千兆多媒體串行鏈路 (GMSL )和千兆以太網(GigE)是兩種用于攝像機應用的流行鏈路技術，經常出現在不同的終端市場中。本文對這兩種技術在系統架構、關鍵特性和局限性方面進行了比較分析。它將有助于解釋這兩種技術的基本原理，并深入了解為什么GMSL相機是GigE Vision 相機的強大替代品。

背景

GigE Vision是一種基于以太網基礎設施和協議的網絡攝像機接口標準。廣泛應用于工業領域。Devices公司的GMSL是一種點對點串行鏈路技術，專門用于視頻數據傳輸，最初是為汽車攝像頭和顯示應用而設計的。

這兩種技術都是為了擴展圖像傳感器的視頻數據范圍，而每種解決方案都有其獨特的功能。多年來，我們已經看到越來越多的GMSL攝像頭被應用于汽車領域之外，通常作為GigE Vision攝像頭的替代品。

典型系統架構

圖像傳感器連接

GigE Vision相機(如圖1所示)的信號鏈通常由三個主要組件組成——圖像傳感器、處理器和以太網PHY。處理器將來自圖像傳感器的原始圖像數據轉換為以太網幀，該過程通常涉及圖像處理和壓縮或幀緩沖，以使數據速率適合以太網支持的帶寬。

GMSL相機的信號鏈(如圖2所示)通常更直接，只有一個圖像傳感器和序列化器。在典型的應用程序中，序列化器轉換來自圖像傳感器的原始數據，然后以原始格式通過鏈接發送。由于不需要處理器，這些相機設計更簡單，更適合需要小相機外形和低功耗的應用。

主機處理器連接

GigE Vision相機因其與各種主機設備的兼容性而在業界得到廣泛認可。千兆以太網端口幾乎是個人計算機(pc)或嵌入式平臺的標準配置。一些GigE Vision相機可以與通用驅動程序一起工作，以獲得真正的即插即用體驗。

GMSL攝像機需要主機端的反序列化器。在大多數用例中，主機設備是帶有一個或多個反序列化器的定制嵌入式平臺。反序列化器將通過其MIPI發射器以原始格式從圖像傳感器MIPI輸出傳輸圖像數據。對于這些相機，每個定制相機設計都需要一個相機驅動程序，就像任何其他MIPI相機一樣。但是，如果圖像傳感器有一個現有的驅動程序，那么SerDes對只需要幾個配置文件寄存器或幾個寄存器寫入就可以從相機到SoC獲取視頻流。

當只使用一個攝像頭時，GigE Vision在系統復雜性方面可能比GMSL有一些優勢，因為它可以通過以太網端口直接連接到PC或嵌入式平臺。但是，當使用多個GigE攝像機時，需要使用以太網交換機。它可以是一個專用的以太網交換設備，一個具有多個以太網端口的網卡，或者一個位于多個以太網端口和SoC之間的以太網交換IC。在某些情況下，這將導致最大總數據速率降低，更糟糕的是，根據相機和終端設備之間的接口，會產生不可預測的延遲。參見圖3。

在GMSL攝像機系統中，一個反序列化器可以通過其MIPI C-PHY或D-PHY發射機連接最多四個鏈路，以支持所有四個攝像機的全帶寬。只要SoC可以處理總數據速率，使用一個或多個GMSL設備不會損害帶寬或增加太多的系統復雜性。

特征比較

傳感器接口

GMSL序列化器只支持并行LVDS (GMSL1)和MIPI (GMSL2/GMSL3)傳感器接口。由于MIPI是消費者和汽車相機中最流行的圖像傳感器接口，因此GMSL相機可以使用各種圖像傳感器。然而，由于相機內部使用的處理器，GigE Vision相機在傳感器接口上更加通用。

視頻規格

操作理論

圖5顯示了數據如何在連續視頻流中從圖像傳感器傳輸到GMSL鏈路或GigE網絡的時序圖示例。

在視頻流的每一幀中，圖像傳感器在曝光周期后立即發送數據，然后在下一幀開始之前進入空閑狀態。示例圖更好地表示全局快門傳感器。對于一個滾動快門傳感器，曝光和讀出周期在幀水平上會有重疊，因為曝光和讀出是每一行單獨控制的。

傳感器端的GMSL序列化器將來自圖像傳感器的數據序列化，并立即通過其專有協議將其傳輸到鏈路。

GigE Vision攝像機中的處理器將緩沖并經常處理來自圖像傳感器的數據，然后將視頻數據安排在以太網幀中并將其發送到網絡。

鏈接速度

鏈路速率是指鏈路上數據傳輸的理論最大速度，通常是比較不同數據鏈路技術時的關鍵規格。GMSL2、GMSL3和GigE Vision都使用離散的固定鏈路速率。

GMSL2支持3gbps和6gbps的數據速率。GMSL3支持12gbps的數據速率，所有GMSL3設備都通過GMSL2協議向后兼容GMSL2設備。

GigE Vision遵循以太網標準。GigE、2.5 GigE、5 GigE和10 GigE Vision攝像機經常出現在常見的應用中。顧名思義，它們分別支持1gbps到10gbps的鏈路速率。最先進的GigE Vision攝像機將以100 Gbps的鏈路速率支持100 GigE。(1)對于GigE Vision，所有高速協議將向后支持低速協議。

雖然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兩種技術進行直接比較。

有效視頻數據速率

在數據通信中，有效數據速率描述了除去協議開銷的數據速率容量，這個概念也適用于視頻數據通信。通常，視頻數據傳輸的有效量為像素位深度×數據包或幀中的像素數。圖6說明了有效視頻數據與開銷之間的關系。

GMSL以分組方式傳輸視頻數據。GMSL2和GMSL3設備使用固定的數據包大小，因此有效的視頻數據速率也被定義。以GMSL2設備為例。當鏈路設置為6gbps時，建議使用的視頻帶寬不超過5.2 Gbps。然而，由于該鏈路也有來自傳感器的MIPI接口的一些開銷和空白時間，5.2 Gbps反映了來自所有輸入MIPI數據通道的匯總數據速率，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沒有標準的幀大小，它通常是軟件解決方案權衡的一部分，以提高效率(長幀的好處)或減少延遲(短幀的好處)。對于這些攝像機，開銷通常不超過5%。更高速度的以太網將減少使用長幀的風險，以實現更好的有效視頻數據速率。

這兩種技術都以一種突發的方式傳輸數據。因此，在較長時間內(在一個視頻幀或更長時間內)的平均數據速率甚至可能低于傳輸過程中的有效視頻數據速率。對于GMSL攝像機來說，連拍時間完全取決于圖像傳感器的讀出時間，實際應用中的連拍比可能達到100%，以支持其全部有效視頻數據速率。GigE Vision攝像機可能用于更復雜和不可預測的網絡環境中，在這種情況下，為了避免數據碰撞，burst ratio通常較低。圖7是一個示例。

分辨率和幀率

分辨率和幀率是視頻攝像機的兩個最重要的規格，它們是更高鏈路速率的關鍵驅動因素。對于這些規范，這兩種技術都有各自的優缺點。

GMSL設備不提供幀緩沖和處理。分辨率和幀率都取決于圖像傳感器或來自傳感器端的ISP在鏈路帶寬內可以支持的內容，通常是分辨率、幀率和像素位深度之間的簡單權衡。

GigE Vision的模型更為復雜。雖然在許多情況下它的可用鏈路速率比GMSL慢，但它可能支持更高的分辨率、更高的幀速率，或者同時支持更高的緩沖和壓縮。然而，這一切都伴隨著延遲、功耗和相機系統兩側昂貴組件的代價。在一些不太常見的用例中，這些相機也以較低的幀速率傳輸原始圖像數據。

延遲

延遲是視頻攝像機的另一個關鍵規格，特別是在處理數據和實時決策的應用程序中。

從序列化器的輸入/傳感器的輸出到反序列化器的輸出/接收SoC的輸入，GMSL相機系統具有低且確定的延遲。

由于攝像機處理和更復雜的網絡流量，GigE Vision攝像機通常具有更高且不確定的延遲。然而，它可能并不總是導致更長的系統級延遲，特別是當相機側的處理計入系統圖像管道并且更加專用和高效時。

其他功能

傳輸距離

GMSL序列化器和反序列化器設計用于在乘用車中使用同軸電纜傳輸高達15米的數據。但是，只要攝像機硬件系統符合GMSL信道規范，傳輸距離不限于15米。

GigE Vision使用以太網協議，可以使用銅纜將數據傳輸到100米遠的地方，甚至可以使用光纖，盡管它可能會失去一些功能，比如以太網供電(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PoC (Power over Coax)， GigE Vision使用PoE(4對以太網)和PoDL(單對以太網)。大多數GigE Vision攝像機使用傳統的帶PoE的4對線。

PoC是直接的，通常默認用于具有同軸配置的相機應用程序。在這種配置中，鏈路上的電源和數據來自單根電線，PoC電路只需要幾個無源元件。

支持1gbps或更高數據速率的PoE電路需要在攝像機和主機(或交換機)側都具有有源組件的專用電路。這使得PoE功能更昂貴，更難以訪問。支持PoE的GigE Vision攝像機通常也有本地外部供電選項。

外圍控制和系統連接

作為專用的攝像或顯示鏈路，GMSL的設計不能支持各種各樣的外圍設備。在典型的GMSL攝像機應用中，該鏈路傳輸控制信號(UART、I2C和SPI)，僅與攝像機外設(如溫度傳感器、環境光傳感器、imu、LED控制器等)通信。使用GMSL作為相機接口的大型系統通常有其他較低速度的接口，如CAN和以太網，以與其他設備通信。

GigE Vision相機通常使用其內置處理器來處理相機外圍控制。作為一種流行的工業應用連接解決方案，工業以太網有幾種標準協議來支持各種機器和設備，而GigE Vision攝像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鏈路支持低延遲GPIO和I2C隧道，在正向和反向通道上以微秒的順序，以支持不同的相機觸發/同步配置。在GMSL相機系統中，觸發信號的來源可以來自反序列化端的SoC，也可以來自序列化端的圖像傳感器之一。

GigE Vision攝像機通常通過專用引腳/端口或以太網觸發/同步數據包在硬件和軟件中提供觸發選項。在典型應用中，硬件觸發器被用作標準方法，以提供與其他相機或非相機設備的響應性和精確同步。這些相機的軟件觸發的主要問題是網絡延遲。雖然有一些協議可以提高同步精度，但它們要么不夠精確(網絡時間協議(NTP))，同步到毫秒級(2))，要么成本效益不高(精確時間協議(PTP))，同步到微秒級(3)，但需要兼容的硬件)。

當在以太網網絡上使用同步協議時，來自同一網絡的所有設備(包括GigE Vision攝像機)將能夠在同一時鐘域中提供時間戳。

GMSL沒有時間戳功能。一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系統上的其他設備鏈接。在某些系統架構中，GMSL反序列化器將連接到PTP網絡上的SoC，以使用集中式時鐘。如果需要使用該特性，請參考AD-GMSL2ETH-SL。

結論

總之(見表1)，GMSL是現有GigE Vision解決方案的一個強有力的替代方案。與GigE Vision相機相比，GMSL相機通常可以以更低的成本、更低的功耗、更簡單的系統架構和更小的系統占用空間提供同等或更好的鏈路速率和功能。此外，由于GMSL最初是為汽車應用而設計的，因此汽車工程師在惡劣環境中對其進行了數十年的驗證。它將為系統開發的工程師和系統架構師提供保證，其中可靠性和功能安全性是關鍵。

要開始使用GMSL進行設計，請訪問GMSL技術頁面，獲取產品信息、硬件設計指南和用戶指南。參考設計和驅動程序支持可從Devices的GMSL GitHub存儲庫中獲得。

參考電路

(1)“了解10、25、50和100GigE愿景的好處。”新興視覺技術有限公司，2023。

(2)大衛·米爾斯。因特網時間同步:網絡時間協議。IEEE通訊學報，第39卷，第10期，1991年10月。

“用于網絡測控系統的精密時鐘同步協議的IEEE標準”。IEEE, 2008年7月。

(4) max96717。設備，2023年5月。

(5)“單端口千兆以太網PHY。”MaxLinear, 2023年2月。

(6) n1300。Devices, Inc.， 2019年10月。