本記事では、MIPI CSI-2カメラインターフェースのシステム構成、D-PHY伝送、パケット機構、画像フォーマット、帯域幅の算出、およびLinux media-controller環境での統合とトラブルシューティングについて解説します。ARM SoC、イメージセンサー、ISP、V4L2ビデオパイプラインを使用したハードウェア／ソフトウェア統合を対象としています。

MIPI CSIのシステム構成

MIPI CSI-2（Camera Serial Interface 2）は、イメージセンサーからSoC、ISP、またはFPGAへ画像データを伝送するための高速シリアルプロトコルです。CSI-2ではパケットフォーマット、Data Type、Virtual Channel、エラー保護機構を定義し、D-PHYまたはC-PHYが物理信号の伝送を担います。

 

D-PHYの伝送とタイミング

D-PHY Data Laneはアイドル時にLP Stop Stateとなり、LP状態シーケンスを経てHSモードへ移行した後、CSI-2パケットを伝送します。センサーのレジスタアクセスとストリーム制御は通常、独立したI²C/I³Cバスを介して行われ、D-PHY Data LaneのLP状態とは異なります。

 

• clocked modeでは、Clock LaneがHS伝送中の受信側サンプリングをサポートします。continuous clockまたはnon-continuous clockの動作については、イメージセンサー、SoC PHY、およびdriverの設定に基づいて確認する必要があります。
• HS-Settleは、実際のlink frequency、SoC receiverのドキュメント、およびエラーカウンターに基づいて調整する必要があります。値を大きくすればよいというものではありません。

 

CSI-2のパケットと同期

CSI-2では、Short Packetを使用してプロトコルイベントや同期情報を伝送し、Long Packetを使用してRAW、YUV、RGB、またはembedded dataを伝送します。Long Packetは、4-byte header、payload、2-byte CRC footerで構成されます。

 

Frame Start（FS）とFrame End（FE）は、frame-level synchronizationを提供します。Line Start（LS）とLine End（LE）はオプションのline-level synchronizationです。LSとLEが実際に出力されるかどうかは、イメージセンサーのドキュメント、CSI receiver trace、またはdriverのカウンターで確認する必要があります。

画像フォーマットと帯域幅

CSI-2 Data Type、V4L2 media-bus code、V4L2 capture memory format、ISP format negotiationは、画像データとして相互に整合している必要があります。ただし、それぞれ異なる抽象化レイヤーに属するため、設定名や設定箇所が必ずしも1対1で対応するとは限りません。RAWデータではbit depthとBayer order、YUVデータではbyte orderを確認する必要があります。

Active-pixel payloadの下限は、次の式で算出できます。

この計算値は、有効画素データに必要なpayloadの下限にすぎません。実際のCSI-2 throughputとD-PHY lane rateを算出する際は、packet header、CRC、同期パケット、blankingの伝送方式、Data Lane数、clock mode、センサーで使用可能なlink-frequency設定、およびSoC CSI receiverの制約も考慮する必要があります。

Linux統合とBring-up

Device Treeでは通常、graph endpoint、data-lanes、clock-lanes、remote-endpointの接続を記述します。多くのmedia-controllerアーキテクチャでは、sub-device pad format、media link、routing negotiationを通じて、実行時に画像フォーマットがネゴシエーションされます。実際のbindingと対応フォーマットは、対象SoCのkernel driverに依存します。

# entity、pad、linkを確認
media-ctl -p -d /dev/media0

# 例：上流側センサーのpad formatを設定
media-ctl -d /dev/media0 --set-v4l2 '"sensor 1-001a":0 [fmt:SRGGB10_1X10/1920x1080]'

# 例：linkを有効化
media-ctl -d /dev/media0 --links '"sensor 1-001a":0 -> "csi2rx":0 [1]'

# capture nodeのmemory formatを設定してストリーミングを開始
v4l2-ctl -d /dev/videoX \
  --set-fmt-video=width=1920,height=1080,pixelformat=RG10 \
  --stream-mmap=4 --stream-count=100

dmesg -w

 

この例で示すentity名、pad index、media-bus code、FourCC値、video nodeは、実際のmedia graphに合わせて調整する必要があり、すべてのプラットフォームで共通ではありません。

互換性とエラー解析

 

• I²C通信が正常でも画像を受信できない場合は、power/reset/MCLK、センサーのstream-on状態、data-lanes、lane mapping、link frequency、media graph、CSI RXの状態を確認します。
• frame activityが検出されているにもかかわらずECC/CRCエラーが発生する場合は、RXエラーカウンター、lane mapping、link rate、HS-Settle、基板レベルの信号品質、TX/RX設定を確認します。
• フレームをキャプチャできても色が正しくない場合は、RAW bit depth、Bayer order、media-bus code、memory FourCC、ISP pipelineを確認します。

 

よくある質問

1. CSI-2とD-PHYは同じものですか？

いいえ。CSI-2は画像データのパケットプロトコルであり、D-PHYは一般的に使用される物理層の伝送インターフェースです。

2. I²C通信が正常なのに、画像を受信できないのはなぜですか？

I²C通信が正常であることは、制御チャネルが動作していることを示すだけです。画像データパスでは、MCLK、lane、PHYタイミング、プロトコル、media graph、ISP、DMAなどに問題が残っている可能性があります。

3. ECCとCRCの違いは何ですか？

ECCは主にPacket Headerを保護し、1 bitエラーの訂正と2 bitエラーの検出が可能です。CRCはLong Packet payloadの整合性を検証します。エラーが継続して発生する場合は、プロトコル設定と物理層の信号品質の両方を確認する必要があります。

4. 同じイメージセンサーでも、ボードによって動作が異なるのはなぜですか？

PCBインピーダンス、配線長、FPC、グランドリターンパス、EMI条件はいずれもD-PHYの信号品質やタイミングマージンに影響する可能性があります。

参考資料

• MIPI Alliance, "Camera Serial Interface 2 (MIPI CSI-2)", mipi.org/specifications/csi-2
• MIPI Alliance, "MIPI D-PHY", mipi.org/specifications/d-phy