mobile pixel link1 mobile pixel link (mpl) strombasierte, serielle datenübertragung für mobile...

Mobile Pixel Link 1

Mobile Pixel Link(MPL)

Strombasierte, serielle Datenübertragung für mobile Geräte

Stoyan TodorovWS 2004/2005

Universität Mannheim

Mobile Pixel Link 2

Inhalt1. Problemstellung2. Mobile Pixel Link

2.1. Grundlagen: WhisperBus™2.2. Physical Layer

2.2.1. Warum MPL?2.2.2. Aufbau2.2.3. Datenübertragung2.2.4. How Far / How Fast?

2.3. Geplante Produkte

3. Alternativen3.1. LVDS & RSDS3.2. CMADS3.3. MSDL3.4. Mobile Video Interface

4. Vergleich5. Fazit

www.motorola.com

Mobile Pixel Link 3

Problemstellung (1)

• Handys und PDAs werden immer kleiner und leichter

• Displays und Kameras gewinnen an Auflösung, Farbtiefe und Grösse

• Dadurch neue Designlösungen notwendig

www.necel.com www.samsung.com

Mobile Pixel Link 4

Problemstellung (2)

www.it168.comwww.sonyericsson.com

www.xonio.de

www.clie-plazza.com

www.motorola.com

Mobile Pixel Link 5

Problemstellung (3)

• Neue Designs fordern neues Interconnect zwischen Hauptplatine und Display, bzw. Kamera

• Anforderungen:– niedriger Stromverbrauch– weniger Leitungen– niedriges Electromagnetic Interference

(EMI)• Mögliche Lösung: Mobile Pixel Link (MPL)

Mobile Pixel Link 6

• MPL basiert auf der WhisperBus™ Technologie von National Semiconductor

• WhisperBus™ wurde als Replacement für den Low-Voltage Differential Signaling (LVDS) entwickelt

• WhisperBus™ ist eine Point-To-Point Verbindung zum Display in mobilen Geräten

• Ziel von WhisperBus™ ist es grosse Displays (1200 x 1600 Pixel und mehr) bei niedrigem Stromverbrauch und niedrigen EMI, mit weniger Leitungen als LVDS, zu versorgen.

Grundlagen: WhisperBus™(1)

Mobile Pixel Link 7


• WhisperBus™ ist strombasiert - die Daten werden mit Strom übertragen

• Der Sender kann, je nach Zustand des CMOSlogic Eingangs,ein Signal mit einer von zwei verschiedenen Stromstärken auf die Leitung legen

• Typischerweise sind die Werte 50µA und 150µA, d.h. zu Idata (50µA) werden noch 2x Idata zugeschaltet (insg. 150µA)

CMOSlogik

2 x Idata Idata

Mobile Pixel Link 8


• Der Empfänger konvertiert das Stromsignal in Spannung, die von der CMOS Logik benötigt wird

• Der Strom Idata kann nicht in der OP fließen, daher fließt er in RG ein

• RG>>RZ0

• Am Ausgang entsteht der Spannungsabfall Vout

+

-

+

-

+

-

RZ0

RZ0

RG

∆Vout=RG. ∆Idata

Vout

∆Idata

Mobile Pixel Link 9

Grundlagen: WhisperBus™(4)Vereinfachter Sender.

Vpulse Quellen simulieren den

CMOSlogik Eingang

Strom wird auf der Leitung gemessen.

R1 ist der Abschlusswiderstand

Am Ausgang des OPs wird Vout

gemessen

VBUS

VIN

IDATA

VOUT

~VIN

Mobile Pixel Link 10


Strom fällt beim Umschalten ab

Grosses Signal am Ausgang

VIN

IDATA

~VIN

VBUS

VOUT

Spannung am Bus ändert sich nicht

1.7V

0V1.7V

0V

2.996V

150µA 0A

3.0V

2.997V

3.8V



Sender Empfänger

Die Anzahl von Leitungen hängt nur von der benötigten Breite der Point-

To-Point Verbindung ab

Es gibt nur eine gemeinsame Masse

Leitung

WhisperBus™



• Vorteile von WhisperBus™ :

• Sehr hoher Datendurchsatz möglich

• Deutlich weniger Leitungen als beim differentiellen Verfahren benötigtEin 18-Kanal Link braucht 36 Leitungen in differentieller Ausführung, aber nur 19 Leitungen in WhisperBus™ Ausführung - 18 Datenleitungen und Masse



• Niedriger Leistungsverbrauch5 bis 10 mal niedrigerer Leistungsverbrauch als ein TTL Bus (laut National Semiconductor). Ist jedoch datenabhängig

• Kleinere Ströme benötigt 100µA bias Strom gegenüber 2000µA typischen Wert bei der verbesserten Version von LVDS- Reduced Swing Differential Signaling (RSDS)

• Mit vielen Herstellungstechnologien kompatibel



• Sehr niedrige EMI

Spikes im Diagramm wurden vom Clock, nicht vom WhisperBus™ verursacht

WhisperBus™: An Advanced Interconnect Link for TFT column Driver Date / www.national.com

dB

50

45

40

35

30

25

20

15

10

dB

50

45

40

35

30

25

20

15

1030 100 300 1000 MHz


Physical LayerWarum MPL? (1)

• MPL stellt eine optimierte Verbindung zwischenHauptplatine und Display, bzw. Kamera bei mobilenGeräten zur Verfügung

• Als Basis für MPL dient WhisperBus™

• MPL übernimmt die Grundmerkmale von WhisperBus™, bereichert jedoch das Konzept um weitere Merkmale:– power-sleep Mode– bi-direktionale Datenübertragung– ein eigenes, an mobilen Geräten angepasstes Protokoll

www.national.com



• Um niedrige EMI, sowie Low Power zu ermöglichen, ist MPL auch strombasiert

• Typischerweise werden 150µA und 450 µA für die zwei Werte benutzt

• Der höhere Wert von 450µA entspricht dann dem logischen LOW, der niedrigere Wert von 150µA ist dementsprechend logisches HIGH

• Niedrige Strom (typ. 300µA) und swing Spannung (typ. 20mV) sichern Low Power Eigenschaften von MPL, sowie wenig Rauschen



• Die strombasierte Datenübertragung, die niedrige Stromstärke und das kleine Loop Area bestimmen niedrige EMI

MPL PHY Layer Overview / www.national.com

• MPL ist seriell, dadurch wird nur 1 Datenleitung gebraucht (MD). Hinzu kommt noch die clock Leitung (MC) und Masse (MG)

http://www.necel.com/en/channel/pv/vol_7_s01.html


Physical LayerAufbau (1)

• Line Driver funktioniert wie bei WhisperBus™• Neu ist die Möglichkeit, Line Driver komplett

auszuschalten

• Ausser dem DIN Eingang, ist ein DEnable Eingang hinzugekommen

• MC und MD Line Driver sind gleichDEnable DIN MD

LOW LOW 3xIdata

LOW HIGH Idata

HIGH LOW off

HIGH HIGH off




• Receiver ist auch in der Lage festzustellen und anschließend den Slave zu informieren wenn auf der Leitung Strom fließt

• Receiver stellt fest wie stark der Strom auf der Leitung ist und konvertiert ihn zu Spannung, die dann verstärkt wird, um die nachfolgende Logik steuern zu können

• Da Receiver den Leitungsabschluss gewährleistet, braucht MPL keinen externen Widerstand


VREF VCOMP

SOUTMPLIN



• Der MPL Bus besteht aus mind. zwei aktiven Leitungen und Masse

• MC (Clock) ist single directed und wird nur vom Master Device getrieben

• MD (Data) ist halb-duplex, bi-direktionale Leitung. Die Richtung, in welche die Daten fließen, kann sich ändern

• Leitungen können sowohl PCB Traces als auch sog. Flex Cables oder (annähernd) beliebige kurze Kabel sein



Master

Master Slave

Slave

Grundzustand/Write

Read

• Line Driver und Receiver bei der MD Line



• Die maximale Übertragungsrate beträgt 160Mbps in Master-to-Slave Richtung. Clock ist 80MHz. Beide Flanken werden benutzt und dadurch wird EMI niedrig gehalten

• In Slave-to-Master Richtung werden Daten mit 80Mbps übertragen. Nur die steigende Flanke von MC wird benutzt. Der Slave hat mehr Zeit für Data Sampling



Physical LayerDatenübertragung (1)

• Der MPL Bus hat 4 Phasen, die vom Zustand der MC und MD Lines bestimmt werden

Name MC State

MD State

Beschreibung kommt nach...

kommt vor...

Link-Off (O) 0 0 Bus ist ausgeschaltet A,I ,LU LU

Idle (I) A L Keine Daten, Bus ist ein A,LU A,O

Active (A)

Command A X Datenübertragung LU,A,I A,I,O

Turn Around

A L0L Übergang Read/Write

Data In A X Read

Data Out A X Write

Link-Up (LU)

Master LHL 00L Gefordert von Master O A,I,O

Slave LHL L0L Gefordert von Slave

Dual LHL L0L Gefordert von beiden

Bem: 0=off; L=Logik Low; H=Logik High; A=Active Clock; X=Low oder High



• Während des Power Save Modes sind sowohl der Line Driver, als auch der Receiver ausgeschaltet. Und zwar auf allen Leitungen (MD und MC)

• Wenn der Master eine Verbindung aufbauen soll, schaltet er die MC-Leitung für 12 Clocks auf LOW und dann für 12 Clocks auf HIGH

• Danach werden MC und MD zusammen für noch 12 Clocks auf LOW geschaltet MPL PHY Layer Overview /

www.national.com



• Link-Up Dauer: ca. 36 Takte, oder ca. 450ns

Master schaltetMC low

Slave schaltetMD low

Slave schaltetMD aus

Slave schaltetMD aus

Slave schaltetMD low

MasterLink-Up

MasterLink-Up

Slave fordert Link-Up

Master und Slave

fordern Link-Up

gleichzeitig

Master stellt das fest, legt MC low

Slave stellt fest, dass Master Line-Up fordert



• Ein Beispiel für Read und Write Transaction (LM2502)• Write ist hier Datenübertragung von Master zu Slave,

Read, dementsprechend von Slave zu Master• Write Transaktion besteht aus 2 MC Flanken für

Steuerungssignale und 8 MC Flanken für Daten (bei 16 bit Daten)

• Eine Transaktion dauert somit 5 Takte lang

LM2502 Display Interface Serializer and Deserializer

• MD0 und MD1 übertragen jeweils 2 Kontrolbits und 8 Datenbits




Master sendetREAD Befehl an

Slave (2x2bit)

Turn Around(TA‘ – ca. 14 Takte)

READ

Turn Around(TA‘‘ – ca. 5 Takte)


Physical LayerHow Fast / How Far (1)

• Mögliche Geschwindigkeit Master to Slave:– Bis max. 160Mbps, 320 Mbps sind geplant,

Simulationen zeigen, dass Gbps möglich sind • Geschwindigkeit Slave to Master:

– immer halb so schnell wie in Master-to-Slave Richtung, also bis max. 80 Mbps

• Maximale Länge:– 5 bis 15 cm sind üblich für MPL. Möglich sind

Leitungen bis 30 cm, mit Anpassungen (z.B. Idata) auch mehr


Physical LayerHow Fast / How Far (2)

• Extrem niedriges EMI– kleines Current Loop zwischen Signalleitung und

Masse– nur ca. 10mV Spannung, Signale mit 150/450 µA

• Low Power– Sehr kleine Ströme (In der Größenordnung von

100µA )– niedrige Spannung - weniger Ladung muss

umgeladen werden– Power-Save Modus (Link-Off)– Clock wird mitgeschickt (MC Line), somit brauchen

Transmitter und Receiver keine PLL Blocks oder Encoders, die zusätzlich Leistung verbrauchen würden


Geplante Produkte (1)

www.national.com



• LM250* sind die Spezifikationen für die ersten “echten“ Cores auf Basis von MPL

• LM2500 ist der Test Chip von National Semiconductor

• LM2501 ist ein Serializer/Deserializer, der existierende Video Busses mit MPL kompatibel machtPräsentiert im Juni 2004

• LM2502 ist ein Dual Link Display Interface für mobile GerätePräsentiert im September 2004



• LM2501 soll das übliche Low Voltage TTL Interface zwischen Kamera und CPU bei mobilen Geräten ersetzen

• Enthält eine Daten- und zwei Clockleitungen (es wären 12 bei der TTL Ausführung)

LM2501 Camera Interface Serializer and Deserializer



• LM2502 ist eine stromsparende Datenverbindung zwischen CPU und Display bzw. Sub Display

• Eine Clock- und zwei Datenleitungen (22 bei TTL)• Bidirektional (z. B. für Touchscreens)



AlternativenLVDS & RSDS (1)

• LVDS steht für Low-Voltage Differential Signaling

• Das gängige Verfahren zur Anbindung von Displays mit dem Hauptteil bei mobilen Geräten (z.B. Notebooks)

• Differentieller Bus - benötigt zwei Leitungen pro Kanal



• Sender besteht aus zwei komplementären Ausgängen, die mit Rt terminieren

• Strom in Rt ist auf ca. 3mA limitiert

• Bei Rt=100Ω, hat man max. eine Spannung von 300mV

Sen

der

Empfänger

Rt

Abschluss- widerstand

Kleines Loop Area =>

Niedrige EMI



• Vorteile von LVDS:– In fast allen Technologien verfügbar

CMOS, BiCMOS und sogar GaAs– Niedriger Preis

Nur Standardbausteine und -prozesse notwendig– Schnell

in Gbps Bereich– Kompatibel mit vielen Versorgungsspanungen

z.B. 5V, 3.3V, 2.5V



• RSDS steht für Reduced Swing Differential Signaling

• Weiterentwicklung von LVDS, somit auch ein differentielles Verfahren

• Arbeitet bei niedrigeren Spannungen als LVDS

• Niedrigere EMI als LVDS• Sonst teilt sich dieses Verfahren die Vor- und

Nachteile mit LVDS


AlternativenCMADS (1)

• Erstes marktreifes Produkt• Seit August 2004 in Produktion• uPD161833M (für QVGA Displays)

und uPD161605M (für QCIF+ Displays)

• Preis: 6 $ pro Unit

• CMADS steht für Current Mode Advanced Differential Signaling

• Es ist eine Entwicklung von NEC Electronics Corporation

• Current Mode• Ein differentielles Paar pro Kanal


AlternativenCMADS (2)

• Features:– Bis max. 50Mbps Datendurchsatz– Unterstützen 18bit Farbauflösung (262144 Farben)– 2 (1 Paar) oder 4 (2 Paare) Leitungen notwendig– Funktioniert bei niedriger Versorgungsspannung

(typ. 1.5V)– In Standardtechnologien realisierbar – dadurch

relativ günstig– Niedrigere EMI als LVDS

• Die Graphikkontroller für mobile Geräte (GoForce Serie) von NVIDIA unterstützen CMADS


AlternativenMSDL

• Features:– Outputstrom: -70µA und

70µA– Bis max. 100Mbps– Typ. Konfiguration mit 8

Data- und 2 Kontrolleitungen– Bei -55 bis 125°C einsetzbar

• MSDL steht für Mobile Shrink Data Link• Eine Entwicklung von ROHM CO. LTD.• Massenproduktion soll Anfang 2005 anfangen• Erstes Produkt: BU7280GLU


AlternativenMobile Video Interface (MVI)

• Open Standard von Seiko Epson und Renesas• Wird noch entwickelt• Features:

– strombasiert, differentiell – Clock wird mitgeschickt– ca. 200Mbps Datendurchsatz– half-duplex oder full-duplex Konfiguration möglich– 8 Leitungen (4 Pairs) bei full-duplex bzw.

6 Leitungen (3 Pairs) bei half-duplex– power-off Modus


Vergleich(1)

• Gemeinsame Punkte:– Mögliche Leitungslänge

Alle Verfahren erlauben eine Leitungslänge bis ca. 30cm ohne Anpassungen des Übertragungsstroms bzw. der Spannung

– EMI

Liegt bei allen Verfahren 10 bis 20 dB niedriger als bei üblichen TTL Verbindungen

– Serielle Verfahren

somit weniger Leitungen - erlaubt flexibles Design von Endgeräten


Vergleich(2)Hersteller NEC

ElectronicsRohm Seiko Epson

and Renesas Tecnologies

National Semiconductor

Interface CMADS MSDL MVI MPL

Transfer Rate

max. 50Mbps 100Mbps ca. 200Mbps 160Mbps

Power 1,6mW ca. 6mW ca. 6mW bis max. 5mW

Leitungen 2 oder 4 Typ. 10 Typ. 8 Typ. 3 und GND

Display Auflösung

QVGA, QCIF+

QVGA k.A. VGA ist möglich

Power Off nein nein ja ja

Besonder-heiten

Kom. Produkt, schon

verfügbar

Kom. Produkt, kurz vor der

Markteinführ-ung

Noch in Entwicklung,

Open Standard, sobald fertig

Open Standard, Cores verfügbar

(LM2501/02)

Bem: QVGA=320x240, VGA=640x480, QCIF+=176x240 Pixel


Fazit (1)

• Ein Blick in die Zukunft– MPL 1 Standard ist in Vorbereitung (National

Semiconductor, Wavecom, Philips, SonyEricsson)– mit bis zu 1 Gbps– auch mit spezifiziertem Soft-Layer

• The Global Players– NEC, Sharp, NVIDIA und Samsung setzen auf das

schon fertige CMADS von NEC– Samsung entwickeln auch an dem von

Epson/Renesas vorgestellten MVI mit– Motorola und Nokia (Weltweit Nr.2 und 1) halten

sich noch bedeckt


Fazit (2)

• Zusammenfassung der Eigenschaften von MPL:– Wenig Leitungen– Low Power– Low EMI– Einfaches Protokol– Für Videosignal gedacht– Bi-directional, Point-To-Point Link– Open Standard– “Megapixels @ Milliwatts“


Quellen

• www.mobilepixellink.org• www.national.com• Application Note 1311 „MPL PHY Layer Overview“ / National

Semiconductor / J. Goldie / January 2004• Mobile Pixel Link Level-0 / National Semiconductor / 2004• LM2501 Mobile Pixel Link (MPL) Camera Interface Serializer and

Deserializer / National Semiconductor / June 2004• LM2502 Mobile Pixel Link (MPL) Display Interface Serializer and Deserializer

/ National Semiconductor / September 2004• WhisperBus™ : An Advanced Interconnect Link For TFT Column Driver Data

/ Richard McCartney; James Kozisek; Marshall Bell / National Semiconductor• NEC News Release / February 2004; September 2004• www.rohm.com• Mobile Video Interface / Seiko Epson; Renesas / February 2004• Low-Voltage Differential Signaling /The International Engineering Consortium• RSDS „Intra-panel“ Interface Specification Revision 1.0 / National

Semiconductor / May 2003• www.iec.org


Ende

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