作者：Aili-Light | 公众号：艾利光科技
随着汽车智能化的不断提升，特别是高级辅助驾驶系统（ADAS）的普及，越来越多的车载摄像头和传感器需要与汽车电子控制单元（ECU）进行数据通信，对车内数据传输的带宽、实时性和稳定性的要求也越来越高，由此诞生了GMSL高速信号传输方式，本文我们将详细介绍GMSL高带宽数据接入的方法。
GMSL介绍
GMSL：Gigabit Multimedia Serial Link是Maxim公司(http://www.maximintegrated.com)推出的一种高速串行接口，适用于视频、音频和控制信号的传输，使用50Ω同轴电缆或100Ω屏蔽双绞线电缆，传输距离可达15m或更长。
GMSL技术的特点是将并行数据转换成串行数据发送，在接收端将串行数据解码为并行数据，其优势有：高速率、远距离、抗干扰性强等。目前基于GMSL架构的通信协议最高可实现单通道6Gbps的速率（参考USB3.0仅有2.5Gbps），在未来会有越来越广泛的应用。
图1 GMSL的串行-解串数据链路示意图
以ADAS摄像头为例，一般来讲，摄像头除了对外发送捕获到的图像数据外，还会发送帧同步信号，像素时钟等信息，此外还有电源供给等等，因此它需要由许多信号线组成的一个并行总线。如之前所说，并行总线在高速的数据传输过程中，是不占据优势，因此我们需要将这些并行的信号合并为串行信号，再通过更高频率进行传输。
图2 使用并行总线的摄像头模组
GMSL技术的诞生就是为了解决并行数据到串行数据，再从串行数据还原为并行数据的问题。GMSL是SerDes的一种，SerDes是Serializer/Deserializer的缩写，即串行器和解串器。SerDes的串行-解串可以通过数模电路或者FPGA来实现。但是在商用领域，出于性价比的考量，往往会使用独立IC芯片来实现这个功能，GMSL就是由Maxim公司开发的一系列串行-解串芯片的集合。
GMSL技术经历了很长的发展时间，第一代的GMSL从2003年开始，最高支持3Gbps的传输速率，足够传输1百万-3百万像素（1080p/30fps）的视频流数据。从2017年之后，GMSL2代技术出现，传输带宽已经提升至6Gbps，可轻松传输8百万像素（4K/30fps）的视频流数据。
图3 GMSL1代技术的发展历程
GMSL串行器-解串器
Maxim目前同时提供两代的GMSL产品，分别是GMSL1以及GMSL2，其中部分GMSL2产品兼容GMSL1。目前常见的GMSL串行-解串芯片如表1所示。其中兼容GMSL1/2的器件，既可以接入GMSL1也可以接入GMSL2。例如：
a) MAX9296解串器，既可以接入MAX96701（GMSL1）也可以接入MAX96717（GMSL2）；
b) MAX9295A串行器，既可以接入MAX9286（GMSL1），也可以接入MAX96712（GMSL2）；
除此之外，GMSL1的串行器无法接入GMSL2的解串器，反之亦然。
| 串行器 | 解串器 | ||
|---|---|---|---|
| GMSL1 | MAX96701/MAX96715 | MAX9286 | |
| 12bit DVP IN 1 SIO OUT@1.76Gbps | 4IN 1OUT@MIPI 1.5Gbps | ||
| GMSL1/2 兼容 | MAX9295A | MAX9296 | MAX96722 |
| 4-MIPI IN 1 SIO OUT@6Gbps | 2IN 2OUT@MIPI 2.5Gbps | 4IN 1OUT@MIPI 2.5Gbps | |
| GMSL2 | MAX96717/MAX96717F | MAX96712 | |
| 4-MIPI IN 1 SIO OUT@6Gbps/3Gbps | 4IN 1OUT@MIPI 2.5Gbps |
表1 GMSL串行器-解串器对应配置表
从SoC的角度来看，如果忽略串行-解串的过程，可以认为SoC直接接入到相机Sensor上。由于GMSL同轴线的传输延迟几乎可以忽略不计（ns级别），相当于将原来只能短距离传输的高速并行信号(MIPI/I2C/CLK等)的传输距离延长，真正做到高带宽、低延迟、长距离的数据传输。
GMSL数据接入方式
1. NVIDIA Jetson Xavier平台
以Jetson Xavier为代表的Arm架构下的SoC系统，通常没有直接的GMSL接口，而是提供MIPI信号接口，因此需要通过外挂解串板的方式来实现，以下方的配置为例介绍。
硬件连接方式如图4所示，摄像头包含Sensor（IMX390）和串行器（MAX9295），两路摄像头通过GMSL Link同轴线（Coax Cable）连接到转接板（MAX9296 Deserializer Board），转接板再通过排线（MIPI White Cable）接入到Jetson Xavier开发板的CSI Port。
图4 解串器转接板的硬件连接方式
硬件架构如图5所示：
- Sensor（IMX390）接口为MIPI-CSI，数据格式为1080p/30fps/RAW12
- 每路摄像头搭配1个MAX9295串行器（Serializer）
- 两路GMSL Link共同连接到解串器MAX9296
- MAX9296解串器接入到Jetson的CSI port（以Port A为例）
图5 GMSL摄像头接入Jetson的硬件框图
驱动层的结构如图6所示，驱动最上层是v4l2的架构，是Linux系统下的通用相机驱动框架。中间层是sensor驱动，用于控制视频流的开关、设置图像参数等。最底层是MAX9295/9296的驱动，负责拉通数据链路。
图6 Jetson的GMSL摄像头驱动架构
Sensor驱动程序会在设备启动（Device boot）的时候，配置串行器-解串器的参数，建立起数据链路（data streaming pipeline）。一旦数据链路建立起来后，就可以分别对串行器、解串器、Sensor配置寄存器参数，控制它们的工作模式，或进行数据流的开关操作等。
2. PC电脑/工控机
PC/工控机主要运行在x86平台，这类系统通常接口有：USB/以太网/PCIE等。USB3.0的传输带宽在1Gbps – 2.5Gbps左右，以太网的带宽在100Mbps – 1000Mbps之间，PCIE的带宽高于10Gbps。
如表2所示，1M（100万像素） - 8M（8百万像素）摄像头的数据传输带宽在655Mbps – 4.4Gbps。从带宽的限制来看，USB3.0最高只能支持到2M，以太网最高支持到1M，只有PCIE可以满足所有的传输需求。
| 像素 | 传输带宽 | USB3.0 | Ethernet （以太网） | PCIE |
|---|---|---|---|---|
| 1M | 655Mbps | √ | √ | √ |
| 2M | 1.3Gbps | √ | × | √ |
| 8M | 4.4Gbps | × | × | √ |
表2 不同接口的传输带宽
PCIE采集卡（图7）就是专门为PC电脑/工控机设计的GMSL摄像头接入设备。PCIE采集卡的具有高带宽、多通道的特点，其通用性好，实时性高，广泛应用于自动驾驶的研发和数据采集上。
图7 PCIE数据采集卡
PCIE采集卡的硬件框图如图8所示，其工作原理如下：
1) 摄像头（Sensor+Serdes）的图像数据通过GMSL同轴连接线传输到采集卡的解串芯片（DeSerdes, MAX9296）上
2) 解串芯片将数据通过MIPI/IIC传输到FPGA，FPGA解析数据流
3) FPGA通过PCIE将数据存放至DDR4内存中
4) 调用SDK获取内存数据
图8 PCIE数据采集卡的硬件框图
如图9所示，采集卡插入到机箱的通用PCIE插槽上，多张采集卡可并行使用，方便灵活。PCIE的协议通用、接口稳定、带宽高，因此对于多路图像采集的应用非常有帮助。例如自动驾驶的图像采集车，往往需要10-20路摄像头同步接入，同时采集、存储所有摄像头的数据，对带宽和稳定性的要求很高，只有PCIE采集卡可以胜任这个工作。
图9 PCIE数据采集卡接入机箱
综上所述，PCIE采集卡具有如下优势：
1) 高带宽设计，支持多路摄像头同时接入
2) 多路相机同步曝光或或延迟曝光
3) 支持外部输入触发信号，例如GPIO/pps信号/ntp服务器等
4) 可通过CAN接口传入时间戳，与外部传感器同步
5) 有完善的SDK，支持Windows/Linux系统
6) PCIE标准插槽，稳定可靠，数据安全不易丢失
总结
本文介绍了GMSL高带宽数据传输的方式，该方式具有高带宽、长距离、稳定性高等特点。随着智能汽车当中越来越多的图像/视频数据传输需求，GMSL高速接口正在越来越多地被使用，成为自动驾驶当中必不可少的一部分。