SLVS-EC – высокоскоростной интерфейс со встроенным тактовым сигналом

SLVS-EC – высокоскоростной интерфейс со встроенным тактовым сигналом

SLVS-EC (Scalable Low Voltage Signaling with Embedded Clock) — высокоскоростной последовательный дифференциальный интерфейс, разработанный Sony Semiconductor Solutions для передачи больших потоков данных с CMOS-сенсоров изображения в FPGA, DSP и другие процессоры обработки видео.

Главная особенность SLVS-EC заложена уже в его названии: Embedded Clock – встроенный тактовый сигнал. Отдельная высокоскоростная линия тактирования не нужна – приемник восстанавливает тактовую частоту прямо из потока данных. Благодаря этому интерфейс хорошо масштабируется по количеству линий, позволяет передавать данные на очень высокой скорости и упрощает трассировку печатной платы.

На иллюстрациях сравнение SLVS-EC с синхронным Sub-LVDS и примеры систем на базе FPGA PolarFire. Ниже все обозначения и принцип работы разобраны на украинском.

________________________________________

1. Что означает SLVS-EC

Название можно разложить на несколько частей:

Scalable – масштабируемый. Интерфейс может использовать разное количество высокоскоростных каналов.

Low Voltage Signaling – низковольтная передача сигналов. Используются дифференциальные пары с малой амплитудой сигнала.

Embedded Clock – тактовый сигнал встроенный в поток данных.

Именно последняя особенность принципиально отличает SLVS-EC от многих более старых интерфейсов передачи видеоданных.

Sony указывает для современных реализаций SLVS-EC скорость до 12,5 Гбит/с на одну линию. Базовая архитектура поддерживает от 1 до 8 линий, а применение нескольких интерфейсных групп позволяет увеличить суммарную пропускную способность еще больше.

________________________________________

2. Обычный интерфейс с Clock и SLVS-EC

В классической source-synchronous схеме передаются линии данных и отдельный тактовый сигнал: 

ТРАДИЦИОННАЯ СХЕМА 

┌───────────────┐

ДАННЫЕ 0 ════════►│ │

ДАННЫЕ 1 ════════►│ │

ДАННЫЕ 2 ════════►│ ПРИЕМНИК │

ДАННЫЕ 3 ════════►│ │

CLOCK ════════►│ │ 

└───────────────┘ 

▲ 

│ 

отдельная линия тактирования

Здесь важно, чтобы CLOCK и DATA приходили в нужный момент времени.

На низких скоростях это не создает большую проблему. Но когда скорость достигает нескольких гигабит в секунду, даже небольшая разница длины дорожек может привести к временной ошибке – skew.

У SLVS-EC ситуация другая: 

SLVS-EC

┌────────────────┐ ┌────────────────┐

│ CMOS-СЕНСОР │ Линия 0 ± │ │

│ ├═════════════════►│ │

│ │ Линия 1 ± │ FPGA/DSP │

│ ├═════════════════►│ │

│ │ Линия 2 ± │ SLVS-EC RX │

│ ├═════════════════►│ │

│ │ ... │ │

│ │ Линия 7 ± │ │

│ ├═════════════════►│ │

└────────────────┘ └────────────────┘ 

ДАННЫЕ + информация для восстановления CLOCK

Отдельной высокоскоростной Clock-линии нет.

Приемник выполняет CDR – Clock Data Recovery, то есть восстанавливает тактовый сигнал из полученного последовательного потока.

Это одна из причин, почему SLVS-EC лучше подходит для очень высоких скоростей и более длинных соединений. Sony, например, приводит возможность передачи примерно на 5 метров при скорости 5 Гбит/с на линию, если тракт и кабель правильно спроектированы.

________________________________________

3. Дифференциальная передача

Каждая высокоскоростная линия SLVS-EC фактически состоит из двух проводников: 

ОДНА ЛИНИЯ SLVS-EC

TX P ─────────────────────────────► RX P

TX N ─────────────────────────────► RX N 

дифференциальная пара

Приемник анализирует не абсолютное напряжение на одном проводнике, а разницу между P и N.

Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к внешним электромагнитным помехам и позволяет работать с высокими скоростями при небольшой амплитуде сигнала.

Именно поэтому на плате линии выглядят как две параллельные дорожки: 

P 100 

постоянное расстояние 

N 

100 Ω дифференциально*

* Конкретные электрические параметры следует брать из документации на соответствующий передатчик, приемник и сенсор.

________________________________________

4. Зачем нужен встроенный Clock

Рассмотрим систему с восемью каналами.

Для традиционного интерфейса может потребоваться:

DATA 0 ─────────────────────┐

DATA 1 ─────────────────────┤

DATA 2 ─────────────────────┤

DATA 3 ─────────────────────┤

DATA 4 ─────────────────────┤

DATA 5 ─────────────────────┤──► ПРИЕМНИК

DATA 6 ─────────────────────┤

DATA 7 ─────────────────────┤

CLOCK ─────────────────────┘

Необходимо контролировать соответствие между каналами и тактовым сигналом.

В упрощенном виде SLVS-EC:

ЛИНИЯ 0 ── ДАННЫЕ + CLOCK ──────────►

ЛИНИЯ 1 ── ДАННЫЕ + CLOCK ──────────►

ЛИНИЯ 2 ── ДАННЫЕ + CLOCK ──────────►

ЛИНИЯ 3 ── ДАННЫЕ + CLOCK ──────────►

ЛИНИЯ 4 ── ДАННЫЕ + CLOCK ──────────► FPGA

ЛИНИЯ 5 ── ДАННЫЕ + CLOCK ──────────►

ЛИНИЯ 6 ── ДАННЫЕ + CLOCK ──────────►

ЛИНИЯ 7 ── ДАННЫЕ + CLOCK ──────────►

Sony прямо указывает, что Embedded Clock устраняет необходимость традиционного выравнивания skew между линиями и дает большую свободу при трассировке платы.

________________________________________

5. Что происходит внутри приемника

Самих двух проводов недостаточно. Для приема SLVS-EC требуется полноценный высокоскоростной приемник.

Его можно представить так: 

ВХОД SLVS-EC 

│ 

▼ 

┌────────────────┐ 

│ Дифференциальный│ 

│ PHY │ 

└───────┬────────┘ 

│ 

▼ 

┌────────────────┐ 

│ CDR │ 

│ Восстановление │ 

│ тактовой │ 

│ частоты │ 

└───────┬────────┘ 

│ 

▼ 

┌────────────────┐ 

│ Десериализатор │ 

└───────┬────────┘ 

│ 

▼ 

┌────────────────┐ 

│ Выравнивание │ 

│ и синхронизация│ 

└───────┬────────┘ 

│ 

▼ 

┌────────────────┐ 

│ Декодер │ 

│ SLVS-EC │ 

└───────┬────────┘ 

│ 

▼ 

┌────────────────┐ 

│ Пиксельные данные │ 

│ RAW8/10/12/16 │ 

└────────────────┘

К примеру, актуальный SLVS-EC Receiver IP от Microchip для FPGA PolarFire поддерживает 2, 4 и 8 каналов, форматы RAW8, RAW10, RAW12 и RAW16, а также скорость до 9,504 Гбит/с на канал.

В реализации Microchip физический трансивер принимает последовательный сигнал, после чего SLVS-EC IP выполняет выравнивание, распознает служебные последовательности, декодирует пакеты и выделяет пиксельные данные.

________________________________________

6. Масштабирование количества каналов

Одно из основных преимуществ SLVS-EC – возможность масштабирования. 

CMOS-СЕНСОР 

┌───────────────┐ 

│ │ 

│ ├════ Lane 0 ════► 

│ ├════ Lane 1 ════► 

│ ├════ Lane 2 ════► 

│ ├════ Lane 3 ════► 

│ ├════ Lane 4 ════► FPGA 

│ ├════ Lane 5 ════► 

│ ├════ Lane 6 ════► 

│ ├════ Lane 7 ════► 

└───────────────┘

Для более низкого потока данных можно использовать меньшее количество линий.

Для сенсора высокого разрешения и высокой частоты кадров больше.

Например, при условных 8 каналах по 9,5 Гбит/с физическая суммарная скорость составит около:

9,5×8 = 76 Гбит/с.

Однако это самая скорость физического потока. Полезная пропускная способность будет меньше из-за кодирования и служебных данных.

________________________________________

7. 8b/10b-кодирование

В реализациях SLVS-EC используется 8b/10b-кодирование.

Принцип очень прост:

Полезные данные: 

8 бит 

│ 

▼ 

8b/10b Encoder 

│ 

▼ 

10 бит 

передаются по линии

То есть, каждые 8 ​​бит исходной информации кодируются в 10 бит физического потока.

Например:

4,752 Гбит/с × 8 каналов = 38,016 Гбит/с

Если грубо учесть только 8b/10b:

38,016×8/10 ≈ 30,4 Гбит/с полезной пропускной способности.

Дополнительная часть потока используется для служебной информации протокола.

Microchip подтверждает применение 8b/10b в собственной реализации приемника SLVS-EC.

________________________________________

8. SLVS и SLVS-EC — это не одно и то же

Это очень важный момент.

В документации на CMOS-сенсоры можно встретить:

SLVS

да

SLVS-EC

Это разные интерфейсы.

Наличие слова SLVS в названии не означает, что один можно напрямую заменить другим.

Даже в каталоге промышленных сенсоров Sony SLVS, SLVS-EC, Sub-LVDS и MIPI указываются как частные варианты исходного интерфейса.

________________________________________

9. SLVS-EC и LVDS

Внешне оба интерфейса могут показаться очень похожими, поскольку используются дифференциальные пары.

Но принцип их работы отличается.

Параметр Классический LVDS/Sub-LVDS SLVS-EC

Передача сигнала дифференциальная

Тактовый сигнал обычно отдельная Clock-линия встроена в поток

CDR обычно не требуется

Скорость зависит от реализации до 12,5 Гбит/с на lane в современных реализациях Sony

Количество каналов зависит от системы базово 1–8

Skew существенное значение значительно меньшая зависимость

Основное применение разные дисплейные и сенсорные системы высокоскоростные CMOS-сенсоры

Простой пассивный переходник иногда возможен между совместными реализациями.

Итак:

SLVS-EC – это не разновидность обычного LVDS-выхода универсального скалера.

________________________________________

10. SLVS-EC и матрицы дисплеев

Здесь есть одна немаловажная особенность терминологии.

SLVS-EC создавался Sony прежде всего как высокоскоростной выход интерфейса CMOS-сенсоров изображения, а не типичный вход LCD/OLED-панелей. Sony прямо позиционирует технологию для высокоскоростных и высокораздельных image sensors.

Типичная архитектура выглядит так:

┌──────────────┐

│ CMOS-СЕНСОР │

│ Sony IMX... │

└──────┬───────┘ 

│ 

SLVS-EC 

│ 

▼

┌──────────────────┐

│ FPGA/DSP/SoC │

│ │

│ SLVS-EC RX │

│ ↓ │

│ Обработка RAW │

│ ↓ │

│ ISP / память │

└──────┬───────────┘ 

│ 

│ HDMI/DP/eDP 

▼

┌──────────────────┐

│ ДИСПЛЕЙ │

└──────────────────┘

Именно так построена и демонстрационная система Microchip: сенсор Sony IMX530 передает видео через SLVS-EC в PolarFire FPGA, там производится обработка Bayer, коррекция гаммы и улучшение изображения, после чего результат выводится через HDMI на монитор.

________________________________________

11. Как это связано с универсальными скалерами

Типичный универсальный скалер LCD работает примерно так:

HDMI ─────┐

DisplayPort│

VGA ──────┤

AV ───────┤ 

▼ 

┌───────────────┐ 

│ SCALER SoC │ 

│ │ 

│ декодирование │ 

│ масштабирование │ 

│ тайминги │ 

│ OSD │ 

└───────┬────────┘ 

│ 

▼ 

LVDS/eDP/ 

V-by-One 

│ 

▼ 

LCD/OLED 

МАТРИЦА

Если необходимо работать с устройством SLVS-EC, просто подключить его к LVDS-выходу скалера нельзя.

Не будет работать схема:

LVDS ───────────────► SLVS-EC 

пассивно

Требуется активный мост: 

LVDS/HDMI/eDP 

│ 

▼ 

┌──────────────┐ 

│ ПРИНИМАТЕЛЬ │ 

└──────┬───────┘ 

│ 

Pixel Data 

│ 

▼ 

┌──────────────┐ 

│ FPGA/ASIC │ 

│ │ 

│ SLVS-EC TX │ 

│ SERDES │ 

└──────┬───────┘ 

│ 

▼ 

SLVS-EC

И наоборот, для преобразования SLVS-EC в HDMI: 

CMOS-СЕНСОР 

│ 

SLVS-EC 

│ 

▼ 

┌──────────────────┐ 

│ FPGA │ 

│ │ 

│ SLVS-EC RX │ 

│ ↓ │ 

│ Декодер │ 

│ ↓ │ 

│ Обработка кадра │ 

│ ↓ │ 

│ HDMI TX │ 

└────────┬────────┘ 

│ 

▼ 

HDMI 

│ 

▼ 

МОНИТОР

Именно такой принцип используется в реальных решениях FPGA Microchip.

________________________________________

12. Можно ли определить SLVS-EC по разъему?

Нет.

Форма разъема практически ничего не гарантирует.

Один и тот же тип физического коннектора производитель может использовать для совершенно разных сигналов.

Нужно определить:

• модель микросхемы или матрицы;

• назначение контактов;

• количество дифференциальных пар;

• наличие или отсутствие отдельной Clock-пары;

• скорость каналов;

• тип протокола;

• направление передачи;

• уровни питания;

• наличие служебных I²C/SPI/GPIO-линий.

Только после этого можно говорить о совместимости.

________________________________________

13. Почему нельзя просто подключить SLVS-EC к LVDS

Даже если:

SLVS-EC → P/N

LVDS → P/N

оба используют дифференциальные пары, передаваемые данные имеют совершенно разную структуру.

Условно: 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ 

│ 

▼ 

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ПАРА 

│ 

┌────────┴─────────┐ 

▼ ▼ 

LVDS SLVS-EC 

│ │ 

свой свой 

протокол протокол 

│ │ 

▼ ▼ 

несовместимы без активного преобразования

Поэтому простая перепайка контактов или изготовление кабеля-переходника проблему не решает.

________________________________________

14. Диагностика SLVS-EC осциллографом

При скоростях несколько Гбит/с сигнал уже не стоит оценивать как обычные логические импульсы: 

высокоскоростной поток 

╲╱╲╱╲╲╱╲╱╲╲╲╲╲╲╲╲╱

DATA □□□

Для его оценки важны:

джитер, затухание, отражение, дифференциальный импеданс, перекрестные наводки, качество кабеля, разъема и переходных отверстий.

Один из основных методов проверки высокоскоростного серийного тракта – eye diagram, или глазная диаграмма: 

ОКОВА ДИАГРАММА 

╲ ╱ 

╲ ╱ 

╲ ╱ 

─────────╲ ╱───────── 

╲ ╱ 

╱ ╲ 

─────────╱ ╲───────── 

╱ ╲ 

╱ ╲ 

╱ ╲ 

↑ 

чем «глаз» больше, 

тем лучший сигнал

Закрытый глаз означает проблемы с качеством высокоскоростного тракта.

________________________________________

15. Где используется SLVS-EC

Основные сферы применения:

промышленные камеры, машинное зрение, высокоскоростные камеры, медицинская техника, системы автоматического контроля, робототехника, многокамерные системы и высокораздельные сенсоры CMOS.

Sony использует SLVS-EC во многих промышленных CMOS-сенсорах, в частности, в высокоскоростных моделях с глобальным затвором.

К примеру, современное поколение сенсоров Sony IMX925/IMX926 использует SLVS-EC с поддержкой до 12,5 Гбит/с на канал, что позволяет передавать высокораздельное изображение меньшим количеством физических линий.

________________________________________

16. Главное, что нужно запомнить

SLVS-EC – это высокоскоростной многоканальный серийный интерфейс Sony со встроенным тактовым сигналом.

Его принципиальная схема: 

CMOS-СЕНСОР 

│ 

│ 

│ SLVS-EC 

│ DATA + EMBEDDED CLOCK 

▼

┌───────────────┐

│ SERDES/CDR │

└───────┬────────┘ 

▼

┌───────────────┐

│ SLVS-EC │

│ DECODER │

└───────┬────────┘ 

▼

┌───────────────┐

│ PIXEL DATA │

└───────┬────────┘ 

▼ 

FPGA/DSP 

│ 

▼ 

HDMI/DP/другой интерфейс 

│ 

▼ 

ДИСПЛЕЙ

И самое важное для ремонта и универсальных контроллеров:

SLVS ≠ SLVS-EC ≠ LVDS ≠ eDP ≠ V-by-One.

Даже если разъемы схожи и все сигналы передаются дифференциальными парами, это не означает электрической или протокольной совместимости.

Для преобразования SLVS-EC требуется соответствующий PHY+SERDES/CDR+ декодер протокола, чаще всего реализуемый в FPGA или специализированной ASIC.

Официальная документация Sony подтверждает, что SLVS-EC разработан как высокоскоростной интерфейс сенсоров изображения, поддерживает Embedded Clock, многоканальные конфигурации и скорости до 12,5 Гбит/с на канал.

Я бы для готовой публикации еще добавил 4 отдельные графические иллюстрации на украинском языке: «SLVS-EC против LVDS», «Строительство одного Lane», «SLVS-EC → FPGA → HDMI → матрица» и «Универсальный скалер + преобразователь SLVS-EC». Это сделает статью более наглядной, особенно для мастеров по ремонту матриц и контроллеров.