種類(lèi)眾多的圖像傳感器。然而，由于GigE Vision相機內部使用了處理器，其在傳感器接口方面更加靈活。 視頻規格 工作原理 圖5顯示了連續視頻流中數據從圖像傳感器傳輸到GMSL鏈路或GigE網(wǎng)絡(luò )的時(shí)序圖示例。 在視頻流的每一幀中，圖像傳感器在曝光周期之后立即發(fā)出數據，然后在下一幀開(kāi)始之前進(jìn)入空閑狀態(tài)。示例圖更好地展示了全局快門(mén)傳感器的情況。對于滾動(dòng)快門(mén)傳感器，其曝光和讀出是每行單獨控制的，因此幀級別上的曝光和讀出周期會(huì )有重疊。 傳感器側的GMSL串行器對圖像傳感器中的數據進(jìn)行串行化，然后立即通過(guò)其專(zhuān)有協(xié)議將數據傳輸到鏈路。 GigE Vision相機中的處理器會(huì )緩沖并且通常還會(huì )處理圖像傳感器中的數據，然后將視頻數據排列在以太網(wǎng)幀中并將其發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )。 鏈路速率 鏈路速率規定了鏈路上數據傳輸的理論最大速度。當比較不同數據鏈路技術(shù)時(shí)，鏈路速率通常是關(guān)鍵指標。GMSL2、GMSL3和GigE Vision均使用離散的固定鏈路速率。
圖5.視頻傳輸時(shí)序圖。 GMSL2支持3 Gbps和6 Gbps的數據速率。GMSL3支持12 Gbps的數據速率，并且所有GMSL3設備都向后兼容使用GMSL2協(xié)議的GMSL2設備。 GigE Vision遵循以太網(wǎng)標準。GigE、2.5 GigE、5 GigE和10 GigE Vision相機經(jīng)常出現在常見(jiàn)應用中。顧名思義，它們分別支持1 Gbps至高達10 Gbps的鏈路速率。先進(jìn)的GigE Vision相機將支持100 Gbps鏈路速率的100 GigE。1對于GigE Vision，所有高速協(xié)議都將向后支持低速協(xié)議。 盡管鏈路速率與視頻分辨率、幀速率和延遲密切相關(guān)，但僅根據鏈路速率很難對這兩種技術(shù)進(jìn)行直接比較。 有效視頻數據速率 在數據通信中，有效數據速率描述了不包括協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)的數據速率容量，此概念也適用于視頻數據通信。通常，一個(gè)數據包或一幀中傳輸的有效視頻數據量為：像素位深度×像素數。圖6說(shuō)明了有效視頻數據和開(kāi)銷(xiāo)之間的關(guān)系。
圖6.數據幀/數據包中的有效載荷和開(kāi)銷(xiāo)。 GMSL以數據包的形式傳輸視頻數據。GMSL2和GMSL3設備使用固定的數據包大小，因此有效視頻數據速率也有明確定義。以GMSL2設備為例。當鏈路設置為6 Gbps時(shí)，建議使用不超過(guò)5.2 Gbps的視頻帶寬。然而，由于鏈路還承載來(lái)自傳感器MIPI接口的一些開(kāi)銷(xiāo)和消隱時(shí)間，因此5.2 Gbps反映了所有輸入MIPI數據通道的聚合數據速率，而不是每秒5.2 Gb的視頻數據。 以太網(wǎng)以幀的形式傳輸數據。GigE Vision沒(méi)有標準幀大小，它通常作為軟件解決方案的一個(gè)權衡因素來(lái)提高效率（長(cháng)幀的優(yōu)勢）或減少延遲（短幀的優(yōu)勢）。對于這些相機，開(kāi)銷(xiāo)通常不超過(guò)5%。較高速度的以太網(wǎng)會(huì )降低使用長(cháng)幀的風(fēng)險，以實(shí)現更好的有效視頻數據速率。 這兩種技術(shù)都以突發(fā)方式傳輸數據。因此，較長(cháng)期間（一個(gè)視頻幀或更長(cháng)時(shí)間）內的平均數據速率甚至可能低于傳輸期間的有效視頻數據速率。對于GMSL相機，突發(fā)時(shí)間僅取決于圖像傳感器的讀出時(shí)間，實(shí)際應用中的突發(fā)比可能達到100%以支持完整的有效視頻數據速率。GigE Vision相機可能用在更復雜和不可預測的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，在這種情況下，為了避免數據沖突，突發(fā)比通常較低。示例參見(jiàn)圖7。 分辨率和幀速率 分辨率和幀速率是攝像機的兩個(gè)至關(guān)重要的規格，它們是提高鏈路速率的關(guān)鍵驅動(dòng)因素。對于這些規格，兩種技術(shù)各有利弊。 GMSL設備不提供幀緩沖和處理。分辨率和幀速率全部取決于圖像傳感器或傳感器側ISP在鏈路帶寬內的支持能力，而這通常是分辨率、幀速率和像素位深度之間的簡(jiǎn)單權衡。 GigE Vision的模型更為復雜。盡管在許多情況下其可用鏈路速率比GMSL慢，但它可以利用額外的緩沖和壓縮來(lái)支持更高分辨率和/或更高幀速率。然而，這一切的代價(jià)是延遲和功耗的增加，并且相機系統兩側需要使用昂貴的元件。在一些不太常見(jiàn)的用例中，此類(lèi)相機也以較低幀速率傳輸原始圖像數據。 延遲 延遲是攝像機的另一個(gè)關(guān)鍵規格，尤其是在實(shí)時(shí)處理數據和做出決策的應用中。 從串行器的輸入/傳感器的輸出到解串器的輸出/接收SoC的輸入，GMSL相機系統的延遲較低且具有確定性。 由于內部處理和更復雜的網(wǎng)絡(luò )流量，GigE Vision相機的延遲通常較高且不具有確定性。然而，這些延遲并不總是會(huì )導致系統級延遲更長(cháng)，尤其是當相機側處理屬于系統圖像流水線(xiàn)的一部分且更專(zhuān)用、更高效時(shí)。 其他特性 傳輸距離 根據設計，GMSL串行器和解串器可在乘用車(chē)中使用同軸電纜將數據傳輸15米之遠。但是，只要相機硬件系統滿(mǎn)足GMSL通道規范，則傳輸距離不限于15米。
圖7.GMSL和GigE Vision網(wǎng)絡(luò )的數據流量。 通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議，GigE Vision可以使用銅纜將數據傳輸100米之遠，使用光纖甚至可以更遠，不過(guò)它可能會(huì )失去一些特性，例如以太網(wǎng)供電(PoE)。 PoC和PoE/PoDL 這兩種技術(shù)都能夠通過(guò)同一根電纜傳輸電力和數據。GMSL使用同軸電纜供電(PoC)，GigE Vision針對4對以太網(wǎng)使用PoE，針對單對以太網(wǎng)(SPE)使用數據線(xiàn)供電(PoDL)。大多數GigE Vision相機使用傳統的4對線(xiàn)和PoE。 PoC很簡(jiǎn)單，采用同軸電纜配置的相機應用通常默認使用這種方式。在這種配置中，鏈路上的電力和數據來(lái)自單根電線(xiàn)，并且PoC電路僅需要幾個(gè)無(wú)源元件。 支持1 Gbps或更高數據速率的PoE電路需要專(zhuān)用電路，相機和主機（或交換機）側均需要有源元件。這使得PoE功能成本更高且不易獲得。支持PoE的GigE Vision相機通常還具有本地外部供電選項。 外設控制和系統連接 GMSL作為專(zhuān)用相機或顯示器鏈路，其并非設計用來(lái)支持各種各樣的外圍設備。在典型的GMSL相機應用中，鏈路傳輸控制信號（UART、I2C和SPI），僅與溫度傳感器、環(huán)境光傳感器、IMU、LED控制器等相機外設進(jìn)行通信。使用GMSL作為相機接口的較大系統通常還有其他低速接口，例如CAN和以太網(wǎng)，以便與其他設備通信。 GigE Vision相機一般利用其內置處理器處理相機外設控制。作為工業(yè)應用中流行的連接解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)有多種標準協(xié)議來(lái)支持多樣化的機器和設備，GigE Vision相機通過(guò)其軟件和硬件接口直接連接到網(wǎng)絡(luò )。 相機觸發(fā)和時(shí)間戳 GMSL鏈路的正向和反向通道均支持微秒級的低延遲GPIO和I2C信號隧道，從而支持不同的相機觸發(fā)/同步配置。GMSL相機系統中的觸發(fā)信號源可以來(lái)自解串器側的SoC，也可以來(lái)自串行器側的圖像傳感器之一。 GigE Vision相機通常通過(guò)專(zhuān)用引腳/端口或以太網(wǎng)觸發(fā)/同步數據包來(lái)提供硬件和軟件觸發(fā)選項。在典型應用中，硬件觸發(fā)作為標準方法，用于與其他相機或非相機設備進(jìn)行響應靈敏且準確的同步。這些相機的軟件觸發(fā)的主要問(wèn)題是網(wǎng)絡(luò )延遲。盡管有一些協(xié)議可用于提高同步精度，但它們要么精度不夠高（網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議(NTP)，同步到毫秒級2），要么性?xún)r(jià)比不高（精密時(shí)間協(xié)議(PTP)，同步到微秒級3，但需要兼容的硬件）。 當在以太網(wǎng)上使用同步協(xié)議時(shí)，來(lái)自同一網(wǎng)絡(luò )的所有設備（包括GigE Vision相機）將能夠在同一時(shí)鐘域中提供時(shí)間戳。 GMSL沒(méi)有時(shí)間戳功能。有些圖像傳感器可以通過(guò)MIPI嵌入式報頭提供時(shí)間戳，但這通常不與更高級別系統上的其他設備相關(guān)。在某些系統架構中，GMSL解串器會(huì )連接到PTP網(wǎng)絡(luò )上的SoC以使用集中式時(shí)鐘。如果需要此功能，請使用AD-GMSL2ETH-SL作為參考。 結語(yǔ) 總之（參見(jiàn)表1），GMSL是現有GigE Vision解決方案的有力替代方案。與GigE Vision相機相比，GMSL相機通常能以更低的成本、更低的功耗、更簡(jiǎn)單的系統架構和更小的系統尺寸提供同等或更好的鏈路速率和特性。此外，由于GMSL最初是為汽車(chē)應用而設計的，因此它已經(jīng)在惡劣的環(huán)境中經(jīng)過(guò)了汽車(chē)工程師幾十年的驗證。在可靠性和功能安全至關(guān)重要的系統開(kāi)發(fā)中，GMSL將為工程師和系統架構師提供信心保證。 表1.GMSL與GigE Vision主要特性比較
要開(kāi)始使用GMSL進(jìn)行設計，請訪(fǎng)問(wèn)GMSL技術(shù)頁(yè)面以獲取產(chǎn)品信息、硬件設計指南和用戶(hù)指南。ADI公司的GMSL GitHub存儲庫提供了參考設計和驅動(dòng)程序支持。 關(guān)于作者 Kainan Wang是ADI公司在美國馬薩諸塞州威明頓市的汽車(chē)座艙體驗(ACE)部門(mén)的系統應用工程師。他從馬薩諸塞州波士頓市東北大學(xué)獲得電氣工程碩士學(xué)位后，于2016年加入ADI公司。Kainan一直從事2D/3D成像解決方案的工作，涉及硬件開(kāi)發(fā)、系統集成和應用開(kāi)發(fā)等各方面。最近，他的工作重點(diǎn)是將ADI汽車(chē)座艙技術(shù)拓展到汽車(chē)以外的其他市場(chǎng)。 |
