新一代數位多媒體介面架構解析及應用

新一代數位多媒體介面架構解析及應用
上網時間: 2007年02月08日

影像電子標準協會(VESA)不久前正式發佈了DisplayPort標準的1.0版本。VESA對這個標準有著宏偉的藍圖，即一統繁雜分歧的數位多媒體介面標準領域。

在DisplayPort之前，數位多媒體介面標準經歷了多次紛爭，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；至於內部連接則是約定俗成的標準─LVDS。既然DisplayPort力求一統，那它究竟有哪些先進之處呢？本文將 分別從鏈路層、實體層、內外部接頭三方面詳細闡述DisplayPort的技術特點，最後結合PC和CE應用探討其優勢。

DisplayPort概述

DisplayPort由三部份組成，分別為主鏈路、輔助通道和熱插拔訊號檢測(HPD)。其中，主鏈路是一條單向、高頻寬、低延遲的傳輸 鏈路，用於傳輸無壓縮的時脈同步視訊、音訊串流；輔助通道是一條雙向通道，用於傳輸狀態資訊、控制命令等；熱插拔訊號則實現了終端設備(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。 每一條線路都支援兩種傳輸速率：2.7Gbps或1.62Gbps，4條線路則可以實現最高10.8Gbps的傳輸速率，在相同的線路數下 DisplayPort比DVI快2.2倍。

在這種高頻寬的支援下，DisplayPort可以滿足各種多媒體、特別是視訊應用的需求。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可以支援最高視訊解析度如下：

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

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

3. 10-bpc RGB(30bpp)，2,560×1,536@60Hz

值得注意的是，每一條線路都是數據線，這意味著DisplayPort沒有單獨的時脈通道。實際上，DisplayPort在主鏈路上採用 的是ANXI 8B/10B編碼，時脈訊號是從數據串流中擷取出來的。這個有別於DVI和HDMI的特點，大幅降低了DisplayPort產品EMI設計難度。同時， 由於DisplayPort傳輸線路採用交流耦合，發送端和接收端有不同的共模電壓，這使晶片可以擁有更小的特徵尺寸，也方便了DisplayPort與 其它新興高速數位介面(如PCI Express)的連接、耦合。

2. 輔助通道

輔助通道是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。所有通訊都必須由源端設備發起，終端設備也可 以透過熱插拔訊號來提出通訊請求。輔助通道在15公尺的傳輸距離上提供1Mbps的傳輸速率，同時對傳輸延遲做了嚴格要求：通訊必須在500us內完成。

圖1：DisplayPort介面的傳輸層架構。

3. 鏈路層

DisplayPort分層結構如圖2所示。

圖2：DisplayPort介面的分層結構。

其中，終端設備傳輸層的DisplayPort配置數據(DPCD)描述了該設備的能力。同時，DPCD還儲存了鏈路的相關資訊，如鏈路是否同步等。

鏈路層主要實現兩項功能：時脈同步數據串流傳輸服務和鏈路與設備服務。其中，時脈同步數據串流傳輸服務保證了視訊、音訊數據串流透過一定的 規則從主鏈路傳輸到終端，以使終端設備能夠正確地恢復和識別原始數據和時脈訊號；鏈路與設備服務透過讀取終端設備DPCP和EDID，識別其工作能力和狀 態，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，所有的視訊、音訊數據串流都被封包化為微封包，這些微封包稱為傳輸單元。每一個傳輸單元都由64個字 符組成。如果被傳輸的數據串流小於64個字符，DisplayPort會自動將它補足為64個。使用微封包傳輸使數據完整性得到了大幅提升，這種微封包與 傳統的類比、數位多媒體介面有很大不同。以HDMI為代表的傳統介面均採用類似交換式傳輸方式，即視訊以即時方式傳輸。相較之下，雖然封包式傳輸較難保證 傳輸流量與即時性，但只要有適當的頻寬、流量管理配套，它能比交換式傳輸提供更多功能和更廣的上升空間。

由於採用微封包式傳輸，DisplayPort大幅提升了傳輸數據完整性，可達1E-12，遠超過了HDMI標準的1E-9。同時，微封 包架構相當彈性，可在同一條線路內傳輸多組視訊，反之交換式傳輸就限定一條鏈路只能傳輸一組視訊。此外，這種架構也能輕易在既有傳輸中追加新的協議內容， 特別是內容防拷協議。

微封包架構讓DisplayPort跳脫單純的視訊、音訊傳輸角色，進而提升成可匯聚、整合各種音視訊應用的傳輸方式。這也是 DisplayPort大幅超越DVI、HDMI之處，即使DVI、HDMI在後續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. 實體層

依照功能劃分，DisplayPort的實體層分為兩個子模組：邏輯子模組和電氣子模組。這兩個子模組在主鏈路、輔助通道和熱插拔檢測三部份中的功能如表1所示。

表1：邏輯子模組和電氣子模組在主鏈路、輔助通道和熱插拔檢測三部份中的功能。

6. 內外部接頭

DisplayPort內部接頭和外部接頭具有不同的形態。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DisplayPort允許的線路長度達610mm，這在設計 大尺寸DTV時非常有用。

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於連接處的牢固設計，用於防止意外衝撞致使接頭掉 落，使用者只要用拇指壓按接頭即可解除反扣。另一種則是低矮型(Low Profile)，這是針對連接面積有限的應用制訂的。這種應用以超薄筆記型電腦最為明顯，同時也適用於其他方面，例如，同一部桌上型電腦要進行多組視訊 輸出，在I/O面板面積有限的情況下也適合使用低矮型的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15公尺，而且接頭的相關規格都已經為日後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也可能相對提升，然而這些提升都不需要再對接頭、接線進行變更。

圖3：DisplayPort介面的外部(左)和內部(右)連接插頭。

DisplayPort應用

既然DisplayPort擁有這些良好特性，它在實際的PC和CE應用中，能帶來哪些優勢呢？以下將透過DisplayPort與傳統介面在實際應用中的比較進行探討。

1. 顯示器應用

目前的顯示器通常是透過VGA或DVI介面與PC相連。但由於顯示面板的時序控制器(TCON)均由LVDS驅動，所以顯示器的主板設計都非常複雜。相較之下，DisplayPort可直接驅動TCON，大幅簡化了顯示器的內部設計(圖4)。

圖4：在顯示器中使用DVI與DisplayPort的比較。

2. 筆記型電腦應用

傳統筆記型電腦的LCD面板是透過LVDS排線與顯卡連接。使用DisplayPort可以用更少的纜線來實現同樣解析度的傳輸。例如：傳 輸XGA解析度需要的線數由16條減為2條，傳輸UXGA解析度需要的線數由20條減為8條。這些節省出來的空間將可望擴展筆記型電腦的應用。

圖5：DisplayPort在筆記型電腦中的應用。

3. 視訊源端應用

如前文所述，DisplayPort採用了交流耦合，其訊號電氣特性與顯示晶片組常用的PCI Express非常相似。使用DisplayPort將大幅簡化視訊源端(如顯示卡)的設計。

圖6：使用DisplayPort簡化視訊源端的設計。

從上述技術特性和應用來看，無論從傳輸速率、安全性或可擴展性來看，DisplayPort都遠超過了現有的數位多媒體介面，其特性符合PC和消費 性電子領域對數位多媒體介面的需求。毫無疑問，所有這些特點都將使DisplayPort在不遠的將來一統數位多媒體介面標準。

作者：吳一亮

銷售工程師

ywu@analogixsemi.com

Analogix Semiconductor

此文章源自《電子工程專輯》網站：
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