千兆多媒體串行鏈路(GMSL)相機用作GigE Vision相機的替代方案

作者：Kainan Wang，系統(tǒng)應(yīng)用工程師

千兆多媒體串行鏈路? (GMSL?)和千兆以太網(wǎng)(GigE)是相機應(yīng)用中兩種流行的鏈路技術(shù)，常見于不同的終端市場。本文對兩種技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵特性和局限性進行了比較分析。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(chǔ)架構(gòu)和協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)相機接口標(biāo)準(zhǔn)。它廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域。ADI公司的GMSL是一種專門用于視頻數(shù)據(jù)傳輸的點對點串行鏈路技術(shù)，最初是為汽車攝像頭和顯示應(yīng)用而設(shè)計的。

這兩種技術(shù)都旨在擴展圖像傳感器視頻數(shù)據(jù)的傳輸距離，但每種解決方案有其各自的特性。多年來，我們看到越來越多的GMSL相機在汽車之外的領(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(tǒng)架構(gòu)

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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)幀，該過程通常涉及圖像處理和壓縮或幀緩沖，以使數(shù)據(jù)速率適合以太網(wǎng)支持的帶寬。

圖1.GigE Vision相機傳感器側(cè)的主要信號鏈元件。

GMSL相機的信號鏈（如圖2所示）通常更加簡單，僅包含圖像傳感器和串行器。在典型應(yīng)用中，串行器轉(zhuǎn)換圖像傳感器中的原始數(shù)據(jù)，然后以其原始格式通過鏈路發(fā)送。這些相機無需處理器，設(shè)計更簡單，更適合需要小尺寸相機和低功耗的應(yīng)用。

圖2.GMSL相機傳感器側(cè)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(shè)備的兼容性而受到業(yè)界的廣泛認(rèn)可。千兆以太網(wǎng)端口幾乎是個人計算機(PC)或嵌入式平臺的標(biāo)準(zhǔn)配置。一些GigE Vision相機可以使用通用驅(qū)動程序，提供真正的即插即用體驗。

GMSL相機需要主機側(cè)提供解串器。在大多數(shù)用例中，主機設(shè)備是帶有一個或多個解串器的定制嵌入式平臺。解串器通過其MIPI發(fā)送器以圖像傳感器MIPI輸出的原始格式傳輸圖像數(shù)據(jù)。對于此類相機，每種定制相機設(shè)計都需要一個匹配的驅(qū)動程序，就像任何其他MIPI攝像頭一樣。然而，如果圖像傳感器的驅(qū)動程序已存在，則一對SerDes只需要幾個預(yù)設(shè)寄存器或執(zhí)行幾次寄存器寫操作，就能將視頻流從相機傳輸?shù)絊oC。

圖3.典型GigE Vision網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)僅使用一個相機時，GigE Vision在系統(tǒng)復(fù)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(dāng)使用多個GigE相機時，就需要以太網(wǎng)交換機。它可以是專用以太網(wǎng)交換機設(shè)備、具有多個以太網(wǎng)端口的網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)或多個以太網(wǎng)端口與SoC之間的以太網(wǎng)交換IC。在某些情況下，這將導(dǎo)致最大總數(shù)據(jù)速率降低，更糟糕的是，這將帶來不可預(yù)測的延遲，具體情況取決于相機和終端設(shè)備之間的接口。參見圖3。

在GMSL相機系統(tǒng)中，一個解串器可以連接多達(dá)四個鏈路，其MIPI C-PHY或D-PHY發(fā)送器支持所有四個相機的總帶寬。只要SoC能夠應(yīng)對聚合后的數(shù)據(jù)速率，使用一個或多個GMSL器件就不會影響帶寬或增加過多系統(tǒng)復(fù)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相機可以支持種類眾多的圖像傳感器。然而，由于GigE Vision相機內(nèi)部使用了處理器，其在傳感器接口方面更加靈活。

視頻規(guī)格

工作原理

圖5顯示了連續(xù)視頻流中數(shù)據(jù)從圖像傳感器傳輸?shù)紾MSL鏈路或GigE網(wǎng)絡(luò)的時序圖示例。

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(shù)據(jù)，然后在下一幀開始之前進入空閑狀態(tài)。示例圖更好地展示了全局快門傳感器的情況。對于滾動快門傳感器，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有重疊。

傳感器側(cè)的GMSL串行器對圖像傳感器中的數(shù)據(jù)進行串行化，然后立即通過其專有協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)芥溌贰?/p>

GigE Vision相機中的處理器會緩沖并且通常還會處理圖像傳感器中的數(shù)據(jù)，然后將視頻數(shù)據(jù)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(guī)定了鏈路上數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦碚撟畲笏俣?。?dāng)比較不同數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)時，鏈路速率通常是關(guān)鍵指標(biāo)。GMSL2、GMSL3和GigE Vision均使用離散的固定鏈路速率。

圖5.視頻傳輸時序圖。

GMSL2支持3 Gbps和6 Gbps的數(shù)據(jù)速率。GMSL3支持12 Gbps的數(shù)據(jù)速率，并且所有GMSL3設(shè)備都向后兼容使用GMSL2協(xié)議的GMSL2設(shè)備。

GigE Vision遵循以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。GigE、2.5 GigE、5 GigE和10 GigE Vision相機經(jīng)常出現(xiàn)在常見應(yīng)用中。顧名思義，它們分別支持1 Gbps至高達(dá)10 Gbps的鏈路速率。先進的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(jù)鏈路速率很難對這兩種技術(shù)進行直接比較。

有效視頻數(shù)據(jù)速率

在數(shù)據(jù)通信中，有效數(shù)據(jù)速率描述了不包括協(xié)議開銷的數(shù)據(jù)速率容量，此概念也適用于視頻數(shù)據(jù)通信。通常，一個數(shù)據(jù)包或一幀中傳輸?shù)挠行б曨l數(shù)據(jù)量為：像素位深度×像素數(shù)。圖6說明了有效視頻數(shù)據(jù)和開銷之間的關(guān)系。

圖6.數(shù)據(jù)幀/數(shù)據(jù)包中的有效載荷和開銷。

GMSL以數(shù)據(jù)包的形式傳輸視頻數(shù)據(jù)。GMSL2和GMSL3設(shè)備使用固定的數(shù)據(jù)包大小，因此有效視頻數(shù)據(jù)速率也有明確定義。以GMSL2設(shè)備為例。當(dāng)鏈路設(shè)置為6 Gbps時，建議使用不超過5.2 Gbps的視頻帶寬。然而，由于鏈路還承載來自傳感器MIPI接口的一些開銷和消隱時間，因此5.2 Gbps反映了所有輸入MIPI數(shù)據(jù)通道的聚合數(shù)據(jù)速率，而不是每秒5.2 Gb的視頻數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)以幀的形式傳輸數(shù)據(jù)。GigE Vision沒有標(biāo)準(zhǔn)幀大小，它通常作為軟件解決方案的一個權(quán)衡因素來提高效率（長幀的優(yōu)勢）或減少延遲（短幀的優(yōu)勢）。對于這些相機，開銷通常不超過5%。較高速度的以太網(wǎng)會降低使用長幀的風(fēng)險，以實現(xiàn)更好的有效視頻數(shù)據(jù)速率。

這兩種技術(shù)都以突發(fā)方式傳輸數(shù)據(jù)。因此，較長期間（一個視頻幀或更長時間）內(nèi)的平均數(shù)據(jù)速率甚至可能低于傳輸期間的有效視頻數(shù)據(jù)速率。對于GMSL相機，突發(fā)時間僅取決于圖像傳感器的讀出時間，實際應(yīng)用中的突發(fā)比可能達(dá)到100%以支持完整的有效視頻數(shù)據(jù)速率。GigE Vision相機可能用在更復(fù)雜和不可預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，在這種情況下，為了避免數(shù)據(jù)沖突，突發(fā)比通常較低。示例參見圖7。

分辨率和幀速率

分辨率和幀速率是攝像機的兩個至關(guān)重要的規(guī)格，它們是提高鏈路速率的關(guān)鍵驅(qū)動因素。對于這些規(guī)格，兩種技術(shù)各有利弊。

GMSL設(shè)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(cè)ISP在鏈路帶寬內(nèi)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單權(quán)衡。

GigE Vision的模型更為復(fù)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支持更高分辨率和/或更高幀速率。然而，這一切的代價是延遲和功耗的增加，并且相機系統(tǒng)兩側(cè)需要使用昂貴的元件。在一些不太常見的用例中，此類相機也以較低幀速率傳輸原始圖像數(shù)據(jù)。

延遲

延遲是攝像機的另一個關(guān)鍵規(guī)格，尤其是在實時處理數(shù)據(jù)和做出決策的應(yīng)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(tǒng)的延遲較低且具有確定性。

由于內(nèi)部處理和更復(fù)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導(dǎo)致系統(tǒng)級延遲更長，尤其是當(dāng)相機側(cè)處理屬于系統(tǒng)圖像流水線的一部分且更專用、更高效時。

其他特性

傳輸距離

根據(jù)設(shè)計，GMSL串行器和解串器可在乘用車中使用同軸電纜將數(shù)據(jù)傳輸15米之遠(yuǎn)。但是，只要相機硬件系統(tǒng)滿足GMSL通道規(guī)范，則傳輸距離不限于15米。

圖7.GMSL和GigE Vision網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。

通過以太網(wǎng)協(xié)議，GigE Vision可以使用銅纜將數(shù)據(jù)傳輸100米之遠(yuǎn)，使用光纖甚至可以更遠(yuǎn)，不過它可能會失去一些特性，例如以太網(wǎng)供電(PoE)。

PoC和PoE/PoDL

這兩種技術(shù)都能夠通過同一根電纜傳輸電力和數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)線供電(PoDL)。大多數(shù)GigE Vision相機使用傳統(tǒng)的4對線和PoE。

PoC很簡單，采用同軸電纜配置的相機應(yīng)用通常默認(rèn)使用這種方式。在這種配置中，鏈路上的電力和數(shù)據(jù)來自單根電線，并且PoC電路僅需要幾個無源元件。

支持1 Gbps或更高數(shù)據(jù)速率的PoE電路需要專用電路，相機和主機（或交換機）側(cè)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(shè)控制和系統(tǒng)連接

GMSL作為專用相機或顯示器鏈路，其并非設(shè)計用來支持各種各樣的外圍設(shè)備。在典型的GMSL相機應(yīng)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(shè)進行通信。使用GMSL作為相機接口的較大系統(tǒng)通常還有其他低速接口，例如CAN和以太網(wǎng)，以便與其他設(shè)備通信。

GigE Vision相機一般利用其內(nèi)置處理器處理相機外設(shè)控制。作為工業(yè)應(yīng)用中流行的連接解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)有多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來支持多樣化的機器和設(shè)備，GigE Vision相機通過其軟件和硬件接口直接連接到網(wǎng)絡(luò)。

相機觸發(fā)和時間戳

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(tǒng)中的觸發(fā)信號源可以來自解串器側(cè)的SoC，也可以來自串行器側(cè)的圖像傳感器之一。

GigE Vision相機通常通過專用引腳/端口或以太網(wǎng)觸發(fā)/同步數(shù)據(jù)包來提供硬件和軟件觸發(fā)選項。在典型應(yīng)用中，硬件觸發(fā)作為標(biāo)準(zhǔn)方法，用于與其他相機或非相機設(shè)備進行響應(yīng)靈敏且準(zhǔn)確的同步。這些相機的軟件觸發(fā)的主要問題是網(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)時間協(xié)議(NTP)，同步到毫秒級2），要么性價比不高（精密時間協(xié)議(PTP)，同步到微秒級3，但需要兼容的硬件）。

當(dāng)在以太網(wǎng)上使用同步協(xié)議時，來自同一網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備（包括GigE Vision相機）將能夠在同一時鐘域中提供時間戳。

GMSL沒有時間戳功能。有些圖像傳感器可以通過MIPI嵌入式報頭提供時間戳，但這通常不與更高級別系統(tǒng)上的其他設(shè)備相關(guān)。在某些系統(tǒng)架構(gòu)中，GMSL解串器會連接到PTP網(wǎng)絡(luò)上的SoC以使用集中式時鐘。如果需要此功能，請使用AD-GMSL2ETH-SL作為參考。

結(jié)語

總之（參見表1），GMSL是現(xiàn)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、更簡單的系統(tǒng)架構(gòu)和更小的系統(tǒng)尺寸提供同等或更好的鏈路速率和特性。此外，由于GMSL最初是為汽車應(yīng)用而設(shè)計的，因此它已經(jīng)在惡劣的環(huán)境中經(jīng)過了汽車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(tǒng)開發(fā)中，GMSL將為工程師和系統(tǒng)架構(gòu)師提供信心保證。

表1.GMSL與GigE Vision主要特性比較

要開始使用GMSL進行設(shè)計，請訪問GMSL技術(shù)頁面以獲取產(chǎn)品信息、硬件設(shè)計指南和用戶指南。ADI公司的GMSL GitHub存儲庫提供了參考設(shè)計和驅(qū)動程序支持。