千兆多媒體串行鏈路 (GMSL )和千兆以太網(wǎng)(GigE)是兩種用于攝像機應(yīng)用的流行鏈路技術(shù)，經(jīng)常出現(xiàn)在不同的終端市場中。本文對這兩種技術(shù)在系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵特性和局限性方面進(jìn)行了比較分析。它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 相機的強大替代品。

背景

GigE Vision是一種基于以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)攝像機接口標(biāo)準(zhǔn)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。Devices公司的GMSL是一種點對點串行鏈路技術(shù)，專門用于視頻數(shù)據(jù)傳輸，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)都是為了擴(kuò)展圖像傳感器的視頻數(shù)據(jù)范圍，而每種解決方案都有其獨特的功能。多年來，我們已經(jīng)看到越來越多的GMSL攝像頭被應(yīng)用于汽車領(lǐng)域之外，通常作為GigE Vision攝像頭的替代品。

典型系統(tǒng)架構(gòu)

圖像傳感器連接

GigE Vision相機(如圖1所示)的信號鏈通常由三個主要組件組成——圖像傳感器、處理器和以太網(wǎng)PHY。處理器將來自圖像傳感器的原始圖像數(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。

GMSL相機的信號鏈(如圖2所示)通常更直接，只有一個圖像傳感器和序列化器。在典型的應(yīng)用程序中，序列化器轉(zhuǎn)換來自圖像傳感器的原始數(shù)據(jù)，然后以原始格式通過鏈接發(fā)送。由于不需要處理器，這些相機設(shè)計更簡單，更適合需要小相機外形和低功耗的應(yīng)用。

主機處理器連接

GigE Vision相機因其與各種主機設(shè)備的兼容性而在業(yè)界得到廣泛認(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相機可以與通用驅(qū)動程序一起工作，以獲得真正的即插即用體驗。

GMSL攝像機需要主機端的反序列化器。在大多數(shù)用例中，主機設(shè)備是帶有一個或多個反序列化器的定制嵌入式平臺。反序列化器將通過其MIPI發(fā)射器以原始格式從圖像傳感器MIPI輸出傳輸圖像數(shù)據(jù)。對于這些相機，每個定制相機設(shè)計都需要一個相機驅(qū)動程序，就像任何其他MIPI相機一樣。但是，如果圖像傳感器有一個現(xiàn)有的驅(qū)動程序，那么SerDes對只需要幾個配置文件寄存器或幾個寄存器寫入就可以從相機到SoC獲取視頻流。

當(dāng)只使用一個攝像頭時，GigE Vision在系統(tǒng)復(fù)雜性方面可能比GMSL有一些優(yōu)勢，因為它可以通過以太網(wǎng)端口直接連接到PC或嵌入式平臺。但是，當(dāng)使用多個GigE攝像機時，需要使用以太網(wǎng)交換機。它可以是一個專用的以太網(wǎng)交換設(shè)備，一個具有多個以太網(wǎng)端口的網(wǎng)卡，或者一個位于多個以太網(wǎng)端口和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，根據(jù)相機和終端設(shè)備之間的接口，會產(chǎn)生不可預(yù)測的延遲。參見圖3。

在GMSL攝像機系統(tǒng)中，一個反序列化器可以通過其MIPI C-PHY或D-PHY發(fā)射機連接最多四個鏈路，以支持所有四個攝像機的全帶寬。只要SoC可以處理總數(shù)據(jù)速率，使用一個或多個GMSL設(shè)備不會損害帶寬或增加太多的系統(tǒng)復(fù)雜性。

特征比較

傳感器接口

GMSL序列化器只支持并行LVDS (GMSL1)和MIPI (GMSL2/GMSL3)傳感器接口。由于MIPI是消費者和汽車相機中最流行的圖像傳感器接口，因此GMSL相機可以使用各種圖像傳感器。然而，由于相機內(nèi)部使用的處理器，GigE Vision相機在傳感器接口上更加通用。

視頻規(guī)格

操作理論

圖5顯示了數(shù)據(jù)如何在連續(xù)視頻流中從圖像傳感器傳輸?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后立即發(fā)送數(shù)據(jù)，然后在下一幀開始之前進(jìn)入空閑狀態(tài)。示例圖更好地表示全局快門傳感器。對于一個滾動快門傳感器，曝光和讀出周期在幀水平上會有重疊，因為曝光和讀出是每一行單獨控制的。

傳感器端的GMSL序列化器將來自圖像傳感器的數(shù)據(jù)序列化，并立即通過其專有協(xié)議將其傳輸?shù)芥溌贰?/span>

GigE Vision攝像機中的處理器將緩沖并經(jīng)常處理來自圖像傳感器的數(shù)據(jù)，然后將視頻數(shù)據(jù)安排在以太網(wǎng)幀中并將其發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。

鏈接速度

鏈路速率是指鏈路上數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦碚撟畲笏俣龋ǔＪ潜容^不同數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)時的關(guān)鍵規(guī)格。GMSL2、GMSL3和GigE Vision都使用離散的固定鏈路速率。

GMSL2支持3gbps和6gbps的數(shù)據(jù)速率。GMSL3支持12gbps的數(shù)據(jù)速率，所有GMSL3設(shè)備都通過GMSL2協(xié)議向后兼容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攝像機經(jīng)常出現(xiàn)在常見的應(yīng)用中。顧名思義，它們分別支持1gbps到10gbps的鏈路速率。最先進(jìn)的GigE Vision攝像機將以100 Gbps的鏈路速率支持100 GigE。(1)對于GigE Vision，所有高速協(xié)議將向后支持低速協(xié)議。

雖然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)鏈路速率很難對兩種技術(shù)進(jìn)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)速率描述了除去協(xié)議開銷的數(shù)據(jù)速率容量，這個概念也適用于視頻數(shù)據(jù)通信。通常，視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Я繛橄袼匚簧疃取翑?shù)據(jù)包或幀中的像素數(shù)。圖6說明了有效視頻數(shù)據(jù)與開銷之間的關(guān)系。

GMSL以分組方式傳輸視頻數(shù)據(jù)。GMSL2和GMSL3設(shè)備使用固定的數(shù)據(jù)包大小，因此有效的視頻數(shù)據(jù)速率也被定義。以GMSL2設(shè)備為例。當(dāng)鏈路設(shè)置為6gbps時，建議使用的視頻帶寬不超過5.2 Gbps。然而，由于該鏈路也有來自傳感器的MIPI接口的一些開銷和空白時間，5.2 Gbps反映了來自所有輸入MIPI數(shù)據(jù)通道的匯總數(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)的幀大小，它通常是軟件解決方案權(quán)衡的一部分，以提高效率(長幀的好處)或減少延遲(短幀的好處)。對于這些攝像機，開銷通常不超過5%。更高速度的以太網(wǎng)將減少使用長幀的風(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)都以一種突發(fā)的方式傳輸數(shù)據(jù)。因此，在較長時間內(nèi)(在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過程中的有效視頻數(shù)據(jù)速率。對于GMSL攝像機來說，連拍時間完全取決于圖像傳感器的讀出時間，實際應(yīng)用中的連拍比可能達(dá)到100%，以支持其全部有效視頻數(shù)據(jù)速率。GigE Vision攝像機可能用于更復(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)碰撞，burst ratio通常較低。圖7是一個示例。

分辨率和幀率

分辨率和幀率是視頻攝像機的兩個最重要的規(guī)格，它們是更高鏈路速率的關(guān)鍵驅(qū)動因素。對于這些規(guī)范，這兩種技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點。

GMSL設(shè)備不提供幀緩沖和處理。分辨率和幀率都取決于圖像傳感器或來自傳感器端的ISP在鏈路帶寬內(nèi)可以支持的內(nèi)容，通常是分辨率、幀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。雖然在許多情況下它的可用鏈路速率比GMSL慢，但它可能支持更高的分辨率、更高的幀速率，或者同時支持更高的緩沖和壓縮。然而，這一切都伴隨著延遲、功耗和相機系統(tǒng)兩側(cè)昂貴組件的代價。在一些不太常見的用例中，這些相機也以較低的幀速率傳輸原始圖像數(shù)據(jù)。

延遲

延遲是視頻攝像機的另一個關(guān)鍵規(guī)格，特別是在處理數(shù)據(jù)和實時決策的應(yīng)用程序中。

從序列化器的輸入/傳感器的輸出到反序列化器的輸出/接收SoC的輸入，GMSL相機系統(tǒng)具有低且確定的延遲。

由于攝像機處理和更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)流量，GigE Vision攝像機通常具有更高且不確定的延遲。然而，它可能并不總是導(dǎo)致更長的系統(tǒng)級延遲，特別是當(dāng)相機側(cè)的處理計入系統(tǒng)圖像管道并且更加專用和高效時。

其他功能

傳輸距離

GMSL序列化器和反序列化器設(shè)計用于在乘用車中使用同軸電纜傳輸高達(dá)15米的數(shù)據(jù)。但是，只要攝像機硬件系統(tǒng)符合GMSL信道規(guī)范，傳輸距離不限于15米。

GigE Vision使用以太網(wǎng)協(xié)議，可以使用銅纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?00米遠(yuǎn)的地方，甚至可以使用光纖，盡管它可能會失去一些功能，比如以太網(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PoC (Power over Coax)， GigE Vision使用PoE(4對以太網(wǎng))和PoDL(單對以太網(wǎng))。大多數(shù)GigE Vision攝像機使用傳統(tǒng)的帶PoE的4對線。

PoC是直接的，通常默認(rèn)用于具有同軸配置的相機應(yīng)用程序。在這種配置中，鏈路上的電源和數(shù)據(jù)來自單根電線，PoC電路只需要幾個無源元件。

支持1gbps或更高數(shù)據(jù)速率的PoE電路需要在攝像機和主機(或交換機)側(cè)都具有有源組件的專用電路。這使得PoE功能更昂貴，更難以訪問。支持PoE的GigE Vision攝像機通常也有本地外部供電選項。

外圍控制和系統(tǒng)連接

作為專用的攝像或顯示鏈路，GMSL的設(shè)計不能支持各種各樣的外圍設(shè)備。在典型的GMSL攝像機應(yīng)用中，該鏈路傳輸控制信號(UART、I2C和SPI)，僅與攝像機外設(shè)(如溫度傳感器、環(huán)境光傳感器、imu、LED控制器等)通信。使用GMSL作為相機接口的大型系統(tǒng)通常有其他較低速度的接口，如CAN和以太網(wǎng)，以與其他設(shè)備通信。

GigE Vision相機通常使用其內(nèi)置處理器來處理相機外圍控制。作為一種流行的工業(yè)應(yīng)用連接解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)有幾種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來支持各種機器和設(shè)備，而GigE Vision攝像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鏈路支持低延遲GPIO和I2C隧道，在正向和反向通道上以微秒的順序，以支持不同的相機觸發(fā)/同步配置。在GMSL相機系統(tǒng)中，觸發(fā)信號的來源可以來自反序列化端的SoC，也可以來自序列化端的圖像傳感器之一。

GigE Vision攝像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)包在硬件和軟件中提供觸發(fā)選項。在典型應(yīng)用中，硬件觸發(fā)器被用作標(biāo)準(zhǔn)方法，以提供與其他相機或非相機設(shè)備的響應(yīng)性和精確同步。這些相機的軟件觸發(fā)的主要問題是網(wǎng)絡(luò)延遲。雖然有一些協(xié)議可以提高同步精度，但它們要么不夠精確(網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP))，同步到毫秒級(2))，要么成本效益不高(精確時間協(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)網(wǎng)絡(luò)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攝像機)將能夠在同一時鐘域中提供時間戳。

GMSL沒有時間戳功能。一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)備鏈接。在某些系統(tǒng)架構(gòu)中，GMSL反序列化器將連接到PTP網(wǎng)絡(luò)上的SoC，以使用集中式時鐘。如果需要使用該特性，請參考AD-GMSL2ETH-SL。

結(jié)論

總之(見表1)，GMSL是現(xiàn)有GigE Vision解決方案的一個強有力的替代方案。與GigE Vision相機相比，GMSL相機通?？梢砸愿偷某杀尽⒏偷墓?、更簡單的系統(tǒng)架構(gòu)和更小的系統(tǒng)占用空間提供同等或更好的鏈路速率和功能。此外，由于GMSL最初是為汽車應(yīng)用而設(shè)計的，因此汽車工程師在惡劣環(huán)境中對其進(jìn)行了數(shù)十年的驗證。它將為系統(tǒng)開發(fā)的工程師和系統(tǒng)架構(gòu)師提供保證，其中可靠性和功能安全性是關(guān)鍵。

要開始使用GMSL進(jìn)行設(shè)計，請訪問GMSL技術(shù)頁面，獲取產(chǎn)品信息、硬件設(shè)計指南和用戶指南。參考設(shè)計和驅(qū)動程序支持可從Devices的GMSL GitHub存儲庫中獲得。

參考電路

(1)“了解10、25、50和100GigE愿景的好處?！毙屡d視覺技術(shù)有限公司，2023。

(2)大衛(wèi)·米爾斯。因特網(wǎng)時間同步:網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議。IEEE通訊學(xué)報，第39卷，第10期，1991年10月。

“用于網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議的IEEE標(biāo)準(zhǔn)”。IEEE, 2008年7月。

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(5)“單端口千兆以太網(wǎng)PHY?！盡axLinear, 2023年2月。

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