深入解析：新一代数字多媒体接口的架构及应用

视频电子标准组织(VESA)不久前正式发布了DisplayPort标准的1.0版本。VESA对这个标准有着宏伟的蓝图，即一统纷繁复杂的数字多媒体接口标准领域。

在DisplayPort之前，数字多媒体接口标准经历了多次纷争，逐渐形成了外部连接(Box-to-Box)与内部连接(Chip-to-Chip)两块相互独立的阵地。在外部连接方面，PC已有DVI；而CE方面也有方兴未艾的HDMI；至于内部连接则是约定俗成的标准——LVDS。既然DisplayPort力求一统，那它究竟有哪些先进之处呢？下面，分别从链路层、物理层、内外部接头三方面来详细阐述DisplayPort的技术特点，最后结合PC和CE应用来论述它的优势。

DisplayPort概述

DisplayPort由三部分组成，分别为主链路、辅助通道和热插拔信号检测(HPD)。其中，主链路是一条单向、高带宽、低延时的传输链路，用于传输无压缩的时钟同步视频、音频流；辅助通道是一条双向通道，用于传输状态信息、控制命令等；热插拔信号则实现了终端设备(Sink Device)中断请求(如图1所示)。

1. 主链路的构成

主链路实际由4条线路(Lane)组成，每一条线路都是一对差分线。根据实际需要，DisplayPort可以分别使用1、2或4条线路。每一条线路都支持两种传输速率：2.7Gbps或1.62Gbps，4条线路则可以实现最高10.8Gbps的传输速率，在相同的线路数下DisplayPort比DVI快2.2倍。

在这种高带宽的支持下，DisplayPort可以满足各种多媒体、特别是视频应用的需求。任何色深(Color Depth)、解析度和画面刷新频率(Rate)都可以自由转换。例如，使用2.7Gbps的传输速率，DisplayPort可以支持最高视频分辨率如下：

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，每一条线路都是数据线，这意味着DisplayPort没有单独的时钟通道。实际上，DisplayPort在主链路上采用的是ANXI 8B/10B编码，时钟信号是从数据流中提取出来的。这个区别于DVI和HDMI的特点，大大降低了DisplayPort产品EMI设计的难度。同时，由于DisplayPort传输线路采用的是交流耦合，发送端和接收端有不同的共模电压，这使芯片可以拥有更小的特征尺寸(如65nm)，也大大方便了DisplayPort与其它新兴高速数字接口(如PCI Express)连接、耦合。

图1：DisplayPort接口的传输层架构

2. 辅助通道

辅助通道由一对交流耦合差分线组成的双向、半双工通道。其中，源端设备为主、终端设备为从。所有的通信都必须由源端设备发起，终端设备也可以通过热插拔信号来提出通信请求。辅助通道在15米的传输距离上提供1Mbps的传输速率，同时对传输延时做了严格要求：通信必须在500us内完成。

3. 链路层

DisplayPort分层结构如图2所示。

图2：DisplayPort接口的分层结构

其中，终端设备传输层的DisplayPort配置数据(DPCD)描述了该设备的能力。同时，DPCD还存储了链路的相关信息，如链路是否同步等。

链路层主要实现两项功能：时钟同步数据流传输服务和链路与设备服务。其中，时钟同步数据流传输服务保证了视频、音频数据流通过一定的规则从主链路传输到终端，以使终端设备能够正确地恢复和识别原始数据和时钟信号；链路与设备服务通过读取终端设备DPCP和EDID，识别其工作能力和状态，分别在链路级和设备级配置和维护传输。DisplayPort的链路层的主要特点是微封包架构(Micro-Packet Architecture)传输。

4. 微封包架构传输

在DisplayPort的主链路上，所有的视频、音频数据流都被打包为微封包，这些微封包被称为传输单元。每一个传输单元都由64个码组成。如果被传输的数据流小于64个码，DisplayPort会自动将它补足为64个。使用微封包传输使数据完整性得到了大大的提高，这种微封包与传统的模拟、数字多媒体接口有很大不同。以HDMI为代表的传统接口，都采用的是类似交换式传输方式，即视频以即时的方式传输。相比之下，虽然封包式传输较难保证传输流量与实时性，但只要有适当的带宽、流量管理配套，它能比交换式传输提供更多的功能和更广的上升空间。

由于采用微封包式传输，DisplayPort的传输数据完整性得到了很大的提高，达到了1E-12，这远远超过了HDMI标准的1E-9。同时，微封包架构相当弹性，可以在同一条线路内传输多组视频，反之交换式传输就得限定一条链路只能传输一组视频。此外，这种架构也能轻易地在既有传输中追加新的协定内容，特别是内容防拷协定。

微封包架构让DisplayPort跳脱单纯的视频、音频传输角色，进而提升成可汇聚、整合各种音视频应用的传输方式。此点也是DisplayPort大幅超越DVI、HDMI之处，即便DVI、HDMI在后续版本中进一步提升传输速率，但在无法改变其基础本质(TMDS传输)的情况下，依然难以在架构上超越DisplayPort。

5. 物理层

按照功能划分，DisplayPort的物理层分为两个子模块：逻辑子模块和电气子模块。这两个子模块在主链路、辅助通道和热插拔检测三部分中的功能如表1所示。

表1：逻辑子模块和电气子模块在主链路、辅助通道和热插拔检测三部分中的功能

6. 内外部接头

DisplayPort内部接头和外部接头具有不同的形态。内部接头仅宽26.3mm、高1.1mm，尺寸比LVDS小30%，但传输率却是LVDS的3.8倍，因为LVDS的每组对线仅有0.945Gbps的传输率。此外，内接的DisplayPort允许线路达610mm之长，这在设计大尺寸DTV时格外受用。

图3：DisplayPort接口的外部(左)和内部(右)连接插头。(资料来源：VESA)

而外部接头有两种，一种是标准型，类似USB、HDMI等接头，但多了一个可让接头反扣于连接处的牢固设计，用于防止意外冲撞致使接头掉落，使用者只要用拇指按压接头即可解除反扣。另一种则是低矮型(Low Profile)，这是针对连接面积有限的应用制定的。这种应用以超薄笔记型电脑最为明显，同时也适用于其他方面，例如，同一部桌上型电脑要进行多组视频输出，在I/O面板面积有限的情况下也适合用低矮型的DisplayPort接头。

无论是标准型接头还是低矮型接头，其最长外接距离均为15m，而且接头的相关规格都已经为日后的速率升级做好准备。VESA预计在2008、2009年提出2x的新速率标准，届时Main Link将达21.6Gbps，AUX CH也有可能对应提升，然而这些提升都不需要再对接头、接线进行变更。

DisplayPort应用

DisplayPort拥有如此优异的技术特性，那么它在实际的PC和CE应用中，能带来哪些好处呢？下面通过将DisplayPort与传统接口在实际应用中的对比来详细论述。

1. 显示器应用

当今的显示器一般是通过VGA或者DVI接口与PC相连。但以由于显示面板的时序控制器(TCON)都是由LVDS驱动的，所以显示器主板的设计都非常复杂。与此形成鲜明对比的是DisplayPort可以直接驱动TCON，这就大大简化了显示器的内部设计(如图4所示)。

图4：在显示器中使用DVI与DisplayPort之间的比较。(资料来源：VESA.org)

2. 笔记本电脑应用

传统笔记本电脑的LCD面板是通过LVDS排线与显卡连接。使用DisplayPort可以以更少的线缆来实现同样分辨率的传输。例如：传输XGA分辨率需要的线数由16条减为2条，传输UXGA分辨率需要的线数由20条减为8条。这些节省出来的空间就为笔记本电脑的扩展应用提供了可能。

图5：DisplayPort在笔记本电脑中的应用。(资料来源：VESA)

3. 视频源端应用

如前文所述，DisplayPort采用了交流耦合，其信号电气特性与显示芯片组常用的PCI Express非常相似。使用DisplayPort将大大简化视频源端(如显卡)的设计。

图6：使用DisplayPort简化视频源端的设计。(资料来源：VESA)

从上述的技术特性和典型应用来看，DisplayPort无论是从传输速率、安全性还是可扩展性都远远超过了现有的数字多媒体接口，其特性很好地符合了PC和消费类电子领域对数字多媒体接口地需求。更为重要的是，DisplayPort是一个开放的标准，这非常有利于其推广与使用。毫无疑问，所有这些特点都将使DisplayPort在不远的将来一统数字多媒体接口标准。

作者：吴一亮 销售工程师 @analogixsemi.com">ywu@analogixsemi.com

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