尹 远，黄嵩人 （湘潭大学 物理与光电工程学院，湖南 湘潭 411105）
摘 要：随信息技术发展，高分辨率的微显示器已大范围的应用于移动电子设备中，传统显示接口难以满足其高 速率传输、低功耗、抗干扰、兼容性高等要求，因此本文针对以上问题，提出了一种基于MIPI DSI协议，并应 用于高分辨率微显示芯片的显示驱动接口的设计。
微显示芯片是一种特殊形态的显示器，其物理尺寸 小，功耗较低，分辨率比较高，目前主要使用在的产品形态 有：LCOS微显示器，OLED微显示器，LCD微显示器 等。也能够最终靠光学系统产生大屏幕系统，常用于投影 系统和近眼显示系统中[1]。其应用领域广泛，如VR眼 镜、AR智慧眼镜、军用头盔、微型投影仪、车载抬头 显示等电子设备。
随着消费级电子设备的发展，微显示芯片应用的电 子产品慢慢的变多，显示的分辨率慢慢地加强，对显示效果 的要求也日益提高，需要传输的数据量和速率也慢慢变得 大，同时还要求设备保持高性能和低功耗，传统的显示 接口已满足不了诸多要求。因此本文针对这样的一种情况，设 计了一种适用于高分辨率微显示芯片的MIPI DSI显示驱 动接口[2]。
MIPI DSI是MIPI（Mobile Industry Processor Interface，移动业处理器接口）联盟为了对移动电子设备的外设接口标准做统一，以提高系统兼容性、设计性能 和效率，而提出的一种显示接口标准[3]。DSI接口是一 种高速的串行显示接口，可实现高分辨率显示，而且有 功耗低、抗干扰强的特点[4]。
图1所示是简化的DSI接口示意图[5]，主机可以发送 高速像素数据和低速命令给从机，并可以从从机设备中 读取状态或像素信息。主机和从机之间的通信一般是配 置1对差分时钟通道，1~4对数据通道。
MIPI DSI支持两种基本操作模式，分别为命令模式 （Command Mode）和视频模式（Video Mode）[3]。命令模式是指主机端向从机设备发送命令和数据，转换为 DBI格式，对显示设备做读写操作，以此来间接控制 从机端的外围设备的工作状态。另外从机端会通过双向 的数据通道0返回有关数据，主机端因此也可以读取到 从机设备的状态信息和缓存内容。视频模式主要是通过 数据通道在高速传输模式下，由主机单向传输给从机以 图像显示或视频数据，从机接收到进行解码后，最终将 其转为DPI时序格式直接传送给显示设备，进行实时显 示[4]。
DSI接口支持两种传输模式，分别为高速数据传输 模式（High-Speed Mode）和低功耗模式（Low-Power Mode）[6]。其中所有的数据通道都能够适用于单向的高速 数据传输，如传输图片和视频数据。低功耗模式下的传 输只通过双向的lane0进行，如低速数据和控制命令，速 率可达10 Mbit/s。时钟通道传输高速传输过程中的同步 时钟信号，采用高速DDR时钟，速率可达到1 Gbit/s。
MIPI DSI协议中规定数据是以数据包的形式传输， 根据包的长度不同，分为长包和短包。短包固定4个字 节长度，由标识符DI、data0、data1、ECC校验码组成[6]，如图2所示。长包是由包头、包数据、包尾组成，如 图3所示。包头是由DI、指定数据包中数据个数的WC、 ECC码组成，包尾是16 bit的校验和，长包的总长度范 围为6~65541字节[6]。
本文的设计目标是实现基于MIPI协议的显示接口 的设计，支持4路通道的高速数据传输，包括图片或视 频，通道0实现Escape模式下的低功耗传输模式，用以传输低速控制命令或数据，且支持lane0双向数据传输， 时钟通道传输高速同步时钟信号，支持RGB888格式的 数据输出，具有ECC校验、CRC校验功能等[3]。
高速模式下，通道上有两种状态：HS-0、 HS-1[7]。在低功耗模式下，lane0上有四种状态：LP00、LP-01、LP-10、LP-11[8]。根据总线上检测到不 同的电平序列后，分别进入或退出相应的模式，如图4 所示为从机通道工作的状态转移图[7]，可在高速模式、 Escape模式、TA（Turnaround）模式之间切换。
所有的数据通道都支持高速数据传输模式，从机接 收来自主机的高速串行数据来进行编解码。在空闲的时间 段，通道处于LP-11状态。当从机端接收到发自主机端 的序列：LP-11→LP-01→LP-00，即高速请求序列， 之后便准备进入高速数据传输模式接收高速数据。如需 退出高速模式，则发送EOT→LP-11。图5为高速传输 时序图[7]，定义了整个高速传输过程的方式和时序。当 从机端接收到高速模式下传输的数据后，会将数据包 中的像素数据解析出来，生成RGB格式数据、同步信 息、有效信息等，通过DPI接口输出给显示端进行显示 成像。
当从机检测到主机发送序列：LP-11→LP10→LP-00→LP-01→LP-00，进入Escape模式。之后 等待主机发送8 bit的命令，可进入其中的三种模式： ULPS超低功耗模式、LPDT低功耗数据传输模式、 Trigger模式。除了lane0都支持外，其他数据通道只支持 其中的超低功耗模式。其中使用较多的是低速数据传输 模式，lane0通过此模式可传输控制命令或数据。退出 Escape模式主机需发送序列：LP-10→LP-11。
进入TA模式需要发送请求序列：LP-11→LP10→LP-00→LP-10→LP-00，之后主机会释放总线控 制权，由从机获得总线发送低速数据 返回给主机，数据内容一般是响应信息、错误报告、结 束包等，发送完毕后从机会发送TA模式的序列请求， 将总线控制权交还给主机。退出TA模式发送序列LP00→LP-10→LP-11即可。
依据MIPI DSI协议的层次划分，将DSI接口电路分 为物理传输层模块、底层协议层模块、通道管理层模 块、应用层模块4个主要模块[3]，系统模块设计方案如图6 所示。
1）物理传输层：本层只要由时钟通道控制模块、 数据通道控制模块组成，其中数据通道控制模块又分 为数据通道0控制模块和其他数据通道控制模块。时 钟通道控制模块，主要实现了检测时钟通道LP→HS和HS→LP的模式切换。数据通道控制模块，主要完成了4 个数据通道的高速模式和低功耗模式相互之间的切换检 测，数据通道0的Escape模式和TA模式的检测[3]。将接 收到的高速模式和低功耗模式下的串行输入数据转为并 行数据，并传输给通道管理层[3]。将TA模式的返回数据 进行并串转化，再通过lane0传输给主机[2]。
2）通道管理层：大致上可以分为高速数据接收模块、低 功耗模式数据接收模 块，以及时钟切换模 块。完成4个数据通道 的高速模式的SOT序 列检测，接收物理传 输层发送过来的低功 耗模式命令和数据[3]。 实现数据融合功能， 将多通道的数据恢复原有字节顺序，并整合起来。时钟 切换模块实现高速时钟、低功耗下时钟，以及TA模式 下的不同时钟的切换。
3）底层协议层：主要完成高速模式和低功耗接收 模式的数据包的解码和编码，及ECC、CRC检测。当接 收来自物理传输层的数据时，对高速和低功耗模式的数 据包进行解码，检验测试的数据包的类型，根据长短包分别 做处理，并对ECC 码进行仔细的检测校验、纠 错，以及CRC校验。 对接收到的低速返回 数据包编码打包，主 动生成对应的ECC校 验码、CRC校验码， 以返回主机以响应 （ACK）和错误报告 （Error Report）[3]。 另外需要处理来自物理层的错误信号和Trigger信号，以 及本层内检测出的ECC校验错误和CRC校验错误[4]。
4）应用层：这部分直接与显示端连接，将接收到 的数据和命令进行译码，分别能进入视频模式和命 令模式，最后转换成显示端能识别的DBI格式或DPI格式。进入视频模式后，将接收到的高速像素数据转为符 合显示端兼容的DPI时序的数据，接着进行显示。当进 入命令模式，将低功耗接收的数据包解码，之后转成 DBI格式数据写到相应寄存器中。有时还需要从显示端 读到的DBI格式，然后将其编码转为DSI接口数据，最 后通过lane0发送给主机。
另外还有I2C配置模块，用于对各模块进行参数配 置，确保设计的成功实现，也可方便验证和芯片调试， 提高该设计的灵活性和兼容性。
4 DSI接口仿线 仿线所示为此接口设计的仿真策略图，模拟MIPI主 机发送机制，通过数据通道发送高速数据，通过数据通 道0发送低功耗数据，该设计作为MIPI从机，接收数据 后进行编解码，最终将相应的数据和命令输出，通过观 察验证端口的仿真波形或数据比对，来确定设计是否完 成对应的功能要求。
运行仿线所示的波形图，能够准确的看出4个 通道都支持高速数据传输模式，能将接收到串行数据转为并行数据，从数据包中解码出图像数据信息，如RGB 数据、数据有效信号、行同步信号、帧同步信号等，符 合设计的功能要求，高速功能通过验证。其他功能也是 同理做验证，不再赘述。
在芯片流片前有必要进行FPGA原型验证，将ASIC代 码移植到FPGA上，进行硬件上的验证，这样更接近芯 片真实的情况，本质上模拟芯片的实际性能和应用，通过 FPGA快速实现硬件模块，缩短开发时间，提高开发的 效率，同时能降低流片的风险和成本，所以也是芯片 设计中的重要流程。如图9为FPGA言行验证的平台，由 MIPI主机、转接板、连接线、FPGA开发板等组成，验 证通过后进行流片。
MIPI协议，且应用于高分辨率 微显示驱动的接口设计，该接口设计采用了四通道的数据差分数据通道和1对 高速差分时钟通道。首先介绍了微显示和MIPI接口的研 究必要性，接着介绍了MIPI DSI协议，之后着重讲述了 MIPI DSI接口设计的工作原理，以及设计的系统方案、 主要模块的工作流程，最后介绍了仿真和FPGA验证的过 程及结果分析。支持高速传输模式、Escape模式、TA反 向传输模式，在低功耗模式下传输速率10 Mbit/s，高速 数据传输速率可达到900 Mbit/s。目前已完成设计，并经 过反复的仿真和验证，达到了设计的基本要求，已完成流片。
参考文献：[1] 季渊. 超还原硅基有机发光微显示器研究[D].上海:上海大学, 2012.
