深入解析：新一代數(shù)字多媒體接口的架構(gòu)及應(yīng)用

　　視頻電子標(biāo)準(zhǔn)組織(VESA)不久前正式發(fā)布了DisplayPort標(biāo)準(zhǔn)的1.0版本。VESA對(duì)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有著宏偉的藍(lán)圖，即一統(tǒng)紛繁復(fù)雜的數(shù)字多媒體接口標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域。

　　在DisplayPort之前，數(shù)字多媒體接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了多次紛爭(zhēng)，逐漸形成了外部連接(Box-to-Box)與內(nèi)部連接(Chip-to-Chip)兩塊相互獨(dú)立的陣地。在外部連接方面，PC已有DVI；而CE方面也有方興未艾的HDMI；至于內(nèi)部連接則是約定俗成的標(biāo)準(zhǔn)——LVDS。既然DisplayPort力求一統(tǒng)，那它究竟有哪些先進(jìn)之處呢？下面，分別從鏈路層、物理層、內(nèi)外部接頭三方面來(lái)詳細(xì)闡述DisplayPort的技術(shù)特點(diǎn)，最后結(jié)合PC和CE應(yīng)用來(lái)論述它的優(yōu)勢(shì)。

DisplayPort概述

　　DisplayPort由三部分組成，分別為主鏈路、輔助通道和熱插拔信號(hào)檢測(cè)(HPD)。其中，主鏈路是一條單向、高帶寬、低延時(shí)的傳輸鏈路，用于傳輸無(wú)壓縮的時(shí)鐘同步視頻、音頻流；輔助通道是一條雙向通道，用于傳輸狀態(tài)信息、控制命令等；熱插拔信號(hào)則實(shí)現(xiàn)了終端設(shè)備(Sink Device)中斷請(qǐng)求(如圖1所示)。

1. 主鏈路的構(gòu)成

　　主鏈路實(shí)際由4條線路(Lane)組成，每一條線路都是一對(duì)差分線。根據(jù)實(shí)際需要，DisplayPort可以分別使用1、2或4條線路。每一條線路都支持兩種傳輸速率：2.7Gbps或1.62Gbps，4條線路則可以實(shí)現(xiàn)最高10.8Gbps的傳輸速率，在相同的線路數(shù)下DisplayPort比DVI快2.2倍。

　　在這種高帶寬的支持下，DisplayPort可以滿足各種多媒體、特別是視頻應(yīng)用的需求。任何色深(Color Depth)、解析度和畫(huà)面刷新頻率(Rate)都可以自由轉(zhuǎn)換。例如，使用2.7Gbps的傳輸速率，DisplayPort可以支持最高視頻分辨率如下：

1. 12bpc YCbCr 4:4:4(36bpp)，1,920×1,080p@96Hz

2. 12bpc YCbCr 4:2:2(24bpp)，1,920×1,080p@120Hz

3. 10bpc RGB(30bpp)，2,560×1,536@60Hz

　　值得注意的是，每一條線路都是數(shù)據(jù)線，這意味著DisplayPort沒(méi)有單獨(dú)的時(shí)鐘通道。實(shí)際上，DisplayPort在主鏈路上采用的是ANXI 8B/10B編碼，時(shí)鐘信號(hào)是從數(shù)據(jù)流中提取出來(lái)的。這個(gè)區(qū)別于DVI和HDMI的特點(diǎn)，大大降低了DisplayPort產(chǎn)品EMI設(shè)計(jì)的難度。同時(shí)，由于DisplayPort傳輸線路采用的是交流耦合，發(fā)送端和接收端有不同的共模電壓，這使芯片可以擁有更小的特征尺寸(如65nm)，也大大方便了DisplayPort與其它新興高速數(shù)字接口(如PCI Express)連接、耦合。

圖1：DisplayPort接口的傳輸層架構(gòu)

2. 輔助通道

　　輔助通道由一對(duì)交流耦合差分線組成的雙向、半雙工通道。其中，源端設(shè)備為主、終端設(shè)備為從。所有的通信都必須由源端設(shè)備發(fā)起，終端設(shè)備也可以通過(guò)熱插拔信號(hào)來(lái)提出通信請(qǐng)求。輔助通道在15米的傳輸距離上提供1Mbps的傳輸速率，同時(shí)對(duì)傳輸延時(shí)做了嚴(yán)格要求：通信必須在500us內(nèi)完成。

3. 鏈路層

DisplayPort分層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：DisplayPort接口的分層結(jié)構(gòu)

　　其中，終端設(shè)備傳輸層的DisplayPort配置數(shù)據(jù)(DPCD)描述了該設(shè)備的能力。同時(shí)，DPCD還存儲(chǔ)了鏈路的相關(guān)信息，如鏈路是否同步等。

　　鏈路層主要實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能：時(shí)鐘同步數(shù)據(jù)流傳輸服務(wù)和鏈路與設(shè)備服務(wù)。其中，時(shí)鐘同步數(shù)據(jù)流傳輸服務(wù)保證了視頻、音頻數(shù)據(jù)流通過(guò)一定的規(guī)則從主鏈路傳輸?shù)浇K端，以使終端設(shè)備能夠正確地恢復(fù)和識(shí)別原始數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)；鏈路與設(shè)備服務(wù)通過(guò)讀取終端設(shè)備DPCP和EDID，識(shí)別其工作能力和狀態(tài)，分別在鏈路級(jí)和設(shè)備級(jí)配置和維護(hù)傳輸。DisplayPort的鏈路層的主要特點(diǎn)是微封包架構(gòu)(Micro-Packet Architecture)傳輸。

4. 微封包架構(gòu)傳輸

　　在DisplayPort的主鏈路上，所有的視頻、音頻數(shù)據(jù)流都被打包為微封包，這些微封包被稱為傳輸單元。每一個(gè)傳輸單元都由64個(gè)碼組成。如果被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流小于64個(gè)碼，DisplayPort會(huì)自動(dòng)將它補(bǔ)足為64個(gè)。使用微封包傳輸使數(shù)據(jù)完整性得到了大大的提高，這種微封包與傳統(tǒng)的模擬、數(shù)字多媒體接口有很大不同。以HDMI為代表的傳統(tǒng)接口，都采用的是類似交換式傳輸方式，即視頻以即時(shí)的方式傳輸。相比之下，雖然封包式傳輸較難保證傳輸流量與實(shí)時(shí)性，但只要有適當(dāng)?shù)膸挕⒘髁抗芾砼涮?，它能比交換式傳輸提供更多的功能和更廣的上升空間。

　　由于采用微封包式傳輸，DisplayPort的傳輸數(shù)據(jù)完整性得到了很大的提高，達(dá)到了1E-12，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了HDMI標(biāo)準(zhǔn)的1E-9。同時(shí)，微封包架構(gòu)相當(dāng)彈性，可以在同一條線路內(nèi)傳輸多組視頻，反之交換式傳輸就得限定一條鏈路只能傳輸一組視頻。此外，這種架構(gòu)也能輕易地在既有傳輸中追加新的協(xié)定內(nèi)容，特別是內(nèi)容防拷協(xié)定。

　　微封包架構(gòu)讓DisplayPort跳脫單純的視頻、音頻傳輸角色，進(jìn)而提升成可匯聚、整合各種音視頻應(yīng)用的傳輸方式。此點(diǎn)也是DisplayPort大幅超越DVI、HDMI之處，即便DVI、HDMI在后續(xù)版本中進(jìn)一步提升傳輸速率，但在無(wú)法改變其基礎(chǔ)本質(zhì)(TMDS傳輸)的情況下，依然難以在架構(gòu)上超越DisplayPort。

5. 物理層

　　按照功能劃分，DisplayPort的物理層分為兩個(gè)子模塊：邏輯子模塊和電氣子模塊。這兩個(gè)子模塊在主鏈路、輔助通道和熱插拔檢測(cè)三部分中的功能如表1所示。

表1：邏輯子模塊和電氣子模塊在主鏈路、輔助通道和熱插拔檢測(cè)三部分中的功能

6. 內(nèi)外部接頭

　　DisplayPort內(nèi)部接頭和外部接頭具有不同的形態(tài)。內(nèi)部接頭僅寬26.3mm、高1.1mm，尺寸比LVDS小30%，但傳輸率卻是LVDS的3.8倍，因?yàn)長(zhǎng)VDS的每組對(duì)線僅有0.945Gbps的傳輸率。此外，內(nèi)接的DisplayPort允許線路達(dá)610mm之長(zhǎng)，這在設(shè)計(jì)大尺寸DTV時(shí)格外受用。

圖3：DisplayPort接口的外部(左)和內(nèi)部(右)連接插頭。(資料來(lái)源：VESA)

　　而外部接頭有兩種，一種是標(biāo)準(zhǔn)型，類似USB、HDMI等接頭，但多了一個(gè)可讓接頭反扣于連接處的牢固設(shè)計(jì)，用于防止意外沖撞致使接頭掉落，使用者只要用拇指按壓接頭即可解除反扣。另一種則是低矮型(Low Profile)，這是針對(duì)連接面積有限的應(yīng)用制定的。這種應(yīng)用以超薄筆記型電腦最為明顯，同時(shí)也適用于其他方面，例如，同一部桌上型電腦要進(jìn)行多組視頻輸出，在I/O面板面積有限的情況下也適合用低矮型的DisplayPort接頭。

　　無(wú)論是標(biāo)準(zhǔn)型接頭還是低矮型接頭，其最長(zhǎng)外接距離均為15m，而且接頭的相關(guān)規(guī)格都已經(jīng)為日后的速率升級(jí)做好準(zhǔn)備。VESA預(yù)計(jì)在2008、2009年提出2x的新速率標(biāo)準(zhǔn)，屆時(shí)Main Link將達(dá)21.6Gbps，AUX CH也有可能對(duì)應(yīng)提升，然而這些提升都不需要再對(duì)接頭、接線進(jìn)行變更。

DisplayPort應(yīng)用

　　DisplayPort擁有如此優(yōu)異的技術(shù)特性，那么它在實(shí)際的PC和CE應(yīng)用中，能帶來(lái)哪些好處呢？下面通過(guò)將DisplayPort與傳統(tǒng)接口在實(shí)際應(yīng)用中的對(duì)比來(lái)詳細(xì)論述。

1. 顯示器應(yīng)用

　　當(dāng)今的顯示器一般是通過(guò)VGA或者DVI接口與PC相連。但以由于顯示面板的時(shí)序控制器(TCON)都是由LVDS驅(qū)動(dòng)的，所以顯示器主板的設(shè)計(jì)都非常復(fù)雜。與此形成鮮明對(duì)比的是DisplayPort可以直接驅(qū)動(dòng)TCON，這就大大簡(jiǎn)化了顯示器的內(nèi)部設(shè)計(jì)(如圖4所示)。

圖4：在顯示器中使用DVI與DisplayPort之間的比較。(資料來(lái)源：VESA.org)

2. 筆記本電腦應(yīng)用

　　傳統(tǒng)筆記本電腦的LCD面板是通過(guò)LVDS排線與顯卡連接。使用DisplayPort可以以更少的線纜來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣分辨率的傳輸。例如：傳輸XGA分辨率需要的線數(shù)由16條減為2條，傳輸U(kuò)XGA分辨率需要的線數(shù)由20條減為8條。這些節(jié)省出來(lái)的空間就為筆記本電腦的擴(kuò)展應(yīng)用提供了可能。

圖5：DisplayPort在筆記本電腦中的應(yīng)用。(資料來(lái)源：VESA)

3. 視頻源端應(yīng)用

　　如前文所述，DisplayPort采用了交流耦合，其信號(hào)電氣特性與顯示芯片組常用的PCI Express非常相似。使用DisplayPort將大大簡(jiǎn)化視頻源端(如顯卡)的設(shè)計(jì)。

圖6：使用DisplayPort簡(jiǎn)化視頻源端的設(shè)計(jì)。(資料來(lái)源：VESA)

　　從上述的技術(shù)特性和典型應(yīng)用來(lái)看，DisplayPort無(wú)論是從傳輸速率、安全性還是可擴(kuò)展性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)有的數(shù)字多媒體接口，其特性很好地符合了PC和消費(fèi)類電子領(lǐng)域?qū)?shù)字多媒體接口地需求。更為重要的是，DisplayPort是一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，這非常有利于其推廣與使用。毫無(wú)疑問(wèn)，所有這些特點(diǎn)都將使DisplayPort在不遠(yuǎn)的將來(lái)一統(tǒng)數(shù)字多媒體接口標(biāo)準(zhǔn)。

作者：吳一亮 銷售工程師 @analogixsemi.com">ywu@analogixsemi.com

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