深入解析：新一代數(shù)字多媒體接口的架構及應用

視頻電子標準組織(VESA)不久前正式發(fā)布了DisplayPort標準的1.0版本。VESA對這個標準有著宏偉的藍圖，即一統(tǒng)紛繁復雜的數(shù)字多媒體接口標準領域。

在DisplayPort之前，數(shù)字多媒體接口標準經(jīng)歷了多次紛爭，逐漸形成了外部連接(Box-to-Box)與內部連接(Chip-to-Chip)兩塊相互獨立的陣地。在外部連接方面，PC已有DVI；而CE方面也有方興未艾的HDMI；至于內部連接則是約定俗成的標準——LVDS。既然DisplayPort力求一統(tǒng)，那它究竟有哪些先進之處呢？下面，分別從鏈路層、物理層、內外部接頭三方面來詳細闡述DisplayPort的技術特點，最后結合PC和CE應用來論述它的優(yōu)勢。

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檢測(HPD)。其中，主鏈路是一條單向、高帶寬、低延時的傳輸鏈路，用于傳輸無壓縮的時鐘同步視頻、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；熱插拔信號則實現(xiàn)了終端設備(Sink Device)中斷請求(如圖1所示)。

1. 主鏈路的構成

主鏈路實際由4條線路(Lane)組成，每一條線路都是一對差分線。根據(jù)實際需要，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、特別是視頻應用的需求。任何色深(Color Depth)、解析度和畫面刷新頻率(Rate)都可以自由轉換。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沒有單獨的時鐘通道。實際上，DisplayPort在主鏈路上采用的是ANXI 8B/10B編碼，時鐘信號是從數(shù)據(jù)流中提取出來的。這個區(qū)別于DVI和HDMI的特點，大大降低了DisplayPort產(chǎn)品EMI設計的難度。同時，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

2. 輔助通道

輔助通道由一對交流耦合差分線組成的雙向、半雙工通道。其中，源端設備為主、終端設備為從。所有的通信都必須由源端設備發(fā)起，終端設備也可以通過熱插拔信號來提出通信請求。輔助通道在15米的傳輸距離上提供1Mbps的傳輸速率，同時對傳輸延時做了嚴格要求：通信必須在500us內完成。

3. 鏈路層

DisplayPort分層結構如圖2所示。

圖2：DisplayPort接口的分層結構

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

鏈路層主要實現(xiàn)兩項功能：時鐘同步數(shù)據(jù)流傳輸服務和鏈路與設備服務。其中，時鐘同步數(shù)據(jù)流傳輸服務保證了視頻、音頻數(shù)據(jù)流通過一定的規(guī)則從主鏈路傳輸?shù)浇K端，以使終端設備能夠正確地恢復和識別原始數(shù)據(jù)和時鐘信號；鏈路與設備服務通過讀取終端設備DPCP和EDID，識別其工作能力和狀態(tài)，分別在鏈路級和設備級配置和維護傳輸。DisplayPort的鏈路層的主要特點是微封包架構(Micro-Packet Architecture)傳輸。

4. 微封包架構傳輸

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。每一個傳輸單元都由64個碼組成。如果被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流小于64個碼，DisplayPort會自動將它補足為64個。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時性，但只要有適當?shù)膸?、流量管理配套，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，達到了1E-12，這遠遠超過了HDMI標準的1E-9。同時，微封包架構相當彈性，可以在同一條線路內傳輸多組視頻，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，這種架構也能輕易地在既有傳輸中追加新的協(xié)定內容，特別是內容防拷協(xié)定。

微封包架構讓DisplayPort跳脫單純的視頻、音頻傳輸角色，進而提升成可匯聚、整合各種音視頻應用的傳輸方式。此點也是DisplayPort大幅超越DVI、HDMI之處，即便DVI、HDMI在后續(xù)版本中進一步提升傳輸速率，但在無法改變其基礎本質(TMDS傳輸)的情況下，依然難以在架構上超越DisplayPort。

5. 物理層

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

6. 內外部接頭

DisplayPort內部接頭和外部接頭具有不同的形態(tài)。內部接頭僅寬26.3mm、高1.1mm，尺寸比LVDS小30%，但傳輸率卻是LVDS的3.8倍，因為LVDS的每組對線僅有0.945Gbps的傳輸率。此外，內接的DisplayPort允許線路達610mm之長，這在設計大尺寸DTV時格外受用。

圖3：DisplayPort接口的外部(左)和內部(右)連接插頭。(資料來源：VESA)

而外部接頭有兩種，一種是標準型，類似USB、HDMI等接頭，但多了一個可讓接頭反扣于連接處的牢固設計，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)，這是針對連接面積有限的應用制定的。這種應用以超薄筆記型電腦最為明顯，同時也適用于其他方面，例如，同一部桌上型電腦要進行多組視頻輸出，在I/O面板面積有限的情況下也適合用低矮型的DisplayPort接頭。

無論是標準型接頭還是低矮型接頭，其最長外接距離均為15m，而且接頭的相關規(guī)格都已經(jīng)為日后的速率升級做好準備。VESA預計在2008、2009年提出2x的新速率標準，屆時Main Link將達21.6Gbps，AUX CH也有可能對應提升，然而這些提升都不需要再對接頭、接線進行變更。

DisplayPort應用

DisplayPort擁有如此優(yōu)異的技術特性，那么它在實際的PC和CE應用中，能帶來哪些好處呢？下面通過將DisplayPort與傳統(tǒng)接口在實際應用中的對比來詳細論述。

1. 顯示器應用

當今的顯示器一般是通過VGA或者DVI接口與PC相連。但以由于顯示面板的時序控制器(TCON)都是由LVDS驅動的，所以顯示器主板的設計都非常復雜。與此形成鮮明對比的是DisplayPort可以直接驅動TCON，這就大大簡化了顯示器的內部設計(如圖4所示)。

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

2. 筆記本電腦應用

傳統(tǒng)筆記本電腦的LCD面板是通過LVDS排線與顯卡連接。使用DisplayPort可以以更少的線纜來實現(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UXGA分辨率需要的線數(shù)由20條減為8條。這些節(jié)省出來的空間就為筆記本電腦的擴展應用提供了可能。

圖5：DisplayPort在筆記本電腦中的應用。(資料來源：VESA)

3. 視頻源端應用

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

圖6：使用DisplayPort簡化視頻源端的設計。(資料來源：VESA)

從上述的技術特性和典型應用來看，DisplayPort無論是從傳輸速率、安全性還是可擴展性都遠遠超過了現(xiàn)有的數(shù)字多媒體接口，其特性很好地符合了PC和消費類電子領域對數(shù)字多媒體接口地需求。更為重要的是，DisplayPort是一個開放的標準，這非常有利于其推廣與使用。毫無疑問，所有這些特點都將使DisplayPort在不遠的將來一統(tǒng)數(shù)字多媒體接口標準。

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

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