raw格式数据流与MIPI CSI-2对接 - 第4节
4.1 CSI-2 协议层总体架构
MIPI CSI-2 协议层位于物理层（D-PHY/C-PHY）之上，负责将图像传感器输出的原始像素数据封装为符合标准的数据包，并通过虚拟通道（Virtual Channel, VC）实现多路数据流的复用传输。协议层主要分为三个子层：像素/字节打包层、底层协议层和通道管理层。其中，底层协议层定义了两种基本的数据包格式：长包（Long Packet）和短包（Short Packet）。
4.2 长包（Long Packet）结构
长包用于传输有效载荷数据，如图像的一行像素、嵌入式数据块等。其结构由四个部分组成：包首（Packet Header, PH）、有效载荷（Payload Data）、包尾（Packet Footer, PF）以及可选的数据长度字段。
| 字段 | 字节数 | 描述 |
|---|---|---|
| 数据标识符（DI） | 1 字节 | 高 2 位为虚拟通道 ID（VC），低 6 位为数据类型（DT） |
| 字计数（WC） | 2 字节 | 有效载荷的字节数（16 位，范围 0~65535） |
| ECC | 1 字节 | 对 PH 前 3 字节的纠错码（单比特纠错，双比特检错） |
| 有效载荷 | WC 字节 | 实际数据（像素、元数据等） |
| 校验和（Checksum） | 2 字节 | 对有效载荷的 CRC-16 校验（可选，由 DT 决定是否启用） |
4.3 短包（Short Packet）结构
短包仅包含包首（PH），没有有效载荷和包尾。其长度为 4 字节（DI + WC + ECC），用于传输帧开始（FS）、帧结束（FE）、行开始（LS）、行结束（LE）等同步事件。短包中的 WC 字段被重新定义为事件标识符或帧号/行号。
| 字段 | 字节数 | 描述 |
|---|---|---|
| 数据标识符（DI） | 1 字节 | VC + DT（DT 固定为 0x01 表示短包） |
| 数据字段（Data Field） | 2 字节 | 根据 DT 不同，可表示帧号、行号或特定事件代码 |
| ECC | 1 字节 | 对前 3 字节的纠错码 |
4.4 数据类型（DT）定义
数据类型（Data Type, DT）是 6 位字段，位于数据标识符（DI）的低 6 位，用于标识包中数据的格式和内容。CSI-2 规范定义了多种标准 DT 值，涵盖 Raw 数据、YUV、RGB、嵌入式数据、用户定义数据等。对于 Raw 格式，常见的 DT 值如下：
| DT 值（Hex） | Raw 格式 | 每像素位数 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 0x2A | RAW6 | 6 | 6-bit Raw 数据 |
| 0x2B | RAW7 | 7 | 7-bit Raw 数据 |
| 0x2C | RAW8 | 8 | 8-bit Raw 数据（最常见） |
| 0x2D | RAW10 | 10 | 10-bit Raw 数据（需 4 像素 5 字节打包） |
| 0x2E | RAW12 | 12 | 12-bit Raw 数据（需 2 像素 3 字节打包） |
| 0x2F | RAW14 | 14 | 14-bit Raw 数据 |
| 0x30 | RAW16 | 16 | 16-bit Raw 数据 |
| 0x31 | RAW20 | 20 | 20-bit Raw 数据 |
4.5 虚拟通道（VC）与数据类型映射
虚拟通道（Virtual Channel, VC）是数据标识符（DI）的高 2 位，支持最多 4 个独立数据流（VC0~VC3）在同一条物理链路上传输。VC 与 DT 共同构成 DI 字节：
DI[7:6] = VC（虚拟通道 ID）
DI[5:0] = DT（数据类型）例如，DI = 0x6C 表示 VC=1（二进制 01），DT=0x2C（RAW8）。
VC 的典型应用场景包括：
- 多摄像头同步：多个传感器通过同一 CSI-2 接口输出，每个传感器分配不同的 VC。
- 数据与元数据分离：图像数据使用 VC0，嵌入式元数据（如增益、曝光时间）使用 VC1。
- 不同分辨率/格式混合：主图像使用 VC0（RAW10），副图像或缩略图使用 VC1（RAW8）。
4.6 帧传输序列：长包与短包的配合
在实际传输中，一帧图像的完整传输序列由短包和长包交替组成。以 Raw 图像为例，典型的帧序列如下：
- 帧开始（FS）短包：DT=0x00，数据字段携带帧计数器。
- 行开始（LS）短包：DT=0x01，数据字段携带行号。
- 行数据长包：包含该行所有像素的 Raw 数据，DT 为对应的 Raw 格式（如 0x2C）。
- 行结束（LE）短包：DT=0x02，数据字段携带行号。
- 重复步骤 2~4，直到所有行传输完毕。
- 帧结束（FE）短包：DT=0x03，数据字段携带帧计数器。
4.7 实战：Raw 数据流中的 DT 与 VC 配置示例
假设我们使用一个 1920×1080 的 Raw10 图像传感器，通过 CSI-2 接口输出，同时需要传输嵌入式元数据（如每帧的曝光时间）。配置如下：
| 数据流 | VC | DT | 说明 |
|---|---|---|---|
| 图像数据 | VC0 | 0x2D (RAW10) | 每行 1920 像素，WC = 1920 × 10 / 8 = 2400 字节 |
| 嵌入式元数据 | VC1 | 0x12 (Embedded Data) | 通常放在每帧开始或结束，包含传感器状态 |
在接收端（如 FPGA 或 ISP），需要根据 VC 和 DT 对数据进行分流：VC0 的数据送入 Raw 处理管线，VC1 的数据送入元数据解析模块。
// 解析数据标识符
wire [1:0] vc = di[7:6];
wire [5:0] dt = di[5:0];
// 根据 VC 和 DT 分发数据
always @(posedge clk) begin
if (vc == 2'b00 && dt == 6'h2D) begin
// RAW10 图像数据，送入 pixel_fifo
pixel_fifo_wr_en <= 1'b1;
end else if (vc == 2'b01 && dt == 6'h12) begin
// 嵌入式数据，送入 meta_fifo
meta_fifo_wr_en <= 1'b1;
end else begin
// 其他情况（如短包）忽略或处理
end
end