千兆多媒体串行链路 (GMSL )和千兆以太网(GigE)是两种用于摄像机应用的流行链路技术，经常出现在不同的终端市场中。本文对这两种技术在系统架构、关键特性和局限性方面进行了比较分析。它将有助于解释这两种技术的基本原理，并深入了解为什么GMSL相机是GigE Vision 相机的强大替代品。

背景

GigE Vision是一种基于以太网基础设施和协议的网络摄像机接口标准。广泛应用于工业领域。Devices公司的GMSL是一种点对点串行链路技术，专门用于视频数据传输，最初是为汽车摄像头和显示应用而设计的。

这两种技术都是为了扩展图像传感器的视频数据范围，而每种解决方案都有其独特的功能。多年来，我们已经看到越来越多的GMSL摄像头被应用于汽车领域之外，通常作为GigE Vision摄像头的替代品。

典型系统架构

图像传感器连接

GigE Vision相机(如图1所示)的信号链通常由三个主要组件组成——图像传感器、处理器和以太网PHY。处理器将来自图像传感器的原始图像数据转换为以太网帧，该过程通常涉及图像处理和压缩或帧缓冲，以使数据速率适合以太网支持的带宽。

GMSL相机的信号链(如图2所示)通常更直接，只有一个图像传感器和序列化器。在典型的应用程序中，序列化器转换来自图像传感器的原始数据，然后以原始格式通过链接发送。由于不需要处理器，这些相机设计更简单，更适合需要小相机外形和低功耗的应用。

主机处理器连接

GigE Vision相机因其与各种主机设备的兼容性而在业界得到广泛认可。千兆以太网端口几乎是个人计算机(pc)或嵌入式平台的标准配置。一些GigE Vision相机可以与通用驱动程序一起工作，以获得真正的即插即用体验。

GMSL摄像机需要主机端的反序列化器。在大多数用例中，主机设备是带有一个或多个反序列化器的定制嵌入式平台。反序列化器将通过其MIPI发射器以原始格式从图像传感器MIPI输出传输图像数据。对于这些相机，每个定制相机设计都需要一个相机驱动程序，就像任何其他MIPI相机一样。但是，如果图像传感器有一个现有的驱动程序，那么SerDes对只需要几个配置文件寄存器或几个寄存器写入就可以从相机到SoC获取视频流。

当只使用一个摄像头时，GigE Vision在系统复杂性方面可能比GMSL有一些优势，因为它可以通过以太网端口直接连接到PC或嵌入式平台。但是，当使用多个GigE摄像机时，需要使用以太网交换机。它可以是一个专用的以太网交换设备，一个具有多个以太网端口的网卡，或者一个位于多个以太网端口和SoC之间的以太网交换IC。在某些情况下，这将导致最大总数据速率降低，更糟糕的是，根据相机和终端设备之间的接口，会产生不可预测的延迟。参见图3。

在GMSL摄像机系统中，一个反序列化器可以通过其MIPI C-PHY或D-PHY发射机连接最多四个链路，以支持所有四个摄像机的全带宽。只要SoC可以处理总数据速率，使用一个或多个GMSL设备不会损害带宽或增加太多的系统复杂性。

特征比较

传感器接口

GMSL序列化器只支持并行LVDS (GMSL1)和MIPI (GMSL2/GMSL3)传感器接口。由于MIPI是消费者和汽车相机中最流行的图像传感器接口，因此GMSL相机可以使用各种图像传感器。然而，由于相机内部使用的处理器，GigE Vision相机在传感器接口上更加通用。

视频规格

操作理论

图5显示了数据如何在连续视频流中从图像传感器传输到GMSL链路或GigE网络的时序图示例。

在视频流的每一帧中，图像传感器在曝光周期后立即发送数据，然后在下一帧开始之前进入空闲状态。示例图更好地表示全局快门传感器。对于一个滚动快门传感器，曝光和读出周期在帧水平上会有重叠，因为曝光和读出是每一行单独控制的。

传感器端的GMSL序列化器将来自图像传感器的数据序列化，并立即通过其专有协议将其传输到链路。

GigE Vision摄像机中的处理器将缓冲并经常处理来自图像传感器的数据，然后将视频数据安排在以太网帧中并将其发送到网络。

链接速度

链路速率是指链路上数据传输的理论最大速度，通常是比较不同数据链路技术时的关键规格。GMSL2、GMSL3和GigE Vision都使用离散的固定链路速率。

GMSL2支持3gbps和6gbps的数据速率。GMSL3支持12gbps的数据速率，所有GMSL3设备都通过GMSL2协议向后兼容GMSL2设备。

GigE Vision遵循以太网标准。GigE、2.5 GigE、5 GigE和10 GigE Vision摄像机经常出现在常见的应用中。顾名思义，它们分别支持1gbps到10gbps的链路速率。最先进的GigE Vision摄像机将以100 Gbps的链路速率支持100 GigE。(1)对于GigE Vision，所有高速协议将向后支持低速协议。

虽然链路速率与视频分辨率、帧速率和延迟密切相关，但仅根据链路速率很难对两种技术进行直接比较。

有效视频数据速率

在数据通信中，有效数据速率描述了除去协议开销的数据速率容量，这个概念也适用于视频数据通信。通常，视频数据传输的有效量为像素位深度×数据包或帧中的像素数。图6说明了有效视频数据与开销之间的关系。

GMSL以分组方式传输视频数据。GMSL2和GMSL3设备使用固定的数据包大小，因此有效的视频数据速率也被定义。以GMSL2设备为例。当链路设置为6gbps时，建议使用的视频带宽不超过5.2 Gbps。然而，由于该链路也有来自传感器的MIPI接口的一些开销和空白时间，5.2 Gbps反映了来自所有输入MIPI数据通道的汇总数据速率，而不是每秒5.2 Gb的视频数据。

以太网以帧的形式传输数据。GigE Vision没有标准的帧大小，它通常是软件解决方案权衡的一部分，以提高效率(长帧的好处)或减少延迟(短帧的好处)。对于这些摄像机，开销通常不超过5%。更高速度的以太网将减少使用长帧的风险，以实现更好的有效视频数据速率。

这两种技术都以一种突发的方式传输数据。因此，在较长时间内(在一个视频帧或更长时间内)的平均数据速率甚至可能低于传输过程中的有效视频数据速率。对于GMSL摄像机来说，连拍时间完全取决于图像传感器的读出时间，实际应用中的连拍比可能达到100%，以支持其全部有效视频数据速率。GigE Vision摄像机可能用于更复杂和不可预测的网络环境中，在这种情况下，为了避免数据碰撞，burst ratio通常较低。图7是一个示例。

分辨率和帧率

分辨率和帧率是视频摄像机的两个最重要的规格，它们是更高链路速率的关键驱动因素。对于这些规范，这两种技术都有各自的优缺点。

GMSL设备不提供帧缓冲和处理。分辨率和帧率都取决于图像传感器或来自传感器端的ISP在链路带宽内可以支持的内容，通常是分辨率、帧率和像素位深度之间的简单权衡。

GigE Vision的模型更为复杂。虽然在许多情况下它的可用链路速率比GMSL慢，但它可能支持更高的分辨率、更高的帧速率，或者同时支持更高的缓冲和压缩。然而，这一切都伴随着延迟、功耗和相机系统两侧昂贵组件的代价。在一些不太常见的用例中，这些相机也以较低的帧速率传输原始图像数据。

延迟

延迟是视频摄像机的另一个关键规格，特别是在处理数据和实时决策的应用程序中。

从序列化器的输入/传感器的输出到反序列化器的输出/接收SoC的输入，GMSL相机系统具有低且确定的延迟。

由于摄像机处理和更复杂的网络流量，GigE Vision摄像机通常具有更高且不确定的延迟。然而，它可能并不总是导致更长的系统级延迟，特别是当相机侧的处理计入系统图像管道并且更加专用和高效时。

其他功能

传输距离

GMSL序列化器和反序列化器设计用于在乘用车中使用同轴电缆传输高达15米的数据。但是，只要摄像机硬件系统符合GMSL信道规范，传输距离不限于15米。

GigE Vision使用以太网协议，可以使用铜缆将数据传输到100米远的地方，甚至可以使用光纤，尽管它可能会失去一些功能，比如以太网供电(PoE)。

PoC和PoE/PoDL

这两种技术都能够通过同一根电缆传输电力和数据。GMSL使用PoC (Power over Coax)， GigE Vision使用PoE(4对以太网)和PoDL(单对以太网)。大多数GigE Vision摄像机使用传统的带PoE的4对线。

PoC是直接的，通常默认用于具有同轴配置的相机应用程序。在这种配置中，链路上的电源和数据来自单根电线，PoC电路只需要几个无源元件。

支持1gbps或更高数据速率的PoE电路需要在摄像机和主机(或交换机)侧都具有有源组件的专用电路。这使得PoE功能更昂贵，更难以访问。支持PoE的GigE Vision摄像机通常也有本地外部供电选项。

外围控制和系统连接

作为专用的摄像或显示链路，GMSL的设计不能支持各种各样的外围设备。在典型的GMSL摄像机应用中，该链路传输控制信号(UART、I2C和SPI)，仅与摄像机外设(如温度传感器、环境光传感器、imu、LED控制器等)通信。使用GMSL作为相机接口的大型系统通常有其他较低速度的接口，如CAN和以太网，以与其他设备通信。

GigE Vision相机通常使用其内置处理器来处理相机外围控制。作为一种流行的工业应用连接解决方案，工业以太网有几种标准协议来支持各种机器和设备，而GigE Vision摄像机通过其软件和硬件接口直接连接到网络。

相机触发和时间戳

GMSL链路支持低延迟GPIO和I2C隧道，在正向和反向通道上以微秒的顺序，以支持不同的相机触发/同步配置。在GMSL相机系统中，触发信号的来源可以来自反序列化端的SoC，也可以来自序列化端的图像传感器之一。

GigE Vision摄像机通常通过专用引脚/端口或以太网触发/同步数据包在硬件和软件中提供触发选项。在典型应用中，硬件触发器被用作标准方法，以提供与其他相机或非相机设备的响应性和精确同步。这些相机的软件触发的主要问题是网络延迟。虽然有一些协议可以提高同步精度，但它们要么不够精确(网络时间协议(NTP))，同步到毫秒级(2))，要么成本效益不高(精确时间协议(PTP))，同步到微秒级(3)，但需要兼容的硬件)。

当在以太网网络上使用同步协议时，来自同一网络的所有设备(包括GigE Vision摄像机)将能够在同一时钟域中提供时间戳。

GMSL没有时间戳功能。一些图像传感器可以通过MIPI嵌入式报头提供时间戳，但这通常不与更高级别系统上的其他设备链接。在某些系统架构中，GMSL反序列化器将连接到PTP网络上的SoC，以使用集中式时钟。如果需要使用该特性，请参考AD-GMSL2ETH-SL。

结论

总之(见表1)，GMSL是现有GigE Vision解决方案的一个强有力的替代方案。与GigE Vision相机相比，GMSL相机通常可以以更低的成本、更低的功耗、更简单的系统架构和更小的系统占用空间提供同等或更好的链路速率和功能。此外，由于GMSL最初是为汽车应用而设计的，因此汽车工程师在恶劣环境中对其进行了数十年的验证。它将为系统开发的工程师和系统架构师提供保证，其中可靠性和功能安全性是关键。

要开始使用GMSL进行设计，请访问GMSL技术页面，获取产品信息、硬件设计指南和用户指南。参考设计和驱动程序支持可从Devices的GMSL GitHub存储库中获得。

参考电路

(1)“了解10、25、50和100GigE愿景的好处。”新兴视觉技术有限公司，2023。

(2)大卫·米尔斯。因特网时间同步:网络时间协议。IEEE通讯学报，第39卷，第10期，1991年10月。

“用于网络测控系统的精密时钟同步协议的IEEE标准”。IEEE, 2008年7月。

(4) max96717。设备，2023年5月。

(5)“单端口千兆以太网PHY。”MaxLinear, 2023年2月。

(6) n1300。Devices, Inc.， 2019年10月。