Mipi SoundWire Spec 学习笔记（欢迎交流，持续更新）

Distent

​一、SoundWire 概述：
SoundWire是MIPI提出的一个接口协议，与I2S,HDA一样，是音频接口协议。其特点是：
1. 通过一个 two-pin接口来传输音频data，控制命令等。
2. 其clock scaling 和可选的多条data lane给予data频率更高的灵活度以匹配系统要求。
3. 因为用了DDR（double data rate）数据传输方式，因此可以使用更低的时钟频率和功耗。
4. 单个master可以连接最多11个slave。
5. 支持slave to slave的数据传输方式。
6. 支持多负载传输机制（multiple payload transport mechanisms），包括同步或者异步的音频流。
7. 帧大小可以灵活配置，payload具有复杂性，支持PCM和PDM音频流。
8. 低延时，高采样率。


二、SoundWire 物理层接口（PHY）：
SoundWire接口使用两根信号做设备之间的连接：
• Clock – 从master发送到全部slave的时钟信号。
• Data – 可以被所有设备驱动的data信号，并且可以配置没有设备驱动它的时候的空载值。

SoundWire 设备（device）与PHY：

                               
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上图为SoundWire的master interface和slave interface，内部的digital interface负责传送payload，command等，而PHY负责提供本设备与其他SoundWire设备的物理连接（两线接口）。


Data Signaling and Bitslots
1. SoundWire采用DDR（double data rate）进行数据传输。1个bit在上升沿的时候被驱动，并且在下降沿被采样，下一个bit在下降沿被驱动，在上升沿被采样。数据可以在上升沿和下降沿被采样，所以数据传输频率时时钟的两倍。
2. SoundWire帧内每一个bit叫做bitslot，帧内第一个bitslot叫bitslot[0]，后面以此类推，bitslot[n]紧接着bitslot[n-1]，所以bitslot[0]时紧跟着上一帧的最后一个bitslot。
3. Bitslot里面的的值，都是由0个，1个，甚至是多个SoundWire设备提供的。如果一个设备提供了这个bitslot的值，我们称为这个设备own了这个bitslot（这个设备就叫the owner of the Bitslot）。



SoundWire采用改进的NRZI进行数据编码（这段不是很懂）

NRZI编码：
    下图为NRZI编码方式，当data值发生变化时，表示为1，当data值不变时，表示为0，如果要传输“1101011”，则最终data的值为“HLLHHLH”或者“LHHLLHL”,前者还是后者，取决于传输信号前，data的状态。

                               
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改进的NRZI编码：
    SoundWire采用改进的NRZI编码，意味着如果设备想从SoundWire总线上抓取数据作为自己的input data（例如Bitslot[n]）,则要根据时钟，采样两个点（例如Bitslot[n-1]和Bitslot[n]）进行对比。同样，如果设备想从SoundWire总线上输出data（例如Bitslot[n]），则需要采样当前data的值（例如Bitslot[n-1]）来确认输出的data应该是什么值。
    这个改进的NRZI的不同点在于，只有在逻辑“1”的时候，data output信号被主动驱动起来，逻辑“0”的时候，data信号可以被被动驱动起来。

                               
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这样做有两个好处：
1. 如果当前的bitslot没有owner，或者是由于某些data原因没有被驱动，这个master的bus-keeper会让data保持逻辑0状态，这有利于检查出丢失的设备和某些错误配置；
2. 允许同一个bitslot拥有两个甚至多个owner，多个owner之间的关系是“线或”（wire-ORed），意味着一个owner要输出逻辑1，对于其他逻辑0拥有更高的优先级。



三、帧结构与Control Word：
帧结构
SoundWire的帧可以看作成一个二维数组，由比特流（bitstream）的行和列组成。其中，行的值是48~256里面的几个值，同样，列是2~16。这些master设备可以通过配置寄存器来决定的，同时这些帧的属性变量是动态可配的。初始的帧大小就是96个bitslot（48行，2列）。
配置列数：

                               
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配置行数：

                               
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    每一帧的第一个bitslot开始于时钟的下降沿（第一个output data生成），并且结束于时钟的上升沿（最后一个bitslot被采样）。因为列数永远是偶数，所以下一帧的第一个bitslot也总是在时钟下降沿开始。
    但是SPEC说的一帧的最后一个bitslot结束和下一帧的开始bitlost是同一个moment，这个不太理解，我的理解是第N帧的结束和第N+1帧的开始，应该是相差一个周期的。

                               
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下图为帧结构的图：

                               
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Control Word
    在帧结构中，第一列的前48个bitslot为control word（{row[0],col[0]},{row[0],col[1]}......{row[0],col[48]}），由于bitstream传输是一行一行（row）传输的，因此control word在bitstream上是不连续的。前48列中，每列第一个为control word的一部分，该列剩下的bitslot都是data payload。下图为control word在帧结构中的位置。

                               
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    在control word里面的bitslot被分配成以下两种功能：
• Control BitSlot（20）：负责一些低层级的功能，例如帧同步等。
• Command BitSlot（28）：负责帮助当前的command owner传输command给其他设备，也负责接收respond给command owner。

                               
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Control Word field
1. PREQ(Ping Request)：
     一个或者多个Slave用于通知Owner，其需要在Ping command 中上报一些状态。因为多个slave的data pin是"线与"关系，所以只要有一个slava拉起了PREQ，Owner收到的这一帧的PREQ都会被拉起来。当owner收到这个PREQ时，会在接下来的32帧内发送ping command去读取slave的状态。在第N帧内发生类似中断等信息需要发送PREQ时，已经晚于当前帧发送PREQ的时机了，因此会在N+1帧甚至N+2帧的时候才能发出PREQ，一旦拉起了PREQ，slave会一直拉起来直到其能成功收到来自Owner的ping command。
2. Opcode:
Opcode由3个bit组成，command field的组成由Opcode来决定。Opcode由Master或者Monitor接口（command owner）, slave接口接收到不同的Opcode和对应的command field之后会做相应的动作。Opcode有3种：
• Ping：让总线上的所有slave返回状态。
• Write：Command Owner给一个或者多个设备中一个或者多个寄存器写一个8 bit 的值。
• Read：Command Owner从一个或者多个设备中一个或者多个寄存器读一个8 bit 的值。

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  当Opcode为Ping的时候，command field如下：

                               
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         当Opcode为Write或者Read的时候，command field如下：

                               
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          当Opcode为Reserved的时候，command field如下：

                               
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3. Static Synchronization
     Static Synchronization是一个固定的8bit的值为 b'10110001，由master产生，slave接收，并以此来维持帧同步。

4. PHY Synchronization
    PHY Synchronization为1bit，由master生成，通知slave当前的PHY属于什么状态：0代表普通的PHY，1代表High-PHY。当Slave收到这个值的时候，会把PHY_Sync值写到对应的寄存器中。

5. Dynamic Synchronization
    Dynamic Synchronization为4个bit，为连续15个帧的一个动态码。由于只看Static Synchronization的话，比特流可能刚好与Static Synchronization一致，导致SoundWire总线进入假连接状态，加入Dynamic Synchronization后能更好的解决这个问题。Dynamic Synchronization的值来自于4-bit LFSR(linear feedback shift register)寄存器，其通过一个PRBS (pseudo-random binary sequence) 产生器生成出来。LFSR初始值为b’1111。

                               
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6. 奇偶校验 PAR
    Control Word中，存在一个奇偶校验位PAR，来检测data信号传输过程中是否出现错误。注意，奇偶校验的是data电平的高低次数，而不是逻辑的0和1。

                               
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     PRA由Command Owneri经过计算后产生，并发送到别的设备进行匹配，如果设备计算出的PRA与Owner送出的PRA不一致，可能会引发中断（如果中断使能的话），并且会发送一个Command_Failed的response，让该总线上所有设备都丢弃这一帧，使得设备不会被这次错误传输所影响。
    奇偶校验的窗口超过了一帧的边界，当Master修改帧结构，奇偶校验的窗口会包括上一个帧结构的部分Bitslot，和新的帧结构的部分Bitslot。下图为帧和校验窗口的关系图，注意，PAR并不是紧跟着校验窗口的，而是和奇偶校验窗口相差几个bit，多少个bit取决于你的列数，主要也是给Master计算PAR的时间。另外，校验窗口内所有的数据有需要拿来校验，包括上一帧的PAR。

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    下图为奇偶校验窗口的细节图。首先我们可以看到，校验窗口N只到了[44,0]，此时窗口N的数据会被短暂存储起来用于计算PAR，校验窗口N+1由[44,1]开始。因此，44行的[44,1]~[44,15]都是窗口N+1的计算值，包括了窗口N的PAR本身，也是窗口N+1的计算值。

                               
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7. Response，NAK & ACK
Control Word中，存在两个bit，NAK和ACK来描述对Command的Response。
    当一个设备被选中是command 的目标时，其response的NAK和ACK的组合可能如下：
• Command_Failed (NAK=1 & ACK=0)：例如奇偶校验失败。
• Command_OK (NAK=0 & ACK=1)：例如顺利完成读操作并返回读数据。
• Command_Ignored (NAK=0 & ACK=0)：例如读了一个只写寄存器。

    当一个设备没被选中是command 的目标时，其response的NAK和ACK的组合可能如下：
• Command_Failed (NAK=1 & ACK=0)： 例如奇偶校验失败。
• Command_Ignored (NAK=0 & ACK=0)：例如自身并不是读写操作的目标设备，或者奇偶校验没有失败。
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Command Fields
1. Stream Synchronization Point (SSP)
    SSP是Command Fields中的1个bit，用于设备间的传输同步。同时，当一个设备中，出现了不同的采样率，且采样率之间不是倍数关系，则需要用到SSP来使采样率和帧率同步。

2. Bus Request (BREQ)
BREQ是Command Fields中的1个bit，Monitor通过拉起BREQ申请成为Command Owner。

3. Bus Release (BREL)
BREL是Command Fields中的1个bit，Master通过拉起BREL允许Monitor成为Command Owner。

4. Slave Status (Slv_Stat_nn)
    这个field一共是24个bit，一共包含了12个slave的状态（每个slave占用2个bit，slave0~11），这些状态包括：
• Slave 未成功连接。
• Slave 成功连接但是没有中断信息。
• Slave 成功连接并至少有1个中断需要上报。

5. Device Address (DevAddr)、Register Address (RegAddr)​​​​​​​、Register Data (RegData)
    Addr和Data，其中DevAddr 4个bit，RegAddr 16个bit，RegData 8个bit。


​ 四、帧同步
Master 初始化
    Master有时候会先发一段时间的时钟，再经过初始化，发出动态同步码和静态同步码等等，这并不妨碍slave识别和同步，因为slave总是匹配上了所有的同步码步骤之后，再进入同步状态。Master一开始发的帧是48行2列的结构，这样slave能过够更快同步上master。而且这种帧结构中，读写command占整个帧的比例最大，因此读写command的带宽会更大（同样的时间能送出更多的command），一旦枚举结束，所有slave同步了，master就可以改变帧结构来传输数据了。

Slave 同步步骤及SS_SM（Slave Synchronization State Machine）
    Slave同步通过一个状态机SS_SM来实现，这个状态机体现了：
    1. slave 如何与总线上的master进行同步；
    2. slave 如何从总线上失去同步。
    这个概念图为了简单阐述这个过程，因此同步过程只用了一种搜索算法和简单的参数去完成同步，实际上，真正的同步过程会用更高级的算法，并且使用多个参数（例如多种行和列的组合）去进行同步。同步时间的长短取决于slave自身的参数，master发送所用的参数，甚至是传送的data和command。另外，下图还包括对设备进入High-PHY mode的检测。实际上，系统会等所有的slave都具备High-PHY功能的时候，才会有可能进入High-PHY mode。
下图为SS_SM概念图：

                               
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状态描述：

State name	描述	表现
Unattached	slave没接收到任何正确的静态同步码，所以不能正确的连接在总线上。                         当前的搜索静态同步码的帧结构的列数可能是不正确的，并且行数也是未知的。	slave不会own任何的bitslot。                         slave会循环使用这些可能的列数去寻找静态同步码。保证先确定列数。
Column_OK	slave只接受过一次正确的静态同步码，并且不能正确的正确的连在总线上。                         设定的列数可能是正确的。但是行数仍然是未知的。	slave不会own任何的bitslot。                         slave会假定这个列数是正确的，并去寻找第二次正确的静态同步码，以确定行数去初始化对应的寄存器。
Colume_Row_OK	slave还没接收足够的静态，动态以及PHY同步码，并且不能正确的连在总线上。                         行数，列数以及High-PHY状态都可能是正确的。	slave不会own任何的bitslot。                         slave假定行数和列数都是正确的，并检查接下来15帧的静态，动态和PHY的同步码，以确定之前初始化的寄存器内容是否正确。
Attached	slave接受了足够多的静态，动态和PHY同步码，并且已经正确地连在了总线上。	slave可以own bitslot来写control word或者data payload了。
Attached_Error_1	slave已经attached了，但是收到当前一帧在同步码上出现错误的值	slave可以own bitslot来写control word或者data payload了。                         同时，slave会假定行数列数以及High-PHY域仍然是正确的，并检查当前一帧的剩余部分以及下一帧的静态，动态和PHY同步码，以此来确定行数列数以及High-PHY域是否正确。
Attached_Old_Error	slave是连在总线上的，但是上一帧的同步码有出现错误的值。	同上

转跳条件描述：

转跳条件名字	描述
Static_Sync_Missing	slave使用候选的列数进行搜索静态同步码 'b10110001，但是经过大于或者等于256个bitslot之后，仍然没找到。
Static_Sync_1_OK	slave使用候选的列数去搜索静态同步码 'b10110001，并且搜索成功。
Static_Sync_2_OK	slave在上一次成功搜索静态同步码之后，256个bigslot之内再次搜索成功。
Full_Sync_OK	slave用当前了的行数和列数以及寄存器值（PHY）正确的接受了所有的同步码。
Any_Sync_Error	slave用当前了的行数和列数以及寄存器值（PHY）接受的同步码中出现了错误。
PHY_OK_to_Attach	满足下面其中一个条件：                         1. SCP_SystemCtrl寄存器的High-PHY_Select域为0（Basic PHY）                         2. 下列条件同时满足：                              a. High-PHY 的值是1                              b. slave 在High-PHY模式下                              c. SCP_Stat寄存器的High-PHY_NotOK域为0
End_of_Frame	slave继续用当前的行数和列数去检查当前一帧剩余部分的同步码，并且所有剩余的bitslot的值都是正确的，没有发生别的错误使状态机进入Unattached状态。
Self_Detach	slave因为某些原因自行选择下线。

五、系统控制（System Control）    主要介绍下SoundWire的底层功能，包括复位，时钟，data驱动冲突，PHY切换等等。

复位
    SoundWire设备的复位分为3种，都会导致设备变成unattached，从而需要重新attached到总线上并且等待重新枚举，根据影响排列从小到大，3种复位分别是：
1. 软复位（Soft Reset）
    软复位一般发生于设备出现同步错误的时候，当设备同步码出错误bit位出现太多了，就会出发软复位。此复位对设备影响最小，仅仅是防止设备在错误的时间往总线发送信息。当设备重新连上总线并枚举结束后，master可以读取设备的寄存器进行debug。
2. 硬复位（Hard Reset）
    影响第二小的是硬复位，例如时钟停止，或者往SCP_Ctrl寄存器写ForceReset都能触发硬复位。硬复位对slave内部多个（或者全部）的状态都有影响，取决于designer如何设计。
3. Severe Reset
    影响最大的是Severe Reset，例如Power_on Reset或者Bus Reset。其影响包括了硬复位所影响的部分，另外，一些自初始化之后就不会更改的部分，例如PHY output control，都会被Severe Reset所影响。
4. Bus Reset
    如下图，如果设备连续接收了超过4096个逻辑1时（即2046个时钟周期），就会在第4096个逻辑1的时候触发Bus Reset。之后只要保持发送逻辑1，设备就会一直保持复位状态。
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flyskyseu

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