本文介紹 MIPI CSI-2 相機介面的系統分層、D-PHY 傳輸、封包機制、影像格式與頻寬估算，以及 Linux media-controller 架構下的整合與除錯流程。內容適用於 ARM SoC、Image Sensor、ISP 與 V4L2 影像管線的軟硬體整合。

MIPI CSI 系統架構

MIPI CSI-2（Camera Serial Interface 2）是 Image Sensor 至 SoC、ISP 或 FPGA 的高速影像串列協定。CSI-2 定義封包格式、Data Type、Virtual Channel 與錯誤保護；D-PHY 或 C-PHY 則提供實體訊號傳輸。

 

D-PHY 傳輸與時序

D-PHY Data Lane 在閒置時位於 LP Stop State，並藉由 LP 狀態序列切換至 HS 模式以傳送 CSI-2 封包。Sensor 的寄存器與串流控制通常由獨立 I²C/I³C 匯流排進行，與 Data Lane 的 LP 狀態不同。

 

• Clocked mode 下，Clock Lane 在 HS 傳輸期間支援接收端取樣；continuous 或 non-continuous clock 須依 Sensor、SoC PHY 與 driver 設定確認。
• HS-Settle 必須以實際 link frequency、SoC receiver 文件與錯誤計數器進行調校，並非數值越大越好。

 

CSI-2 封包與同步

CSI-2 以 Short Packet 傳遞協定事件或同步資訊，以 Long Packet 傳遞 RAW、YUV、RGB 或 embedded data。Long Packet 由 4-byte header、payload 與 2-byte CRC footer 組成。

 

Frame Start（FS）與 Frame End（FE）提供 frame-level synchronization。Line Start（LS）與 Line End（LE）為可選 line-level synchronization；實際是否輸出應以 Sensor 文件、CSI receiver trace 或 driver 計數器為準。

影像格式與頻寬

CSI-2 Data Type、V4L2 media-bus code、V4L2 capture memory format 與 ISP format negotiation 必須在資料意義上相容，但它們屬不同抽象層，設定名稱與位置不必一對一相同。RAW 另須確認 bit depth 和 Bayer order；YUV 須確認 byte order。

Active-pixel payload 的下限可估算為：

上式僅為有效像素資料下限。實際 CSI-2 throughput 與 D-PHY lane rate 還需包含 packet header、CRC、同步封包、blanking 傳輸策略、Data Lane 數、clock mode、Sensor link-frequency 檔位以及 SoC CSI receiver 的限制。

Linux 整合與 Bring-up

Device Tree 通常描述 graph endpoint、data-lanes、clock-lanes 與 remote-endpoint。影像 format 在多數 media-controller 架構中，由 runtime 的 sub-device pad format、media link 與 routing negotiation 決定；實際 binding 與格式能力必須以目標 SoC kernel driver 為準。

# 檢視 entity、pad 與 link
media-ctl -p -d /dev/media0

# 範例：設定上游 sensor pad 格式
media-ctl -d /dev/media0 --set-v4l2 '"sensor 1-001a":0 [fmt:SRGGB10_1X10/1920x1080]'

# 範例：啟用 link
media-ctl -d /dev/media0 --links '"sensor 1-001a":0 -> "csi2rx":0 [1]'

# 設定 capture node 記憶體格式並啟動串流
v4l2-ctl -d /dev/videoX \
  --set-fmt-video=width=1920,height=1080,pixelformat=RG10 \
  --stream-mmap=4 --stream-count=100

dmesg -w

 

範例中的 entity 名稱、pad index、mbus code、FourCC 與 video node 皆必須依實際 media graph 調整，並非跨平台固定值。

相容性與錯誤分析

 

• I²C 正常但沒有影像：檢查 power/reset/MCLK、Sensor stream-on、data-lanes、lane mapping、link frequency、media graph 與 CSI RX 狀態。
• 收到 frame activity 但有 ECC/CRC error：檢查 RX error counter、lane mapping、link rate、HS-Settle、板級訊號完整性與 TX/RX 設定。
• 可擷取但色彩錯誤：檢查 RAW bit depth、Bayer order、media-bus code、memory FourCC 與 ISP pipeline。

 

常見問題

1. CSI-2 與 D-PHY 是否相同？

不同。CSI-2 是影像封包協定；D-PHY 是常用實體層傳輸介面。

2. I²C 可讀寫為何仍無影像？

I²C 僅驗證控制通道，影像資料面仍可能受 MCLK、lane、PHY timing、協定、media graph、ISP 或 DMA 問題影響。

3. ECC 與 CRC 的差異？

ECC 主要保護 Packet Header，可修正 1-bit 錯誤並偵測 2-bit 錯誤；CRC 用於 Long Packet payload 完整性檢查。持續錯誤通常需同時檢查協定配置與實體訊號品質。

4. 同一顆 Sensor 為何在不同板子表現不同？

PCB 阻抗、線長、FPC、接地回流與 EMI 條件都可能會改變 D-PHY 訊號完整性及時序裕量。

參考資料

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