虛擬信道實現(xiàn)的首選硬件平臺是現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。我們需要很長時間來設(shè)計可替代的硬件平臺，而且可能沒有無人機或AR/VR耳機等應(yīng)用所需的低功耗性能。有些人認為FPGA占用的空間太大，消耗的能量太多，不適合作為支持虛擬通道的可行平臺。但是隨著半導(dǎo)體設(shè)計和制造的進步使新一代更小、更節(jié)能的FPGA成為可能。
通過FPGA平臺，MIPI CSI-2虛擬通道可以幫助嵌入式工程師將多個傳感器數(shù)據(jù)流合并到一個I/O端口上。無人機、智能汽車和增強或虛擬現(xiàn)實(AR/VR)耳機都使用多個不同類型的圖像傳感器來捕捉操作環(huán)境的數(shù)據(jù)。每個傳感器都需要連接到系統(tǒng)的應(yīng)用處理器(AP)，以提供系統(tǒng)所需的圖像數(shù)據(jù)，這對嵌入式工程師來說是一個設(shè)計挑戰(zhàn)。
首要的挑戰(zhàn)則是在有限的AP I/O端口來連接傳感器時，必須仔細分配I/O端口，以確保所有需要連接到AP的離散組件都有一個。其次，由于無人機和AR/VR耳機的外形的小巧尺寸，又必須使用電池供電。因此，在這些應(yīng)用程序中使用的組件必須保證尺寸適中和節(jié)能。解決AP缺乏I/O端口的一個解決方案是使用虛擬通道，如MIPI攝像機串行接口2 (CSI-2)規(guī)范中定義的那樣。它們可以將最多16個不同的傳感器流合并到一個單獨的流中，然后通過一個I/O端口將其發(fā)送到AP。
消費者對無人機、智能汽車和AR/VR耳機的需求不斷增長，這推動了傳感器市場的巨大增長。Semico Research預(yù)計，汽車(27% CAGR)、無人機(27% CAGR)和AR/VR耳機(166% CAGR)的應(yīng)用是傳感器的主要需求驅(qū)動因素，并預(yù)測到2022年，半導(dǎo)體原始設(shè)備制造商每年將運送超過15億個圖像傳感器。
上述的應(yīng)用程序需要多個傳感器來捕獲關(guān)于其操作環(huán)境產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。例如，智能汽車可以使用多個高清圖像傳感器用于后視鏡和環(huán)繞攝像頭，一個激光雷達傳感器用于目標(biāo)檢測，一個雷達傳感器用于盲點監(jiān)測。在當(dāng)今的智能汽車中，傳感器(雷達/激光雷達、圖像、飛行時間等)使緊急制動、后視鏡和避碰等應(yīng)用成為可能。傳感器的激增也帶來了一個問題，由于所有傳感器都需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到汽車的AP上，而AP的I/O端口數(shù)量有限。此外，更多的傳感器還會增加設(shè)備電路板上與AP的連線密度，這就給耳機等小型設(shè)備的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。
虛擬通道是解決AP I/O端口不足的一個妙計。剛才已介紹過，它是將來自不同傳感器的視頻流合并為一個流，該流可以通過一個I/O端口發(fā)送到AP。目前流行的將相機傳感器連接到AP的標(biāo)準是MIPI聯(lián)盟開發(fā)的MIPI相機串行接口2 (CSI-2)規(guī)范。通過使用CSI-2虛擬通道功能，CSI-2可以將多達16個不同的數(shù)據(jù)流組合成一個數(shù)據(jù)流。然而，將來自不同圖像傳感器的流合并到一個視頻流中也存在幾個困難。
啟用虛擬通道所面臨的困難
事實上，將來自同一類型傳感器的傳感器數(shù)據(jù)合并到一個通道中并不復(fù)雜。在一種方法中，傳感器可以被同步并連接它們的數(shù)據(jù)流，這樣它們就可以兩倍寬度的圖像發(fā)送到AP上。但真正的挑戰(zhàn)來自于需要合并不同傳感器的數(shù)據(jù)流。
例如，無人機可以在白天使用高分辨率的圖像傳感器來檢測目標(biāo)，在晚上使用低分辨率的紅外傳感器來捕捉熱成像來檢測目標(biāo)。這些傳感器有著無法同步的不同類型的幀速率、分辨率和帶寬。為了跟蹤不同的視頻流，每個CSI-2數(shù)據(jù)包都需要使用虛擬信道標(biāo)識符進行標(biāo)記，以便AP能夠根據(jù)需要處理每個數(shù)據(jù)包。
虛擬通道結(jié)合來自多個傳感器的數(shù)據(jù)流來保存I/O端口。來自不同傳感器的數(shù)據(jù)流需要同步時鐘頻率和輸出頻率。除了分組標(biāo)記之外，結(jié)合來自不同類型傳感器的數(shù)據(jù)流同時還需要同步傳感器數(shù)據(jù)負載。如果傳感器以不同的時鐘速度工作，則需要為每個傳感器維護單獨的時鐘域。然后在將這些域輸出到AP之前對它們進行同步。
專用硬件橋接器的作用
利用橋接解決方案來支持硬件中的虛擬通道可以解決上述問題。通過專用的虛擬通道橋，所有圖像傳感器都連接到橋的I/O端口，這樣橋就可以通過一個端口連接到AP，從而釋放出寶貴的AP端口來支持其他外圍設(shè)備。橋接器再將這些多個跟蹤合并到AP上。
為了將連接傳感器和API/O端口最小化，一個具有虛擬通道支持的硬件橋?qū)⒍鄠€傳感器流合并到一個I/O端口上。FPGA允許為每個傳感器輸入實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)路徑，每個路徑都有自己的時鐘域。這些域在虛擬通道合并階段進行同步，如圖所示，從而消除了AP的處理負擔(dān)。
基于pld的虛擬信道硬件的優(yōu)點
在硬件實現(xiàn)虛擬通道支持方面，F(xiàn)PGA是集成電路(IC)平臺的不二之選。FPGA是具有靈活的I/O端口的集成電路，可以支持多種接口。它還具有可以用Verilog等硬件描述語言編寫的大型邏輯陣列。
MIPI Camera Serial Interface-2 (CSI-2)規(guī)范啟用的虛擬通道幫助嵌入式工程師將多個傳感器數(shù)據(jù)流合并到一個I/O端口上，減少使用大量圖像傳感器的應(yīng)用程序的總體設(shè)計占用空間和功耗。憑借其可重編程性、性能和尺寸，低功耗FPGA允許客戶在其設(shè)備設(shè)計中快速、輕松地添加對虛擬通道的支持。
ASIC則需要漫長的設(shè)計和質(zhì)量保證(QA)過程，F(xiàn)PGA則不同，它已經(jīng)通過了QA認證，可以在幾天或幾周內(nèi)完成設(shè)計。然而，傳統(tǒng)的FPGA通常被視為體積龐大、耗電量大的設(shè)備，不適合電力受限的嵌入式應(yīng)用。
但隨著Lattice Semiconductor的FPGA CrossLink的出現(xiàn)，這一說法被推翻了。該系列提供了使用虛擬通道的視頻橋應(yīng)用程序所需的性能、大小和功耗的組合。FPGA提供了兩個4通道的MIPI D-PHY收發(fā)器，每個PHY的運行速度可達6Gb /s，其形狀因數(shù)小到6mm2。它們支持多達15個可編程源同步差分I/O對，如MIPI-D-PHY、LVDS、sub-LVDS，甚至單端并行CMOS，并且在許多應(yīng)用中消耗不到100兆瓦。另有支持休眠模式，以減少待機時的功耗。Lattice還擁有一個擴展的軟件IP庫，以幫助加速不同橋接解決方案的實現(xiàn)。
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