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抛弃HDMI吧!DisplayPort详细技术解析

http://www.sina.com.cn 2007年08月15日 17:24  小熊在线
作者:小熊在线——WolStame
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路在何方--DisplayPort任重道远
如今的时代,电脑硬件高速发展,新出的产品层出不穷,目不暇接,在这个行业里也发生了不少重大的变故。想到去年的这个时候还是如火如荼的闹着AMD收购ATI的传闻,最后AMD一蹴而就拿下了ATI,如今一年多过去了。Intel的Core加强了,NVIDIA进化到了GeForce 8XXX的时代,AMD收购了ATI也推出了HD 2XXX系列新产品。可以说,硬件的竞争相当激烈,尤其是显示芯片的竞争。其实,在这之前,CRT显示器已经逐步为LCD所取代了。这样,绝大多数的VGA接口便进化到了DVI接口。随着高清晰视频的出现,DVI接口也明显的为HDMI接口所取代了。如今,随着PCI-E和SATA这样串行总线的推出后逐步的已经占据了消费市场的主导地位。

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那么,是不是这个显示器和显卡之间的接口也要串行呢?这样,DisplayPort接口就诞生了,并在今年,DisplayPort接口成功的从1.0升级到了1.1版本。DisplayPort是VESA组织新推出的一项标准,其目的除了用来代替早期的DVI以外最主要的目的是和异军突起的HDMI进行较量。

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(三星首款支持DisplayPort显示器效果)

回顾显示接口的发展

首先,让我们回过头来,看看主流视频接口的发展。最早CRT占据市场的时候,在这个时候可是D-sub的天下,也称作VGA。因为在CRT上,需要传输的信号只是水平扫描线,所传输的是模拟信号,而不是现在已经跟随LCD普及的数字离散信号。到如今,VGA仍然是为大家所广泛接受的接口,如今的不论是显卡和显示芯片上都保留了这一接口。
D-sub全称D-subminiature,其名字的来源是由于接口的外型酷似字母大"D"而得来的。事实上,我们常说的D-sub仅仅是D-subminiature中的一种,D-sub规范将接口分成了好多种形式。它的另一个名字叫做VGA,实际上这个名字的来历并不是由接口得来的,而是它所支持的最低图像标准得来的名称。VGA(Video Graphics Array)是IBM于1987年提出的一个使用类比讯号的电脑显示标准,这个标准已对于现今的个人电脑市场已经十分过时。即使如此,VGA仍然是最多制造商所共同支援的一个低标准,个人电脑在加载自己的独特驱动程序之前,都必须支援VGA的标准。例如,微软Windows系列产品的开机画面仍然使用VGA显示模式,这也说明其分辨率和载色数的不足。

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(VGA接座与插头)


从接口的外型看,是排了3列每列5针共15针的方式。但是在实际中,插头会有明显的不同,第二列上会有个针脚的缺失。实际上这是正常的,这样是省去了无定义的针脚。目前大多数计算机与外部显示设备之间都是通过模拟VGA接口连接,计算机内部以数字方式生成的显示图像信息,被显卡中的数字/模拟转换器转变为R、G、B三原色信号和行、场同步信号,信号通过电缆传输到显示设备中。对于模拟显示设备,如模拟CRT显示器,信号被直接送到相应的处理电路,驱动控制显像管生成图像。

LCD时代的DVI(上)


如今已经是LCD大规模普及的年代了,因着LCD的普及,DVI这种接口也便开始出现在人们的视野里。大家应该清楚知道,CRT和LCD的工作原理是完全不同的,CRT需要接受模拟信号,LCD接受的则是数字信号。在计算机中所处理的显示信号完全是数字信号,要是输入到CRT显示器中,需要转化成模拟信号。因此,只要在系统内完成转换,直接通过VGA线缆传输到显示器即可。LCD却不同,若是通过VGA传输到LCD的是模拟信号,在LCD内还要进行二次转换重新转换回电脑系统内处理的所用的数字信号,这样的结果是造成了一些图像细节上完全不必要的损失。在这种情况下,DVI接口便诞生了。

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(LCD显示器)


DVI全称为Digital Visual Interface。DVI的英文全名为Digital Visual Interface,中文称为"数字视讯接口"。是一种视讯接口标准,设计的目标是透过数位化的传送来强化个人电脑显示器的画面品质。目前广泛应用于LCD,数位投影机等显示设备上。此标准由显示业界数家Silicon Image、Intel(英特尔)、Compaq(康柏)、IBM、HP(惠普)、NEC、Fujitsu(富士通)领导厂商所组成的论坛"数字显示工作小组"(Digital Display Working Group - DDWG-)制订。DVI接口可以传送未压缩的数位视频资料到显示装置。
DVI是以Silicon Image公司的PanalLink接口技术为基础,基于最小化转移差动讯号TMDS(Transition Minimized Differential Signaling,最小化传输差分信号)电子协议作为基本电气连接。TMDS是一种微分信号机制,可以将象素数据编码,并通过串行连接传递。显卡产生的数字信号由发送器按照TMDS协议编码后通过TMDS通道发送给接收器,经过解码送给数字显示设备。一个DVI显示系统包括一个传送器和一个接收器。传送器是信号的来源,可以内建在显卡芯片中,也可以以附加芯片的形式出现在显卡PCB上;而接收器则是显示器上的一块电路,它可以接受数字信号,将其解码并传递到数字显示电路中,通过这两者,显卡发出的信号成为显示器上的图象。

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(DVI接口以及HDMI)

LCD时代的DVI(下)


一个"单链结"(Single Link)DVI通道包括了四条双绞缆线(红,绿,蓝,时脉信号),每个像素资料量为24位元。信号的时序与VGA极为类似。画面是以逐行的方式被传送,并在每一行与每帧画面传送完毕后加入一个特定的空白时间(类似模拟信号的扫瞄线),并没有将资料封包化,也不会只更新前后画面改变的部分。每张画面在该更新时都会被完整的重新传送。单链结DVI最大可传送的分辨率为2.6百万像素,每秒钟更新60次。新版的DVI规格中提供一组额外的DVI链结通道,当两组链结一起使用时可以提供额外的传送带宽,称为双链结(Dual-link DVI)运作模式。DVI规格中规定以165MHz的带宽为界,当显示模式需求低于此带宽时应只使用单链结运作,以上则应自动切换为双链结。另外第二组链结也可作为传送超过24位元的像素色彩资料使用。
DVI接头除包含DVI标准所规定的数字信号针脚之外也可包含传统模拟信号(VGA)的脚位。因此,DVI也同样实现了对CRT传统显示器的兼容。这样的设计是为了维持DVI的通用性实现完全的兼容。

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(DVI转VGA接口)


随着实作功能的不同,DVI接头被分成三种类型:
DVI-D (仅传送数位讯号)
DVI-A (仅传送类比讯号)
DVI-I (可传送数位及类比讯号)
此外有实作出第二组DVI链路的接头有时被称为DVI-DL (dual link).

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如今,随着HDCP的引入,越来越多的设备开始支持HDCP,兼容HDCP的DVI/HDCP开始出现。这种接头在物理上与DVI相同,但是其传送的资料有经过HDCP协定所加密以防止非法复制。现今装有DVI接口显卡的电脑经常可利用一般的大型显示设备使用,但由于2007年之前产制的显卡大多不支援HDCP,所以可能会受到版权保护技术的限制而无法以最高分辨率播放受到HDCP保护的视讯内容。

新HDMI接口介绍(上)

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HDMI的英文全称是"High Definition Multimedia Interface",即高清晰度多媒体接口。是一种全数位化影像/声音传输接口,可以传送无压缩的音频信号及视频信号,HDMI提供所有兼容装置--如机上盒(set-top box),DVD播放机,个人电脑,电视游乐器,综合扩大机,数位音响与电视机--一个共通的资料连接管道,HDMI可以同时传送音频和影音信号,由于音频和视频信号采用同一条电缆,大大简化了系统的安装。
(HDMI线缆)
实际上,设计出HDMI的初衷并不是为了在电脑设备之间传输数据,而是作为数字多媒体设备间的传输。HDMI是在1999年,由 Sony, Hitachi, Thomson (RCA), Philips, Matsushita (Panasonic), Toshiba 和 Silicon Image 开发的高清晰度多媒体接口 (HDMI) 新近成为 HDTV 和消费类电子产品市场的连接标准。HDMI的优势不光是视频信号的连接,同样提供了音频信号的连接。HDMI 是首个也是唯一一个在单数字接口中集成不压缩的高清晰度视频、多声道音频和智能格式与命令数据的数字接口。对于家庭用户来说,最大的好处是享受高清晰数字视频的同时也享受了高档的声效。HDMI在保证高档多声道声效的同时简化了线路,因此非常适合家用电器设备之间的传输。

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(全接口的GeForce 8600GTS)

新HDMI接口介绍(下)
HDMI支持5Gbps的数据传输率,最远可传输15米,足以应付一个1080p的视频和一个8声道的音频信号。而因为一个1080p的视频和一个8声道的音频信号需求少于4GB/s,因此HDMI还有很大余量。这允许它可以用一个电缆分别连接DVD播放器,接收器和PRR。此外HDMI支持EDID、DDC2B,因此具有HDMI的设备具有"即插即用"的特点,信号源和显示设备之间会自动进行"协商",自动选择最合适的视频/音频格式。在最新的HDMI 1.3b规范中,其带宽已经翻倍提升到了10.2GB/s,颇有将要赶超DisplayPort的趋势,分辨率也由原来的1920×1080提升到了2560×1600,另外值得注意的是加入了对于Dolby TrueHD和DTS-HD Master Audio先进音频格式的支持。这里不得不提到UDI,UDI实际上就是省去了音频线路的HDMI,它和HDMI有异曲同工之妙。

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值得主意的的是,HDMI和DVI使用了相同的TMDS电器协议进行信号传输,针脚定义一定程度上和DVI近似,因此完全实现了HDMI和DVI接口之间的相互转接。但是转接的效果和原生的效果肯定不同,转接的HDMI的视频效果仅仅是DVI的效果而已。ATI的R600的推出,实现了一种新的有趣的技术。R600显卡将具备2个DVI输出口,而其中一个DVI接口还能够被转换成支持HD Audio和视频格式的HDMI接口。DVI和HDMI的转换通过一个附带有趣转接头实现,当你插入的设备不管是HDMI还是DVI都能正确识别,并且正常工作,这个是AMD做的一个很有意思的东西。

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(R6x0的转接头)

呼出王者:DisplayPort


如今,尽管显示接口尚且处在一种大混杂的情况下。大部分用户仍然停留在VGA的时代,少数LCD用户升级到了DVI,高端影音玩家毫不犹豫的选择了HDMI。然而,不管是VGA,DVI还是HDMI以及HDMI的小兄弟UDI,他们的性能真的很强吗?或者他们真的能够适用吗?尽管我没有过多提及的UDI曾经被给予厚望,因为它在规格上仅仅是HDMI去掉音频了传输线路,因此完全兼容DVI和HDMI的视频输出。面对UDI还是HDMI,他们有个不利于发展的共同点是技术协议的授权费用,毕竟是几个商家共同组织的。但是不论UDI,HDMI还是DVI,它们有个共同点是通过把信号转化成TMDS最小化传输差分信号来进行传输。因此,UDI对于笔记本还是个很麻烦的事情,长久以来笔记本领域都是LVDS的天下。可是,这些情况的存在,伴随着DisplayPort的推出完全解决了。

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(HDMI和DVI)


去年5月,VESA便让DisplayPort 1.0便早早问世了,今年七月份已经加强修正到了2.0版本。它是一种新的用于视频和音频传输的技术,它的目的意在取代DVI和HDMI挑战称为显卡和显示器之间谁是新的传输标准。DisplayPort如今受到了业界广泛的支持,Agilent,AMD,Apple,Broadcom,Dell,Intel,NVIDIA,Philips,ViewSonic甚至联想等好几大厂商都跨入了支持的行列。这样,DisplayPort受到了广泛的支持,以后的发展肯定是如鱼得水。能获得这些厂商的支持主要由于DisplayPort的这么两大优势。

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第一,DisplayPort在协议层上的优势,DisplayPort采用的是MPA(微封包架构,Micro-Packet Architecture)。同样的难题也在这里,封包式传输比交换式传输更占宽带,而且更加难以控制传输。虽然这样,封包式传输尽管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。第二,就是笔记本等便携设备的问题。如果继续使用LVDS,无疑在保证高分辨率下是非常困难的,使用LVDS不得不进行复杂的布线。然而使用了DisplayPort,就大大的简化了布线。

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下面说说这项技术的主要优势,DisplayPort靠着先天优势获取的高宽带是任何设备都无法匹及的。DisplayPort支持的宽带高达10.8GB/s,这个足以让它的竞争对手汗颜。即使HDMI 1.3也有一定差距。这样,DisolayPort完全支持了WQXGA+,QXGA的分辨率,色深完全支持到了30及36位。这样丰富的色彩,恐怕已经到了肉眼无法识别的程度了,可见DisplayPort的强度。DisplayPort借鉴了HDMI的优势,完全实现了视频音频一条线,在结构上,有一个辅助通道完全实现了音频的传输。

最大的特色是DisplayPort的接口,分为内置和外置两种。外置接口外型上很像USB接口,用于链接外部现实设备,而内置接口用于计算机内部空间有限的地方,比如笔记本和刀板显卡。两种接头不论是哪种,其长度最大是15米。尽管这个指标不如HDMI,但是15米恐怕我们已经足够使用了。此外,DisplayPort还加入了DPCP版权保护系统,它采用了现代的128位AES加密技术,同时兼容HDCP 1.3。

DisplayPort详细技术解析
DisplayPort的链接线路包含了一个单向的主链接(Main Link),专门用于视频信号传输和一个辅助传输通道(AUX CH,Auxiliary Channel),以及一个即插即用识别链接(HPD,Hot-Plug Detect)。其中Main Link包括了一个High-bandwidth,一个Low-latency和unidirectional。它的功能是Isochronous Stereams专门用于数据的传输。关于AUX CH是专门的控制管理总线,包括了一个主要的线路控制Main Link management和一个设备控制总线Device control。那个即插即用管理的功能自然而然的变成了IRQ分配管理之用。

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关于主传输通道Main Link。从大体架构图上看,Main Link是个从源设备Source Device到Sink Device设备的单向通道。Main Link的信号输入实际上是采用的简单的AC Coupled即通过电容耦合输入的信号传输,因此线路宽度控制在了0.35um到0.065um之间甚至更低。

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Main Link其实是由1至4组不等的Lanes构成的,每组Lane都由成对(即两条)的线路所构成,信号使用类似串行的差分技术(即通过两条线路的电压差值来表示二进制0或1),每组Lane的带宽可达2.7Gbps,4组合计达到10.8Gbps。这样强大的宽带,对于色彩以及分辨率实现了前所未有的强大支持。
在编码技术上,DisplayPort使用了ANSI 8B/10B技术,这种编码方案把一个8比特字节编码为两个10比特字符,用于平衡高速传输的比特流中1和0的数量,以确保传输的精确性。由于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仍然拥有一条独立的时脉线路,在EMI(电磁干扰)设计上难度较大。
这样我们对DisplayPort技术有了一个大致的了解,下面举个例子认识一下它的优势。如果向一个WSXGA+(1680×1050)18位色彩设备,TTL需要至少40条传输线,LVDS需要16条,而DisplayPort仅仅一个通道而已,这样两条线就够了。
上面说到AUX CH的主要目的是控制管理工作,它的信号同样采用了AC-Coupled即信号通过电容耦合输入,它用来管理控制Main Link,因此它的时钟频率取自数据流的。它采用半双工,双端信号进行源设备和目标间的数据交换。它将原设备作为主设备而把目标设备作为从设备,将主设备的IRQ信息通过HPD传输到从设备中。AUX CH还保存了一条秘密传输通道,用于在Main Link通道阻塞的时候启用,它尽管突发数据的大小不超过16个字节,但是它的延迟小于500ns可起到了决定性作用。

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上面的一幅就是DisplayPort的详细分层化结构图。可以看到有一个DPCD(DisplayPort Configuration Data)设备在从设备(目标设备)里,它的主要作用是检测DisplayPort传输的信号接受能力和进行数据接受的控制,而EDID仅仅控制着目标设备。自然的,通过上面的介绍和图例,我们对DisplayPort的工作原理有了个大体上的了解。这个了解并不算是深入,至少了解了不少细节上的东西。

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总结:DisplayPort将是未来的标准
DisplayPort以其强大的技术优势获得了业界的青睐,自然而然的,在技术刚刚成型,就获得了如此众多厂家的支持。根据目前的消息来看,三星宣布了全球首款DisplayPort接口桌面液晶显示器,这款显示器应该说相当的"恐怖",光屏幕足有30寸,可见DisplayPort究竟是多么的强大,戴尔也保证在今年将DisplayPort引入市场。AMD收购了ATI,尽管R600和NVIDIA战的很不顺利,但是R700充满了战胜NVIDIA的信心和勇气。日前AMD率先宣布了自己未来的R700系列GPU将原生支持DisplayPort 1.1,同样的R700系列GPU也支持HDMI相互兼容,自然的把HDMI和DisplayPort竞争的选择交给了用户。你是选择DisplayPort呢还是HDMI?让我们拭目以待。

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