К чему можно подключить MIPI DSI экран?

Как-то мне захотелось поэкспериментировать с MIPI DSI экранами. Встал вопрос: к чему их подключить? Позже я выбрал решение и спроектировал плату, о чём начал писать статью. Но есть и множество других вариантов. Решил вынести эти данные в отдельную часть.

Информация постепенно собиралась по крупицам из разных источников, а после успешного запуска экранов была осмыслена с учётом полученного опыта, систематизирована и представлена в удобной форме.

Какие решения доступны? Как рассчитать скорость передачи данных?

Варианты:

1. Одноплатные компьютеры (готовые или спроектировать свою плату с процессором).
2. Микроконтроллеры с MIPI DSI интерфейсом.
3. Микроконтроллеры кроссоверы с MIPI DSI интерфейсом.
4. ПЛИС (некоторые поддерживают напрямую, схема на резисторах или спец. микросхемы).
5. Микросхемы преобразования интерфейсов (RGB/HDMI/DP/LVDS… –> МIPI DSI).

❯ 1. Одноплатные компьютеры (готовые или спроектировать свою плату с процессором)

Малина.
У версий Zero Малины нет DSI, только CSI для камеры.
У версий 1А+, 1В+, 2, 3, А+, В+, 4 есть DSI выход (2 пары данных и одна тактовая).
Схема ^[1].

У Малины 5 и Compute Module 5 ^[2] 2 × 4-lane MIPI camera/display transceivers ^[3].

Есть два разъёма. Можно настроить по одному на камеру/экран, либо сделать 2 разъёма одного вида (камера или экран).

У Compute Module 3+ ^[4], CM4 ^[5] 
1x 4-lane DSI Display Interface (up to 1Gbps per lane)
1x 2-lane DSI Display Interface (up to 1Gbps per lane)

Кроме Малины есть множество других одноплатников. У каждого свой набор интерфейсов.
Интересный вариант – плата на RK3566 (RK3566-2G-16G). Кроме MIPI DSI и HDMI на ней есть EDP.

Для варианта платы с процессором нужно разбираться с Линуксом и писать драйвер экрана.

ESP32-P4.
ESP32-P4 ^[6] – это высокопроизводительный микроконтроллер (или, скорее, гибрид), который поддерживает большой объем встроенной памяти и обладает хорошими возможностями обработки изображений и голоса. Cостоит из высокопроизводительной системы (High Performance) и системы с низким энергопотреблением (Low Power). Система HP содержит двухъядерный процессор RISC-V и множество периферийных устройств, в то время как система LP содержит маломощный одноядерный процессор RISC-V и различные периферийные устройства, оптимизированные для приложений с низким энергопотреблением.

ESP32-P4 поддерживает MIPI-CSI и MIPI-DSI (2 пары данных, до 1,5 Гбит/с/полоса), что облегчает интеграцию экранов и камер с высоким разрешением (до 1080p). Для обеспечения широкой совместимости ESP32-P4 оснащен параллельными интерфейсами дисплея (до 24 бит/цвет) и камеры.

Кроме того, он оснащен емкостным сенсорным вводом и функциями распознавания речи, что делает его удобным для приложений с человеко-машинным интерфейсом. ESP32-P4 объединяет аппаратные ускорители для различных протоколов кодирования и сжатия мультимедиа, включая поддержку кодирования H.264 с максимальной производительностью 1080p при 30 кадрах в секунду. SoC также включает в себя встроенный аппаратный ускоритель обработки пикселей (PPA) и 2D-DMA, которые идеально подходят для разработки графического интерфейса пользователя.

Есть и плата малиновой формы:

❯ 2.Микроконтроллеры с MIPI DSI интерфейсом

Прежде всего вспоминаются микросхемы STM. Есть апнота про DSI host ^[7] в микросхемах STM32.
DSI Host – это специализированное периферийное устройство для взаимодействия с дисплеями, MIPI DSI. Оно включает в себя специальный видеоинтерфейс, подключенный к LTDC, и универсальный интерфейс APB, который может использоваться для передачи информации на дисплей.

Контроллер LCD-TFT дисплея (LTDC) обеспечивает 24-разрядный параллельный цифровой режим RGB (24 бит/пиксель) и может управлять экранами с разрешением до XGA (1024x768). 
Но максимальное разрешение ограничено доступной пропускной способностью физического канала DSI (lane rate) – 0,5 или 1 Гбит/с:

DSI хост STM32 поддерживает все режимы работы, определенные в спецификации MIPI DSI: командный режим и все варианты видеорежима (пакетный, не пакетный с синхроимпульсами и не пакетный с событиями синхронизации). Поддерживает скорость соединения до 1 Гбит/с или 2 Гбит/с в зависимости от модели.

Вероятно, есть ещё какие-то микроконтроллеры с MIPI DSI других производителей.

❯ 3. Микроконтроллеры кроссоверы с MIPI DSI интерфейсом

IMXRT1170 ^[8], i.MX-RT1160 ^[9] и другие.
На Хабре была статья ^[10] про такие мк.
Имеют 2 пары данных с частотами до 1,5 ГГц на пару (bit rate clock).
Поддерживают командный и видео режимы.

❯ 4. ПЛИС

Интерфейс MIPI довольно специфичен. В режиме Low Power уровень сигнала 1,2 В LVCMOS, в режиме HS уровни согласно стандарту SLVS-400.

Варианты подключения MIPI экрана/камеры к ПЛИС:

1. Напрямую.
2. Через резисторную схему (< 800 Мбит/с на полосу).
3. Через специальную микросхему (> 800 Мбит/с на полосу).

ПЛИС, которые напрямую поддерживают MIPI DPHY, в основном включают серии Xilinx UltraScale+ (макс. 1,5 Гбит/с на полосу), Lattice Crosslink ^[11] (макс. 1,5 Гбит/с/полоса) и Lattice Crosslink NX ^[12] (макс. 2,5 Гбит/с/полоса). Другие типы FPGA требуют добавления дополнительных схем преобразования уровней для преобразования сигналов в LVDS.
Для скоростей < 800 Мбит/с на линию достаточно резисторной схемы. Резисторы используются для подключения, изоляции, терминации и сдвига уровня, чтобы создать D-PHY из имеющихся в ПЛИС стандартов ввода/вывода (LVCMOS или HSTL для LP режима, LVDS для HS).
Есть апноты от Xillinx (D-PHY Solutions XAPP894 ^[13]) и от ALTERA (AN 754 ^[14]: MIPI D-PHY Solution with Passive Resistor Networks in Intel® Low-Cost FPGAs), в которых описано это решение.

FPGA Compatible D-PHY Transmitter:

Для скоростей > 800 Мбит/с на линию требуется специальная микросхема преобразования уровней, такая как MC20002, MC20901 ^[15], LT89101L ^[16] и т. д.;
Application Example MC20001/MC20002:

D-PHY на резисторах используется, например, в проекте ^[17] MIPI DSI Display Shield/HDMI Adapter.

❯ 5. Микросхемы преобразования интерфейсов (RGB/HDMI/DP/LVDS… <–> МIPI DSI)

Есть довольно много разных микросхем. На какие-то есть полный даташит и разные руководства, примеры проектов и другие полезности; для каких-то доступен только краткий документ на пару страниц.

SSD2828.
RGB, SPI –> МIPI DSI
Поддерживает до 4 пар данных, 1 Гбит/с/пару.
Максимум 1920 пикселей на строку экрана (60 кадров/с) или 2560 при частоте 30 кадров/с.
Есть полный даташит ^[18], руководства (один ^[19], два ^[20]), примеры проектов, готовые платы и т. д.

SSD2805.
Если нужно запустить экран с командным режимом, то подойдёт эта микросхема ^[21].
Остальные перечисленные микросхемы обычно работают с экранами в видеорежиме.
Преобразует RGB + SPIMCU –> MIPI DSI.
Поддерживает до 700Mбит/с, 2 полосы данных (350Мбит/с/полосу).
Пример работы ^[22] в связке с ESP32.

Есть и другие микросхемы этого производителя.

Toshiba TC358870XBG.
HDMI –> 2 порта MIPI DSI.
TC358870XBG ^[23] может передать 7,2 Гбит/с видео с HDMI по двойному каналу DSI (1 Гбит/с на дифф. пару).
До 4K×2K (3840×2160) 30 кадров/с, 24 бит цвет.

По одному каналу DSI максимум 2558 пикселей на строку (24 бит на пиксель) или 3411 пикселей (16 бит на пиксель).

Есть примеры проектов (в том числе на Хабре ^[24]), готовые платы и т. д.

Микросхемы Lontium.
Есть разные ^[25] преобразователи интерфейсов MIPI, HDMI, Display Port, LVDS и другие в разные стороны и с разным кол-вом портов, интерфейсов и т. д. (зависит от микросхемы).

На них обычно находит только даташит на пару страниц (например, LT8918 ^[26]) или чуть больше ^[27]. Порой можно найти драйвера для Линукса или какой-то код, где можно посмотреть полезную информацию.

На Али и в других местах попадаются платы на этих микросхемах и сами чипы отдельно.

Список вариантов не претендует на полноту.
Попадаются и другие ^[28] платы ^[29] преобразования интерфейсов, непонятно на основе каких микросхем.

❯ Как рассчитать скорость передачи данных?

Например, нужно запустить экран COM48H4N22ULC ^[30]. Хотим узнать, какую максимальную скорость передачи данных на пару должна обеспечить микросхема/решение в видеорежиме, чтобы выбрать подходящие.

16,777,216-color, 4.8" TFT display with 720 x RGB(H) x 1280(V) dots
16,777,216 = 2^24 => экран может 24 бита/пиксель.

Из этой таблички берём временнЫе параметры.
Ориентируясь на картинку,

Рассчитаем пиксельную частоту:

PixelClock = (Высота + VSync + VFP + VBP) * (Ширина + HSync + HFP + HBP)*FPS = (1280 + 3 + 6 + 3)*(720 + 15 + 91 + 70) = 69,46 МГц.

Если бы картинка передавалась по RGB интерфейсу, то мы тактировали бы его как раз с такой частотой.

Требуемая скорость передачи данных:

Скорость = PixelClock*24 бита/пиксель = 1,667 Гбит/с.

Такая скорость была бы нужна, если бы мы передавали данные по одной полосе (дифф. паре) данных.

В данном случае 4 пары данных:

Поэтому на одну дифф. пару получаем:

Скорость/4 = 416,7 Мбит/с.

В интерфейсе MIPI DSI данные считываются по фронту и по спаду тактового сигнала (Double Data Rate), поэтому частота сигнала CLKp,n будет в два раза ниже:

416,7 Мбит/с /2 = 208,4 МГц.

❯ Коротко о главном

Существуют разные решения. У каждого свои плюсы и минусы.
У одноплатных компьютеров обычно есть DSI интерфейс 2 или 4 полосы. Нужно писать драйвер для Линукс.

У некоторых микроконтроллеров есть DSI. Обычно 2 полосы.

Можно использовать ПЛИС. Некоторые могут работать с DSI напрямую, какие-то через специальную схему на резисторах или через специальные микросхемы.

Существуют и микросхемы преобразования интерфейсов.

Чтобы верно выбрать решение, стоит оценить скорость передачи данных на полосу.

Пройдите, пожалуйста, опрос. Нам важно ваше мнение! Спасибо!

---