千兆位多媒体串行链路相机作为GigE Vision相机的替代方案

摘要

千兆多媒体串行链路™（GMSL™）和千兆以太网（GigE）是两种常见的摄像头应用传输技术，通常出现在不同的终端市场中。本文对这两种技术在系统架构、关键特性和局限性方面进行了比较分析。这将有助于解释两种技术的基本原理，并深入探讨为什么 GMSL 相机是 GigE Vision® 相机的强大替代选择。

背景

GigE Vision 是一种基于以太网基础设施和协议的网络摄像机接口标准，广泛应用于工业领域。Analog Devices 的 GMSL 是一种专用于视频数据传输的点对点串行链路技术，最初设计用于汽车摄像头和显示应用。   两种技术都旨在扩展来自图像传感器的视频数据的传输范围，但每种解决方案都有其独特的特点。多年来，我们看到越来越多的 GMSL 摄像头在非汽车领域被采用，常常作为 GigE Vision 摄像头的替代方案。

典型的系统架构

图像传感器连接

GigE Vision 相机（如图 1 所示）通常由信号链中的三个主要部件组成：图像传感器、处理器和以太网 PHY（物理层）。处理器将来自图像传感器的原始图像数据转换为以太网帧，这一过程通常包括图像处理和压缩或帧缓冲，以适配数据速率进入以太网支持的带宽范围。

GMSL 相机的信号链（如图 2 所示）通常更为简洁，仅包含一个图像传感器和一个串行器。在典型应用中，串行器将图像传感器的原始数据进行转换，并以其原始格式通过链路发送。由于不需要处理器，这些相机的设计更加简单，并且更适合需要小型相机外形和低功耗的应用场景。  

主处理器连接

GigE Vision相机因其与多种主机设备的兼容性，在业界广受认可。千兆以太网端口几乎是个人电脑（PC）或嵌入式平台的标准配置之一。一些GigE Vision相机可以使用通用驱动程序，实现真正的即插即用体验。   GMSL相机在主机端需要存在解串器。在大多数使用场景中，主机设备是一个定制的嵌入式平台，配备一个或多个解串器。解串器通过其MIPI输出端将图像传感器的MIPI输出以原始格式传输图像数据。对于这些相机，每种定制化相机设计都需要相应的相机驱动程序，与其他任何MIPI相机相类似。然而，如果图像传感器已有现成的驱动程序，仅需配备少量配置寄存器或进行少量寄存器写入即可让SerDes对从相机获取视频流发送到SoC。   在仅使用一台相机的情况下，GigE Vision在系统复杂性方面可能会对GMSL具有一定优势，因为它可以直接连接到带有以太网端口的PC或嵌入式平台。然而，当使用多台GigE相机时，需要一个以太网交换机。这既可以是一个单独的以太网交换机设备，也可以是一个配有多个以太网端口的网络接口卡（NIC），或者是位于多个以太网端口与SoC之间的以太网交换机集成电路（IC）。在某些情况下，这可能会导致总数据速率的最高值下降，更糟的是，依据相机与终端设备间接口的不同，还可能出现不可预测的延迟情况。见图3。

在一个GMSL摄像头系统中，一个解串器可以通过其MIPI C-PHY或D-PHY发射器连接多达四条链路，以支持所有四个摄像头的完整带宽。只要SoC能够处理总数据速率，使用一个或多个GMSL设备不会影响带宽，也不会过多增加系统复杂性。

功能比较：传感器接口

GMSL串行器仅支持并行LVDS（GMSL1）和MIPI（GMSL2/GMSL3）传感器接口。由于MIPI是消费类和汽车摄像头中最流行的图像传感器接口，因此多种图像传感器可以被应用于GMSL摄像头中。然而，由于摄像头内部使用的处理器，GigE Vision摄像头在传感器接口方面更加多功能。

视频规格： 操作原理

图5显示了一个示例时序图，说明数据如何从图像传感器传输到GMSL链路或GigE网络以形成连续的视频流。

在视频流的每一帧中，图像传感器在曝光阶段结束后会立即发送数据，然后进入空闲状态，等待下一帧的开始。示例图更适用于表示全局快门传感器。对于滚动快门传感器，由于曝光和读出是按行单独控制的，因此在帧级别上会在曝光阶段和读出阶段之间有重叠。   传感器端的GMSL串行器将来自图像传感器的数据序列化，并通过其专有协议立即将数据传输到链路。   GigE Vision相机内的处理器会缓冲并常常处理来自图像传感器的数据，然后将视频数据组织成以太网帧，并将其发送到网络。  

链接速率

链路速率指定链路上传输数据的理论最大速度，并且通常是不同数据链路技术之间进行对比时的关键规格。GMSL2、GMSL3 和 GigE Vision 都使用离散、固定的链路速率。   GMSL2 支持 3 Gbps 和 6 Gbps 的数据速率。GMSL3 支持 12 Gbps 的数据速率，并且所有 GMSL3 设备均向后兼容，采用 GMSL2 协议时可以兼容 GMSL2 设备。   GigE Vision 遵循以太网标准。GigE、2.5 GigE、5 GigE 和 10 GigE Vision 摄像头常见于各种应用场景。如其名称所示，它们分别支持从 1 Gbps 到最高 10 Gbps 的链路速率。最先进的 GigE Vision 摄像头将支持 100 GigE，链路速率达 100 Gbps。对于 GigE Vision，所有更高速度的协议都将向后支持较低速度的协议。   尽管链路速率与视频分辨率、帧率和延迟密切相关，但仅根据链路速率很难对两种技术进行直接比较。

有效视频数据速率

在数据通信中，有效数据速率指的是除去协议开销后的数据传输速率容量，这一概念同样适用于视频数据通信。通常，有效传输的视频数据量是像素位深度 × 一个数据包或帧中的像素数量。如图6所示，展示了有效视频数据与开销之间的关系。

GMSL 以数据包的形式传输视频数据。GMSL2 和 GMSL3 设备使用固定的数据包大小，因此其有效视频数据速率也定义得非常明确。以 GMSL2 设备为例，当链路设置为 6 Gbps 时，建议使用不超过 5.2 Gbps 的视频带宽。然而，由于链路还需要传输来自传感器 MIPI 接口的一些开销和消隐时间，5.2 Gbps 反映的是所有输入 MIPI 数据通道的聚合数据速率，而非每秒 5.2 Gb 的视频数据。   以太网通过帧传输数据。GigE Vision 并没有标准的帧大小，这通常是软件解决方案中的权衡部分，用于提高效率（长帧的优势）或减少延迟（短帧的优势）。对于这些相机，其开销通常不超过 5%。更高速的以太网可以降低使用长帧时的风险，从而实现更好的有效视频数据速率。   这两种技术的数据传输方式都是突发式的。因此，较长时间段内（一个视频帧或更长时间）的视频平均数据速率甚至可能低于传输期间的有效视频数据速率。对于 GMSL 相机，突发时间完全取决于图像传感器的读出时间，在实际应用中，其突发率可能达到 100%，以支持其全部的有效视频数据速率。而 GigE Vision 相机可能被用在更复杂且无法预测的网络环境中，在这种情况下，为了避免数据冲突，其突发率通常较低。请参见图 7 举例。

分辨率和帧率

分辨率和帧率是视频摄像机最重要的两个规格，也是推动更高链路速率的关键因素。对于这些规格，两种技术都有各自的权衡。   GMSL设备不提供帧缓冲和处理功能。分辨率和帧率完全取决于来自传感器端的图像传感器或ISP在链路带宽内所支持的能力，通常是分辨率、帧率和像素位深之间的简单权衡。   GigE Vision的模式更为复杂。尽管在许多情况下其可用链路速率较GMSL慢，但通过额外的缓冲和压缩，它可能支持更高的分辨率、更高的帧率，或同时支持两者。然而，这一切都伴随着延迟、功耗增加和摄像机系统两端昂贵组件的代价。在一些不太常见的使用场景中，这些摄像机也以较低的帧率传输原始图像数据。

延迟

延迟是视频摄像头的另一个关键规格，尤其是在实时处理数据并作出决策的应用中。   GMSL摄像头系统从串行器的输入/传感器的输出到解串器的输出/接收SoC的输入之间具有低且确定性的延迟。   GigE Vision摄像头通常由于摄像头内部的处理和更复杂的网络流量而具有更高且不确定的延迟。然而，当摄像头端的处理计入系统图像管道且更专注高效时，这可能并不总是导致更长的系统级延迟。

其他功能：传输距离

GMSL串行器和解串器被设计用于在乘用车中通过同轴电缆传输数据，传输距离可达15米。然而，只要摄像头硬件系统符合GMSL通道规范，传输距离并不局限于15米。   GigE Vision使用以太网协议，可以通过铜缆传输数据至100米，甚至使用光纤传输更远距离，但可能会失去一些功能，例如以太网供电（PoE）。

PoC 和 PoE/PoDL

这两种技术都能够通过同一根电缆传输电力和数据。GMSL使用同轴电缆供电（PoC），而GigE Vision则使用以太网的四对线供电（PoE）以及单对以太网（SPE）的数据线供电（PoDL）。大多数GigE Vision摄像头使用传统的四对线并搭载PoE。   PoC非常简单，通常默认应用于具有同轴配置的摄像机。在这种配置中，链接上的电力和数据来自单根导线，仅需要少量的无源组件来构建PoC电路。   支持1 Gbps或更高数据速率的PoE电路需要专用电路，并且需要在摄像机和主机（或交换机）端搭载有源组件。这使得PoE功能成本较高且可用性较低。通常支持PoE的GigE Vision摄像机也会配备本地外部供电选项。

外围控制和系统连接

GMSL 作为一种专用的摄像头或显示链路，并非设计用于支持多种外设。在典型的 GMSL 摄像头应用中，该链路传输控制信号（如 UART、I2C 和 SPI），仅与摄像头外设通信，例如温度传感器、环境光传感器、惯性测量单元（IMU）、LED 控制器等。使用 GMSL 作为摄像头接口的大型系统通常还具备其他低速接口，例如 CAN 和以太网，用于与其他设备通信。   GigE Vision 摄像头通常通过其内置处理器处理摄像头外设的控制。作为工业应用中一种流行的连接解决方案，工业以太网有多种标准协议，以支持多样化的机器和设备，而 GigE Vision 摄像头通过其软硬件接口直接连接到网络。

相机触发和时间戳记录

GMSL链路支持在正向和反向通道上实现微秒级的低延迟GPIO和I2C隧道，以支持不同的摄像头触发/同步配置。在GMSL摄像头系统中，触发信号的来源可以是来自反串器端的SoC，也可以是串器端的图像传感器之一。   GigE Vision摄像头通常通过专用的引脚/端口或以太网触发/同步数据包提供硬件和软件触发选项。在典型应用中，硬件触发被用作标准方法，以提供与其他摄像头或非摄像设备的快速和精准同步。这类摄像头的软件触发的主要问题是网络延迟。尽管存在一些协议可以提升同步精度，但它们要么精度不足（例如，网络时间协议（NTP），同步到毫秒级别），要么成本较高（精密时间协议（PTP），同步到微秒级别，但需要兼容硬件）。   当在以太网网络中使用同步协议时，同一网络中的所有设备（包括GigE Vision摄像头）都能在相同的时钟域内提供时间戳。   GMSL不具备时间戳功能。一些图像传感器可以通过MIPI嵌入式标头提供时间戳，但通常无法与更高层系统中的其他设备关联。在某些系统架构中，GMSL反串器会连接到PTP网络中的SoC以使用集中式时钟。如果需要此功能，请参考AD-GMSL2ETH-SL。

结论

总结来说（见表1），GMSL 是现有 GigE Vision 解决方案的强大替代品或替换方案。与 GigE Vision 相机相比，GMSL 相机通常能够以更低的成本、更低的功耗以及更简单的系统架构和更小的系统尺寸提供相当或更高的链接速度和功能。此外，由于 GMSL 最初是为汽车应用设计的，经过数十年来汽车工程师在恶劣环境中的验证，它能够为工程师和系统架构师在系统开发中提供可靠性和功能安全性方面的重要保障。