莱迪思CrossLink 视频接口桥接方案-电子技术方案|电路图讲解

如果请嵌入式视频系统设计工程师谈谈产品设计过程中有哪些很难对付的挑战的话，可能大多数都会认为是快速且不断发展的 I/O 接口。移动应用处理器的巨大进步、低成本图像传感器和显示屏的快速普及以及 MIPI 标准接口的广泛采用在过去几年里彻底改变了嵌入式系统设计。现在，移动平台是创新的主战场，不仅是在智能手机和平板电脑领域，数码单反相机、无人机、虚拟现实（VR）系统、医疗设备和工业显示领域也是如此。理想的情况是系统中的每个器件都可以直接连接到应用处理器，但对于目前新兴的视频市场来说 并非总能如愿。经常发生的情况是处理器接口的类型或数量不适配系统中的图像传感器或显示屏。

 

VR 和 3D 视频应用设计工程师不断寻求更高的性能。例如，怎样才能快速又经济地从单个输入接收信号，然后传输到两个显示屏？亦或是无人机设计工程师在思考如何实现接收多个摄像头的输入，并以精确同步的方式将各幅画面合并为尺寸更大的单幅图像帧？可惜的是选择余地非常有限，并且现有的方案也是性能有限，功耗高，尺寸大。

 

对于目前的嵌入式视频系统，设计工程师需要的是高性能、低功耗、紧凑的接口桥接解决方案，能够最大限度地提高设计灵活性和实现设计创新，解决上文中提到的连接问题。理想的桥接解决方案要能够转换摄像头、显示屏和处理器之间不兼容的接口，将多个视频流输入合并成单个接口输出，或是将视频流拆分为多个输出。并且，还要能够支持各种新的和传统的接口。最后，该解决方案还要在不违反严格的功耗和尺寸预算的情况下提供高水平的性能。

 

全新的 CrossLink?解决方案——建起互连的桥梁

为了解决上述日趋严重的问题，莱迪思半导体推出了业界首款可编程专用标准产品（pASSP?）接口桥接解决方案——CrossLink?，支持移动图像传感器和显示屏采用的主流协议。CrossLink 器件结合了 FPGA 的灵活性和快速的产品上市进程以及 ASSP 的功耗和功能优化特性，定义了全新类别的 pASSP 器件，可为用户提供 FPGA 和 ASSP 的突出优点。作为该类产品中的首款解决方案，CrossLink 器件可实现低成本视频接口桥接应用，提供超高的带宽、超低的功耗以及超小的尺寸。上述优势使其成为虚拟现实（VR） 头盔、无人机、数码单反相机、智能手机、平板电脑以及可穿戴设备等应用的理想选择。

 

CrossLink 器件的潜力所在是其全面的功能。这款器件在性能方面树立了全新的标杆——业界超快的 MIPI D-PHY 桥接解决方案，支持高达 12 Gbps 的速率。为了向设计工程师提供尽可能大的灵活性，这款革命性的全新器件还支持多种接口和协议，包括 MIPI D- PHY、MIPI CSI-2、MIPI DSI 以及大量的传统接口和协议，如 CMOS 、RGB、MIPI DPI、MIPI DBI、SubLVDS、SLVS、LVDS 和 OpenLDI。

 

同时，CrossLink 解决方案专为消费电子应用进行了高度优化。在多种使用情境下，它的工作功耗小于 100 mW，并且它是首款带有内置睡眠模式的可编程桥接解决方案。这款功能全面的小尺寸器件封装尺寸小至 6mm2。并且充分结合了 FPGA 的灵活性和 ASSP 的性能这两点优势，可为视频技术提供最佳支持。

 

为了提供完全可定制的桥接解决方案，CrossLink 器件包含带有多个物理接口的移动 FPGA。每个CrossLink IC 具备最多 2 个嵌入式 MIPI D-PHY 硬核，每个硬核具备最多 4 条数据通道以及 1 条时钟线，以支持传输和接收功能。相邻的 FPGA 具备 5,936 个 LUT、180 Kbit 的 RAM 以及 47 Kbit 的分布式 RAM。这些 FPGA 资源足以支持各类视频功能，包括多路复用、合并、多路解复用、仲裁、拆分、数据转换以及自定义协议设计。使用 2 个 D-PHY 时的数据速率最高为 1.5 Gbps/条，使用可编程差分 I/O 时的速率最高为 1.2 Gbps/条。CrossLink 器件还添加了 15 个可编程差分 I/O、大量 GPIO 资源、10 KHz 和 48 MHz 振荡器和 PLL、2 个用于系统功能的用户 I2C 嵌入式硬核以及 I2C/SPI 器件配置。

 

开发支持

为了帮助客户加速开发进度和产品上市进程，莱迪思提供 CrossLink 器件的大量开发资源。作为产品支持的一部分，莱迪思为开发工程师提供 Lattice Diamond，FPGA 设计和验证软件，以及 Power ESTimator 工具和产品手册。公司还提供来自 Clarity Design 的免 费 IP，支持实现各类显示和摄像应用接口：

 

 

基础的 CrossLink 开发套件包含 1 块 SMA 子板和孔径为 0.1 英寸的子板，便于连接各种图像传感器、显示屏和应用处理器。用户还可以购买额外的子板。Raspberry Pi 子板支持两个摄像头连接到 Raspberry Pi 电路板。

 

典型的 CrossLink 应用

一、MIPI CSI-2 图像传感器扩展

在这个市场上激动人心的全新应用不断涌现，其中许多都需要一个摄像头聚合器作为中心来管理多个 MIPI CSI-2 图像传感器。针对这些应用，设计工程师可能需要将多个图像传感器输入合并成单幅更大的图像帧，以及在多个图像传感器之间多路复用或是在虚拟通道的图像传感器之间进行仲裁。举个例子，为了创造景深感觉或者是增强现实系统，就必须使用桥接解决方案以合并多个 MIPI CSI-2 摄像头输入为单个更大的图像帧输出。 CrossLink 解决方案能够使得设计工程师同时连接到多个 MIPI CSI-2 图像传感器。

 

然而，要建立能够将多个 CSI-2 摄像头输入合并为单个更大的图像帧输出的桥接需要解决一些不常见的挑战。该桥接必须以最小的延迟在同一时刻精确捕捉到每个图像传感器。 随后它必须将各个传感器输入的图像合并成单幅更大的图像帧，并以更快的视频流发送出去。传感器不仅必须以最小的延迟保持同步——需要通用引脚控制，还需要共享时钟域。在许多情况下，各图像传感器也需要独立的上电时序。上文中提到的每个功能都需要额外的 I/O 用于针对特定应用进行定制。

 

 

二、工业传感器到移动处理器

在数码单反相机、监控和无人机等应用中，设计工程师将工业图像传感器桥接到移动应用处理器。这些应用中的许多工业图像传感器能够提供优良的性能，但采用的还是最初由传感器制造商开发的传统专用接口。

 

该领域中构建嵌入式应用的设计工程师通常需要利用主流移动应用处理器提供的大量创新技术。为了做到这一点，他们需要将图像传感器专用接口桥接至目前大多数移动应用处理器采用的移动 MIPI CSI-2 图像传感器接口。凭借 CrossLink 器件的可编程架构，开发工程师得以构建紧凑、高性能、低功耗的接口桥接，将上述专用接口桥接至 MIPI CSI-2。

 

三、MIPI DSI 接口扩展

第三类主要的 CrossLink 应用是 MIPI DSI 接口扩展。目前，VR 头盔和移动机顶盒设计工程师常常需要将来自单个 MIPI DSI 接口的输入视频拆分为两条视频流，并以一半的带宽通过两个 MIPI DSI 接口输出。如果应用处理器仅有一个 DSI 接口或其中一个 DSI 接口正用于其他功能，这时设计工程师该如何实现上述类型的应用呢？

 

 

一种方案是使用 CrossLink 器件作为单 MIPI DSI 到双 MIPI DSI 的桥接。如上方框图所示，该器件支持两个高清显示屏或一个 QHD 显示屏，I/O 速率最高为 1.5 Gbps/通道。该器件的工作功耗通常比类似的 ASSP 或 ASIC 低 25%至 50%。

 

四、将采用 OpenLDI、LVDS 或专用接口的工业面板连接到移动应用处理器

许多工业显示屏用户想要节约投入，但是发现要将采用 OpenLDI、LVDS 或专用接口的显示屏桥接到移动应用处理器非常困难。典型的应用涵盖人机界面（HMI）、智能显示屏以及智能家居系统等。用户该如何既能利用最新一代的移动应用处理器提供的优势，同时继续用原先的显示屏呢？

 

在这种情况下，HMI 解决方案、智能显示屏或智能家居应用的开发工程师们可使用CrossLink 解决方案将 OpenLDI、LVDS 或专用接口桥接至 MIPI CSI-2，并且支持的速率最高为 6 Gbps/PHY。

 

 

总结

嵌入式视频系统市场的前景一片光明。从 VR 和 3D 视频到全新的监控系统、智能家居、高级医疗设备以及工业系统，各种激动人心的全新应用不断在这个市场涌现。而这些应用成功的关键之一在于工程师们能够持续改进其性能和功能。莱迪思的 CrossLink 器件能够实现前所未有的高性能、低功耗、紧凑的桥接解决方案，为设计工程师提供独家的支持以最大化设计灵活性，并且实现创新。

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被广泛应用于手机、平板等数码设备中的Nand Flash由于工艺原因无法避免坏块的存在，但是我们可以凭借高科技变废为宝，将“坏块”进行有效的利用，从而满足我们的应用需求，让坏块不“坏”。

要想变废为宝，有效利用坏块。我们首先要弄明白什么是“坏块”，做到知己知彼，才能为我所用。坏块的特点是当编程或者擦除这个块时，不能将某些位拉高，从而造成编程和块擦除操作时的错误，这种错误可以通过状态寄存器的值反映出来。这些无效块无法确定编程时的状态，就是大家常说的“坏块”。那么这些“坏块”是怎么产生的呢？

 

图1 坏块示意图

由于工艺上的问题，Nand Flash中不可避免的会出现出厂坏块（出厂时允许存在2%数量的坏块），同时在Nand Flash的使用过程中也会产生新的坏块。Nand Flash每个块的最大擦除次数大约为100万次，如果超过这个次数，也会变成坏块。除了上述情况之外，坏块的产生原因还有很多，比如存储单元错误、地址线错误等……

那么重点来了，既然不能完全地消除“坏块”，那么我们可以选择将它利用起来，实现一些特殊且必要的功能。为什么说能将坏块“变废为宝”呢？除了上文中介绍的几种类型的坏块，我们在一些特殊情况下需要人为地将Nand Flash芯片的某些块标记为坏块。比如某块非常不稳定以致超出了系统ECC的纠错范围，这个时候需要将此块标记为坏块；或者我们想验证烧写方案的坏块处理部分是否正确时，也需要制作出一些坏块以供测试验证；还有为了满足某类系统的特性，需要制作指定的坏块，比如我们一开始提到的UBI文件系统。这些特殊情况需要我们有目的性的设置指定坏块，满足相应的需求。

清楚了什么是坏块以及坏块是怎么产生的，那么我们下面来看看怎么人为地设置坏块，让坏块为我们所用，达到“变废为宝”的目的

首先，我们要知道什么是芯片的“坏块标记位”（英文简称BI）。对于不同的器件，坏块标志位不尽相同。通常对于512字节/页的NandFlash芯片，坏块标记位在第0、1页（或别的页）备用区的第5个字节，对于2K字节/页的芯片坏块标记位置在第0个字节。

 

图2 坏块标记位

那么从原理上来说，我们只需要在芯片某块的BI位置按照芯片手册上的规定写入特定的数值，就可以将该块标记为坏块。大部分芯片的坏块标记值为“非0xff”即被认为是坏块，然而有些芯片是“0x00”才被认为是坏块，而且坏块标记所在页也是变化的，所以为了统一，我们使用一个通用有效的方法：将整块写数值0x00。致远电子自主研发的6000F-PLUS编程器及配套的SmartPRO III软件，可以很方便的完成坏块的标记。

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