【導讀】千兆多媒體串行鏈路™ (GMSL™)和千兆以太網(GigE)是相機應用中兩種流行的鏈路技術，常見於不同的終端市場。本文對兩種技術的係統架構

、關鍵特性和局限性進行了比較分析。這將有助於解釋這兩種技術的基本原理

，並深入了解為什麼GMSL相機是GigE Vision®相機的有力替代方案。

摘要

千兆多媒體串行鏈路™ (GMSL™)和千兆以太網(GigE)是相機應用中兩種流行的鏈路技術，常見於不同的終端市場。本文對兩種技術的係統架構、關鍵特性和局限性進行了比較分析。這將有助於解釋這兩種技術的基本原理，並深入了解為什麼GMSL相機是GigE Vision®相機的有力替代方案。

背景知識

GigE Vision是基於以太網基礎架構和協議的網絡相機接口標準。它廣泛用於工業領域。ADI公司的GMSL是一種專門用於視頻數據傳輸的點對點串行鏈路技術，最初是為汽車攝像頭和顯示應用而設計的。

這兩種技術都旨在擴展圖像傳感器視頻數據的傳輸距離，但每種解決方案有其各自的特性。多年來
，我們看到越來越多的GMSL相機在汽車之外的領域得到采用，它們通常作為GigE Vision相機的替代方案。

典型係統架構

圖像傳感器連接

GigE Vision相機的信號鏈（如圖1所示）通常由三個主要元件組成：圖像傳感器、處理器和以太網PHY。處chu理li器qi將jiang圖tu像xiang傳chuan感gan器qi中zhong的de原yuan始shi圖tu像xiang數shu據ju轉zhuan換huan為wei以yi太tai網wang幀zhen
，該gai過guo程cheng通tong常chang涉she及ji圖tu像xiang處chu理li和he壓ya縮suo或huo幀zhen緩huan衝chong，以yi使shi數shu據ju速su率lv適shi合he以yi太tai網wang支zhi持chi的de帶dai寬kuan。

圖1.GigE Vision相機傳感器側的主要信號鏈元件。

GMSL相機的信號鏈（如圖2所示）通(tong)常(chang)更(geng)加(jia)簡(jian)單(dan)
，僅(jin)包(bao)含(han)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)串(chuan)行(xing)器(qi)。在(zai)典(dian)型(xing)應(ying)用(yong)中(zhong)，串(chuan)行(xing)器(qi)轉(zhuan)換(huan)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)中(zhong)的(de)原(yuan)始(shi)數(shu)據(ju)，然(ran)後(hou)以(yi)其(qi)原(yuan)始(shi)格(ge)式(shi)通(tong)過(guo)鏈(lian)路(lu)發(fa)送(song)。這(zhe)些(xie)相(xiang)機(ji)無(wu)需(xu)處(chu)理(li)器(qi)，設(she)計(ji)更(geng)簡(jian)單(dan)，更(geng)適(shi)合(he)需(xu)要(yao)小(xiao)尺(chi)寸(cun)相(xiang)機(ji)和(he)低(di)功(gong)耗(hao)的(de)應(ying)用(yong)。

圖2.GMSL相機傳感器側的主要信號鏈元件。

主機處理器連接

GigE Vision相機因其與眾多主機設備的兼容性而受到業界的廣泛認可。千兆以太網端口幾乎是個人計算機(PC)或嵌入式平台的標準配置。一些GigE Vision相機可以使用通用驅動程序，提供真正的即插即用體驗。

GMSL相機需要主機側提供解串器。在大多數用例中，主機設備是帶有一個或多個解串器的定製嵌入式平台。解串器通過其MIPI發送器以圖像傳感器MIPI輸出的原始格式傳輸圖像數據。對於此類相機，每種定製相機設計都需要一個匹配的驅動程序，就像任何其他MIPI攝像頭一樣。然而，如果圖像傳感器的驅動程序已存在，則一對SerDes隻需要幾個預設寄存器或執行幾次寄存器寫操作，就能將視頻流從相機傳輸到SoC。

圖3.典型GigE Vision網絡。

當僅使用一個相機時，GigE Vision在係統複雜性方麵可能比GMSL有一些優勢
，因為它可以直接連接到具有以太網端口的PC或嵌入式平台。然而，當使用多個GigE相機時，就需要以太網交換機。它可以是專用以太網交換機設備
、具有多個以太網端口的網絡接口卡(NIC)或多個以太網端口與SoC之間的以太網交換IC。在zai某mou些xie情qing況kuang下xia
，這zhe將jiang導dao致zhi最zui大da總zong數shu據ju速su率lv降jiang低di
，更geng糟zao糕gao的de是shi，這zhe將jiang帶dai來lai不bu可ke預yu測ce的de延yan遲chi
，具ju體ti情qing況kuang取qu決jue於yu相xiang機ji和he終zhong端duan設she備bei之zhi間jian的de接jie口kou。參can見jian圖tu3。

在GMSL相機係統中，一個解串器可以連接多達四個鏈路，其MIPI C-PHY或D-PHY發送器支持所有四個相機的總帶寬。隻要SoC能夠應對聚合後的數據速率
，使用一個或多個GMSL器件就不會影響帶寬或增加過多係統複雜性。

圖4.典型GMSL相機到主機的連接。

特性比較

傳感器接口

GMSL串行器僅支持並行LVDS (GMSL1)和MIPI (GMSL2/GMSL3)傳感器接口。MIPI是消費電子和汽車攝像頭廣泛使用的圖像傳感器接口，因此GMSL相機可以支持種類眾多的圖像傳感器。然而，由於GigE Vision相機內部使用了處理器，其在傳感器接口方麵更加靈活。

視頻規格

工作原理

圖5顯示了連續視頻流中數據從圖像傳感器傳輸到GMSL鏈路或GigE網絡的時序圖示例。

在zai視shi頻pin流liu的de每mei一yi幀zhen中zhong，圖tu像xiang傳chuan感gan器qi在zai曝pu光guang周zhou期qi之zhi後hou立li即ji發fa出chu數shu據ju
，然ran後hou在zai下xia一yi幀zhen開kai始shi之zhi前qian進jin入ru空kong閑xian狀zhuang態tai。示shi例li圖tu更geng好hao地di展zhan示shi了le全quan局ju快kuai門men傳chuan感gan器qi的de情qing況kuang。對dui於yu滾gun動dong快kuai門men傳chuan感gan器qi，其qi曝pu光guang和he讀du出chu是shi每mei行xing單dan獨du控kong製zhi的de
，因yin此ci幀zhen級ji別bie上shang的de曝pu光guang和he讀du出chu周zhou期qi會hui有you重zhong疊die。

傳感器側的GMSL串行器對圖像傳感器中的數據進行串行化，然後立即通過其專有協議將數據傳輸到鏈路。

GigE Vision相機中的處理器會緩衝並且通常還會處理圖像傳感器中的數據，然後將視頻數據排列在以太網幀中並將其發送到網絡。

鏈路速率

鏈路速率規定了鏈路上數據傳輸的理論最大速度。當比較不同數據鏈路技術時，鏈路速率通常是關鍵指標。GMSL2、GMSL3和GigE Vision均使用離散的固定鏈路速率。

圖5.視頻傳輸時序圖。

GMSL2支持3 Gbps和6 Gbps的數據速率。GMSL3支持12 Gbps的數據速率，並且所有GMSL3設備都向後兼容使用GMSL2協議的GMSL2設備。

GigE Vision遵循以太網標準。GigE、2.5 GigE、5 GigE和10 GigE Vision相機經常出現在常見應用中。顧名思義，它們分別支持1 Gbps至高達10 Gbps的鏈路速率。先進的GigE Vision相機將支持100 Gbps鏈路速率的100 GigE。1對於GigE Vision
，所有高速協議都將向後支持低速協議。

盡管鏈路速率與視頻分辨率、幀速率和延遲密切相關
，但僅根據鏈路速率很難對這兩種技術進行直接比較。

有效視頻數據速率

在(zai)數(shu)據(ju)通(tong)信(xin)中(zhong)，有(you)效(xiao)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)描(miao)述(shu)了(le)不(bu)包(bao)括(kuo)協(xie)議(yi)開(kai)銷(xiao)的(de)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)容(rong)量(liang)
，此(ci)概(gai)念(nian)也(ye)適(shi)用(yong)於(yu)視(shi)頻(pin)數(shu)據(ju)通(tong)信(xin)。通(tong)常(chang)
，一(yi)個(ge)數(shu)據(ju)包(bao)或(huo)一(yi)幀(zhen)中(zhong)傳(chuan)輸(shu)的(de)有(you)效(xiao)視(shi)頻(pin)數(shu)據(ju)量(liang)為(wei)：像素位深度×像素數。圖6說明了有效視頻數據和開銷之間的關係。

圖6.數據幀/數據包中的有效載荷和開銷。

GMSL以數據包的形式傳輸視頻數據。GMSL2和GMSL3設備使用固定的數據包大小，因此有效視頻數據速率也有明確定義。以GMSL2設備為例。當鏈路設置為6 Gbps時
，建議使用不超過5.2 Gbps的視頻帶寬。然而，由於鏈路還承載來自傳感器MIPI接口的一些開銷和消隱時間
，因此5.2 Gbps反映了所有輸入MIPI數據通道的聚合數據速率，而不是每秒5.2 Gb的視頻數據。

以太網以幀的形式傳輸數據。GigE Vision沒有標準幀大小
，它通常作為軟件解決方案的一個權衡因素來提高效率（長幀的優勢）或減少延遲（短幀的優勢）。對於這些相機，開銷通常不超過5%。較高速度的以太網會降低使用長幀的風險
，以實現更好的有效視頻數據速率。

這兩種技術都以突發方式傳輸數據。因此，較長期間（一個視頻幀或更長時間）內的平均數據速率甚至可能低於傳輸期間的有效視頻數據速率。對於GMSL相機，突發時間僅取決於圖像傳感器的讀出時間
，實際應用中的突發比可能達到100%以支持完整的有效視頻數據速率。GigE Vision相機可能用在更複雜和不可預測的網絡環境中，在這種情況下
，為了避免數據衝突，突發比通常較低。示例參見圖7。

分辨率和幀速率

分辨率和幀速率是攝像機的兩個至關重要的規格
，它們是提高鏈路速率的關鍵驅動因素。對於這些規格
，兩種技術各有利弊。

GMSL設備不提供幀緩衝和處理。分辨率和幀速率全部取決於圖像傳感器或傳感器側ISP在鏈路帶寬內的支持能力，而這通常是分辨率、幀速率和像素位深度之間的簡單權衡。

GigE Vision的模型更為複雜。盡管在許多情況下其可用鏈路速率比GMSL慢，但它可以利用額外的緩衝和壓縮來支持更高分辨率和/或huo更geng高gao幀zhen速su率lv。然ran而er，這zhe一yi切qie的de代dai價jia是shi延yan遲chi和he功gong耗hao的de增zeng加jia

，並bing且qie相xiang機ji係xi統tong兩liang側ce需xu要yao使shi用yong昂ang貴gui的de元yuan件jian。在zai一yi些xie不bu太tai常chang見jian的de用yong例li中zhong，此ci類lei相xiang機ji也ye以yi較jiao低di幀zhen速su率lv傳chuan輸shu原yuan始shi圖tu像xiang數shu據ju。

延遲

延遲是攝像機的另一個關鍵規格，尤其是在實時處理數據和做出決策的應用中。

從串行器的輸入/傳感器的輸出到解串器的輸出/接收SoC的輸入
，GMSL相機係統的延遲較低且具有確定性。

由於內部處理和更複雜的網絡流量，GigE Vision相(xiang)機(ji)的(de)延(yan)遲(chi)通(tong)常(chang)較(jiao)高(gao)且(qie)不(bu)具(ju)有(you)確(que)定(ding)性(xing)。然(ran)而(er)，這(zhe)些(xie)延(yan)遲(chi)並(bing)不(bu)總(zong)是(shi)會(hui)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)級(ji)延(yan)遲(chi)更(geng)長(chang)，尤(you)其(qi)是(shi)當(dang)相(xiang)機(ji)側(ce)處(chu)理(li)屬(shu)於(yu)係(xi)統(tong)圖(tu)像(xiang)流(liu)水(shui)線(xian)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)且(qie)更(geng)專(zhuan)用(yong)
、更高效時。

其他特性

傳輸距離

根據設計，GMSL串行器和解串器可在乘用車中使用同軸電纜將數據傳輸15米之遠。但是，隻要相機硬件係統滿足GMSL通道規範，則傳輸距離不限於15米。

圖7.GMSL和GigE Vision網絡的數據流量。

通過以太網協議，GigE Vision可以使用銅纜將數據傳輸100米之遠
，使用光纖甚至可以更遠，不過它可能會失去一些特性，例如以太網供電(PoE)。

PoC和PoE/PoDL

這兩種技術都能夠通過同一根電纜傳輸電力和數據。GMSL使用同軸電纜供電(PoC)，GigE Vision針對4對以太網使用PoE，針對單對以太網(SPE)使用數據線供電(PoDL)。大多數GigE Vision相機使用傳統的4對線和PoE。

PoC很簡單
，采用同軸電纜配置的相機應用通常默認使用這種方式。在這種配置中
，鏈路上的電力和數據來自單根電線，並且PoC電路僅需要幾個無源元件。

支持1 Gbps或更高數據速率的PoE電路需要專用電路，相機和主機（或交換機）側均需要有源元件。這使得PoE功能成本更高且不易獲得。支持PoE的GigE Vision相機通常還具有本地外部供電選項。

外設控製和係統連接

GMSL作為專用相機或顯示器鏈路，其並非設計用來支持各種各樣的外圍設備。在典型的GMSL相機應用中，鏈路傳輸控製信號（UART、I2C和SPI），僅與溫度傳感器、環境光傳感器
、IMU、LED控製器等相機外設進行通信。使用GMSL作為相機接口的較大係統通常還有其他低速接口
，例如CAN和以太網，以便與其他設備通信。

GigE Visionxiangjiyibanliyongqineizhichuliqichulixiangjiwaishekongzhi。zuoweigongyeyingyongzhongliuxingdelianjiejiejuefangan
，gongyeyitaiwangyouduozhongbiaozhunxieyilaizhichiduoyanghuadejiqiheshebei，GigE Vision相機通過其軟件和硬件接口直接連接到網絡。

相機觸發和時間戳

GMSL鏈路的正向和反向通道均支持微秒級的低延遲GPIO和I2C信號隧道，從而支持不同的相機觸發/同步配置。GMSL相機係統中的觸發信號源可以來自解串器側的SoC，也可以來自串行器側的圖像傳感器之一。

GigE Vision相機通常通過專用引腳/端口或以太網觸發/同(tong)步(bu)數(shu)據(ju)包(bao)來(lai)提(ti)供(gong)硬(ying)件(jian)和(he)軟(ruan)件(jian)觸(chu)發(fa)選(xuan)項(xiang)。在(zai)典(dian)型(xing)應(ying)用(yong)中(zhong)，硬(ying)件(jian)觸(chu)發(fa)作(zuo)為(wei)標(biao)準(zhun)方(fang)法(fa)，用(yong)於(yu)與(yu)其(qi)他(ta)相(xiang)機(ji)或(huo)非(fei)相(xiang)機(ji)設(she)備(bei)進(jin)行(xing)響(xiang)應(ying)靈(ling)敏(min)且(qie)準(zhun)確(que)的(de)同(tong)步(bu)。這(zhe)些(xie)相(xiang)機(ji)的(de)軟(ruan)件(jian)觸(chu)發(fa)的(de)主(zhu)要(yao)問(wen)題(ti)是(shi)網(wang)絡(luo)延(yan)遲(chi)。盡(jin)管(guan)有(you)一(yi)些(xie)協(xie)議(yi)可(ke)用(yong)於(yu)提(ti)高(gao)同(tong)步(bu)精(jing)度(du)
，但(dan)它(ta)們(men)要(yao)麼(me)精(jing)度(du)不(bu)夠(gou)高(gao)（網絡時間協議(NTP)，同步到毫秒級2），要麼性價比不高（精密時間協議(PTP)，同步到微秒級3
，但需要兼容的硬件）。

當在以太網上使用同步協議時，來自同一網絡的所有設備（包括GigE Vision相機）將能夠在同一時鍾域中提供時間戳。

GMSL沒有時間戳功能。有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係統上的其他設備相關。在某些係統架構中，GMSL解串器會連接到PTP網絡上的SoC以使用集中式時鍾。如果需要此功能，請使用AD-GMSL2ETH-SL作為參考。

結語

總之（參見表1），GMSL是現有GigE Vision解決方案的有力替代方案。與GigE Vision相機相比，GMSL相機通常能以更低的成本、更低的功耗
、更簡單的係統架構和更小的係統尺寸提供同等或更好的鏈路速率和特性。此外
，由於GMSLzuichushiweiqicheyingyongershejide

，yincitayijingzaieliedehuanjingzhongjingguoleqichegongchengshijishiniandeyanzheng。zaikekaoxinghegongnenganquanzhiguanzhongyaodexitongkaifazhong，GMSL將為工程師和係統架構師提供信心保證。

表1.GMSL與GigE Vision主要特性比較

要開始使用GMSL進行設計，請訪問GMSL技術頁麵以獲取產品信息、硬件設計指南和用戶指南。ADI公司的GMSL GitHub存儲庫提供了參考設計和驅動程序支持。

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