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VESA DisplayPort一统数字视频介面?

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2005年8月16日,视频电子标准组织(Video Electronics Standards Association,VESA)发表了一项新数字视频标准:DisplayPort,此标准的目标设定在「适用于所有的数字视频应用」,包括大宗的PC、TV,也包括其他的CE产品,如电视游乐器、投影机、机顶盒等。

不过DisplayPort并非是唯一的数视频介面,在此之前PC已有DVI的外接型介面,而CE、TV方面也有HDMI介面,至于内接则是使用约定成俗的不成文标准:LVDS。既然DisplayPort诉求全面适用,那必然与此三者定位重叠,DisplayPort标准到底有何先进之处,使其能志在一统?以下我们将从各层面来深究。
传输介面:Main Link、Auxiliary Channel
DisplayPort的介面主要分成两部份:Main Link(主连线)、Auxiliary Channel(辅助通道),Main Link负责视频内容的传输,属高速的单向输出,Auxiliary Channel(以下简称:AUX CH)则负责内容之外的辅助信息传送,如状态资讯、操控命令、音频等,属低速的双向通信。

更进一步瞭解,Main Link其实是由1至4组不等的Lane所构成,每组Lane皆是由成对(即2条)的线路所构成,原因是採行差动信号传输,所以需要採行「对线,Pair」。在传输速率上每组Lane可传递2.7Gbps(另可视需求而选用较低速的1.62Gbps),4组合计可达10.8Gbps,在相同的线路数下DisplayPort比DVI快上2.2倍。

另外,由于DisplayPort使用8B10B编码法,时脉信号直接与视频资料信号共混传输,如此就省去额外设置时脉线路的需要,而DVI、HDMI则仍保有一条独立的时脉线路,此在EMI(电磁干扰)设计上会有较多的难度。

由于频宽充沛,所以DisplayPort能满足各种视频应用,任何像素深度(Pixel Depth)、解析度(Resolution)、画面更新率(Rate)皆可自由转换,DisplayPort最高可至WQXGA+(2560x1600)、QXGA(2048x1536)的长宽解析度以及30/36-bit(每原色10/12-bit)的色深。

至于AUX CH方面,AUX CH传输率仅1Mbps,然因应状态资讯、控制命令等传输实是有余,一般而言可用来传递显示组态、遥控器命令,但日后也可用于各种延伸应用,如传递压缩与非压缩性的视频(WebCam)、音频(VoIP、Karaoke),或游戏机的控制器命令、动力回馈(Force Feedback)等。

此外,无论Main Link或AUX CH都在传输上有严格的延迟性(Latency)控制,务必在规范的时间内完成传输,如AUX CH就规定须在500uS内完成,而Main Link因为传输上更高速,因此也就更严苛。

附带一提的是,DisplayPort的信号电压准位相当低,主要是考量到今日半导体制程愈来愈精巧之故,目前已至90nm,下一目标则是65nm,DisplayPort的订立规范将可轻易适用于35nm~65nm的制程技术,使用新制程的数字逻辑晶片也多半会有更低的信号电压,且新的数字高速介面也类似(如PCI Express),关于此DisplayPort都能轻易接轨、耦合。
内外部接头、接线
瞭解完介面后接着是连接器与接线,DisplayPort是同时兼具内接、外接规范性的介面标准,不似DVI仅供外接,LVDS仅供内接。

先说明内接部份,DisplayPort的内接型接头仅有26.3mm宽、1.1m高,比LVDS小上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。

而外接部份,DisplayPort的外接型接头将会有两种,一种是标准型,形貌类似USB、HDMI等接头,但除此之外多了一个可让接头反扣于连接处的牢固设计,以防意外冲撞致使接头掉落,且使用者只要用拇指压按接头即可解除反扣。

另一种则是低矮型(Low Profile),此是针对连接面积有限的应用而订立,关于此以超薄笔记型电脑最为明显,不过也可适用于其他方面,例如同一部桌上型电脑要进行多组视频输出,在I/O挡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,其最长外接距离皆为15m,且接头的相关规格都已经为日后的倍速升级做好准备,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。
相容性设计
DisplayPort的诸多新特点都相当卓越,但除了先进外也不能不顾及相容,因此我们必须问:DisplayPort与过往的模拟视频是否有相容性呢?

答案是肯定的,不过必须透过变通方式达成,理由是DisplayPort不似DVI,在基础的接头设计上就保有PC传统模拟视频的信号(D-Sub Analog RGB),所以必须在DisplayPort的外接视频缆线上加串一个转接器(Adapter,或称Dongle),透过转接器进行视频格式的转换,如此即能达到过往相容。

当然,加串的转接器也需要用电才能执行转换,所以DisplayPort的外接缆线中也备有一条供电线路,转接器可取用此线路的供电来运作。此外,VESA也提醒转接器的设计者,透过缆线的拦截以进行视频转换,必须更严谨考量信号准位偏移性,以及在视频内容有防拷机制时的相容性。
传输协定:Micro-Packet Architecture
前面所言多属DisplayPort的传输层特色,但更重要的特色则是在协定层,此方面DisplayPort採行所谓的「微封包架构,Micro-Packet Architecture」,此有别于过去的各类视频传输,过往无论是模拟视频或DVI、HDMI等数字视频都较类似交换式传输,视频内容以即时、专线方式传送,相对的DisplayPort将视频内容以封包方式传送。

至此各位或许会讶异并且疑惑:视频传输是相当讲究高传量与即时性的,一般而言封包式传输不但比交换式传输更耗佔频宽(因为追加档头及资料分段等相关描述资讯),而且更难掌控传输即时性(大家同时上网,频宽就会因塞车而拖缓),如此DisplayPort真的能胜任传输工作吗?

确实,封包式传输较难确保传量与传输时效,但只要有适当的频宽、流量管理配套依然是可行,且能比交换式传输有更多、更广的价值发挥,这正是DisplayPort选择微封包架构的理由。

微封包架构相当弹性,可以在同一组Lane/Link内传输多组视频,反之交换式传输就得限定一组Link只能传输一组视频,此外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,这在消费性电子的视频播送上格外需要。

更明白地说,微封包架构让DisplayPort跳脱单纯的视频线路角色,进而提升成可汇整、统合各种视频应用的传输匯流排,此点也是DisplayPort大幅超越DVI、HDMI之处,即便DVI、HDMI在后续版本中积极提升传输速率,但在无法改变其基础本质(TMDS传输法)的情况下,依然难以在架构体质上超越DisplayPort。
内容保护
承袭上头所提,微封包架构可弹性追加各式传输协定,其中又以「内容保护」最先被考虑,因为DisplayPort也将用于消费性电子,而影片发行商、视频播送的营运业者等对内容防拷又特别重视,倘若新的视频介面不支援防拷,势必难以用于CE领域。

关于此VESA早有所设想,由Philips为DisplayPort发展、订立出一套内容防拷协定,该套协定使用标准的金钥交换方法,将128-bit的对称金钥用RSA 2048-bit非对称金钥方式加以编密后再进行递送,完成对称金钥的递送后,视频的收发两方便可直接以对称金钥进行视频内容的编密、传输、解密程序,如此即便有心者从中拦截传输内容,也只能得到一堆乱码而已。

也因为只有CE应用较重视防拷,资讯领域较无此方面的顾虑,所以VESA将DisplayPort的防拷技术列为选用功能,且须额外付费才能获得授权,不过DisplayPort的基础主体规格是开放的,任何VESA与非VESA会员都能直接採行。

虽然VESA认为CE应用较需搭配防拷技术,但笔者认为资料中心(Data Center)的KVM(Keyboard Video Mouse)交换器也很有可能需要此类机制,让资管员对伺服器进行管理时,其管理画面不致遭窃截、侧录。

当然,既然DisplayPort可弹性加搭各种协定,那么就没有强制规范非使用Philips的防拷协定,另行搭配其他协定亦是可行。

不过,VESA将成立测试中心,未来可接受业者的送测,以验证应用产品是否符合DisplayPort的规范标准,及与其他DisplayPort产品能否相容互通,合格者将发予标章,标章允许用于产品包装上,让消费者可更安心地选购而无标准及互通性的顾虑,此推广模式与WiFi联盟相当类似。
支持业者已到位
DisplayPort技术虽优异,但若没有足够的视频产业业者力挺恐怕也难推行,且推行初期能否获得重量级业者的青睐实为一大关键。关于此DisplayPort已无需担心,因为DELL、HP、ATI、NVIDIA、Samsung、PHILIPS、Genesis Microchip、Molex、Tyco等都已宣佈支持DisplayPort。

进一步分析这些重量级业者可发现,DELL、HP为PC大厂,ATI、NVIDIA为GPU大厂,Samsung、PHILIPS为CE大厂,Genesis Microchip则是专业的视频控制晶片研发商,Molex、Tyco则是知名的连接器制造商,其中Tyco将研制DisplayPort的内接用连接器,Molex则研制外接用的连接器。

很明显的,DisplayPort的上中下游都已经开通,上游为视频晶片、视频板卡,中游为接线、接头,下游为PC、CE产品,VESA对DisplayPort的期许是先大幅取代Desktop用的DVI及Laptop内的LVDS,之后再以更多的视讯延伸应用等特点来超越、替换HDMI。

不过,DVI、HDMI阵营对此也有所因应,决定弃DVI保HDMI,即是放弃DVI的强化改版,将所有新提升集中在HDMI,期望用HDMI达到相同的PC、CE一统介面,同时也持续用TMDS技术另行开创了UDI,而这一连串的动作能否封阻DisplayPort,且待时间与业者的执行力来证明。
 



图1 图左上为PC用液晶显示器的内部设计,由于DVI不能直接驱动时序控制器(Timing Controller,TCON),须转换成LVDS传输才能驱动,徒增制造成本及设计心力,相对的DisplayPort可自外而内一路通达,不需任何转换程序。(图片来源:VESA.org)
 



图2 DisplayPort对Notebook/Laptop而言的益处是缩减内接传输线路数,XGA的视讯水准可自16条减至2条,UXGA则可从20条减至8条,线路精省后所腾出的佈线空间可有更多的其他发挥应用(如佈设RF天线)。(图片来源:VESA.org)



图3 今日过半PC已在晶片组中内建视频功能,视频信号直接自晶片组接脚输出,但随着半导体制程技术的提升,晶片组的逻辑输出准位愈来愈低,对此需要进行信号转换才能符合DVI标准,然DisplayPort已能支援先进制程,不需转换即可输出。(图片来源:VESA.org)
 



图4 DisplayPort运用微封包架构的特性可轻易扩展各种视频延伸应用,图中以一部A/V Box接收、汇整多个视频源,然后以单一的DisplayPort接线输出至TV,该接线可同时含带多组视频源的视频内容,并在TV上以缩放、子母影像方式呈现。(图片来源:VESA.org)
 



图5 DisplayPort在主视频传输外另有一个辅助通道,该通道有1Mbps频宽,可用来传递状态资讯、控制命令、压缩或未压缩的音视频,同时也可用于各类型的视频搭配应用,如视频会议、VoIP、卡啦OK伴唱机、电玩游戏。(图片来源:VESA.org)
 



图6 DisplayPort的外接型接头。(图片来源:VESA.org)
 



图7 DisplayPort的内接型接头。(图片来源:VESA.org)

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