高清时代未到 接口标准之争HDMI遇强敌

各种接口类型介绍

    热衷于高清视频的玩家对于HDMI一定不会感到陌生，从2005年蓝光DVD/HD DVD面市开始，HDMI开始被引入消费市场，同时期的液晶电视也纷纷推出带HDMI的版本，接下来的一年，PS3让更多的人认识了它。随着高清电视的普及，HDMI已经逐渐的走入了大家们的生活：一款平板电视如果没有HDMI接口，就等于贴上了“不推荐购买”的标签；各大显卡厂商争先恐后的推出nVIDIA和AMD（ATI）显卡的HDMI版本；INTEL也计划在下一代芯片组Eaglelake上原生支持HDMI……

    难道在下一代视频领域，HDMI将一统江湖了吗？答案是No！

    我们先来看一下INTEL、nVIDIA、AMD各自下一代新品的规格介绍：

    Intel Eaglelake 系列芯片组在高清视频方面进行了增强，支持HD DVD和Blu-Ray播放，支持DisplayPort、HDMI、DVI输出和HDCP保护。
    nVIDIA已预定今年11月12日正式发布新一代中阶型号G92，接替现有GeForce 8800GTS系列上阵，其支持PCI-E 2.0接口、HDMI及PureVideo Gen3，并采用DisplayPort输出接口
    AMD定于今年12月发布的新款主流显卡RV670除了DirectX 10.1、Shader Model 4.0、PCI-E 2.0外，还将提供对DisplayPort输出接口的支持。

    大家看到了什么？DisplayPort！这三家图形芯片巨头不约而同的都在下一代图形芯片中加入了对它的支持。DisplayPort是何方神圣？为什么在HDMI已经开始全面占领市场的时候还要推出DisplayPort呢？它相对于HDMI有什么优点?

    本文将对DisplayPort做深入介绍，并对它和HDMI这两种视频技术作一番比较，看看谁才是即将到来的高清时代视频接口领域的王者。

    在正式介绍两位主角之前，先带大家回顾一下当前显示领域的多种接口：

    在显示领域根据应用位置的不同常把接口分为内部接口和外部接口。内部接口指设备内部模块之间连接用的接口，常用的有笔记本和液晶显示器内部用于连接驱动模块和屏幕面板之间的LVDS（Low Voltage Differential Signaling)，即低压差分信号传输。

图1.各种LVDS屏线

外部接口相对就多一些，电视上常用的有RF（射频）、Composite（复合视频）、S-Video（S端子）、Component（色差端子），PC上常用的有VGA、DVI、IEEE 1394。

图2. RF接口

图3. Composite接口

图4. S端子

图5. 色差端子

图6.VGA接口

图7.DVI接口

图8. IEEE 1394接口

    以上这些接口大多是随着时代进步而不断更新的产物，种类过于繁多，且规范各不统一。随着显示器件的分辨率不断提高，彩色深度不断提升，对于传输驱动信号的接口要求也不断提高，以上这些接口技术已经无法满足需求了，因此能传输更高带宽和具有内容保护的数字接口便应运而生。

HDMI与DisplayPort背景介绍

本文的主角之一，HDMI就是目前数字接口技术中的领先者。HDMI（High－Definition Multimedia Interface）又被称为高清晰度多媒体接口，是首个支持在单线缆上传输不经过压缩的全数字高清晰度、多声道音频和智能格式与控制命令数据的数字接口。HDMI接口由Silicon Image（美国晶像公司）倡导，联合索尼、日立、松下、飞利浦、汤姆逊、东芝这七家著名的消费类电子制造商联合成立的工作组共同开发的。LLC (Intel的子公司)为HDMI提供高带宽数字内容保护(HDCP，High-bandwidth Digital Content Protection的缩写)。HDMI最早的接口规范HDMI1.0于2002年12月公布，目前的最高版本是于2006年6月发布的HDMI1.3规范。

    IT史告诉我们，从来没有人可以独霸天下。AMD一直是Intel的老对手；3DFX在无限风光中等来的是nVIDIA，nVIDIA在吞下了3DFX后，ATI又适时的出现了（现在则换成了AMD）；有人会说微软呢？GOOGLE？APPLE？看起来现在还未达到一个重量级，但我相信历史不会让我们等待太久的。同样，视频领域也没让我们失望太久，HDMI等来了够资格跟自己叫板的对手，本文的另一个主角DisplayPort。

    2006年5月3日，新开发的DisplayPort接口标准得到了VESA（国际视频电子标准协会）成员公司的批准。该标准设计为适用于整个视频业界的一个开放式、可扩展的行业标准，由VESA组织开发。DisplayPort组织由众多平板显示器、半导体芯片、液晶面板、数字电视、投影机和计算机行业中技术领先的知名公司组成，包括Genesis Microchip、Dell、HP、Samsung、Philips、AMD、nVIDIA、Tyco、Molex等。该标准无需缴纳版权及专利费，旨在降低系统平台的成本，并在计算机、数字电视及组件中形成通用的数字视音频接口标准。VESA在今年3月19日发布了DisplayPort最新的1.1版规范。

    说到这里，插句题外话，在HDMI和DisplayPort之间，还曾短暂的出现过一种名为UDI（Unified Display Interface）的接口技术。UDI可兼容HDMI1.2，且支持HDCP，除了不支持音频外，可以说是针对PC平台的HDMI。可以说UDI标准满足了人们对PC平台和数字电视融合的要求，很多人对其寄予厚望。但是该技术的主要推动者——大名鼎鼎的Intel在DisplayPort的1.1版规范发布前不久，突然抛下UDI，投入到了DisplayPort的怀抱中，伴随Intel的倒戈，很多UDI的支持者纷纷离它而去，UDI就这样黯然出局。

    我们在这里不准备去关注UDI出局的原因，而是要把目光投向DisplayPort，看看它到底有什么出色之处，能够博得这么多PC厂商的青睐。

DisplayPort接口的六大的特点

1.高带宽

    在高清晰视频即将流行之际，没有高带宽的显示接口是无法立足的。DisplayPort的界面主要由两部分构成:Main Link(主通道)和Auxiliary Channel(辅助通道)。Main Link负责视频内容的传输，属于高速的单向输出;Auxiliary Channel负责内容之外的辅助信息传送。Main Link其实是由1至4组不等的Lane构成的，每组Lane都由成对(即两条)的线路所构成，每组Lane的带宽可达2.7Gbps，4组Lane合用即可达到10.8Gbps。在未来的DisplayPort版本规划中，VESA还准备将带宽提升一倍，要知道，最新版本的HDMI 1.3所提供的带宽(10.2Gb/s)也稍逊于DisplayPort 1.0。

    2.最大程度整合周边设备

    和HDMI一样，DisplayPort也允许音频与视频信号共用一条线缆传输，支持多种高质量数字音频。但比HDMI更先进的是，DisplayPort在一条线缆上还可实现更多的功能。在四条主传输通道（Main Link）之外，DisplayPort还提供了一条功能强大的辅助通道（Auxiliary Channel）。该辅助通道的传输带宽为1Mbps，最高延迟仅为500μs，可以直接为语音、视频字幕等低带宽数据提供传输，并能够提供无延迟的游戏控制。可见，DisplayPort可以实现对周边设备最大程度的整合、控制。

    3.内外接口通吃

    目前DisplayPort的外接型接头有两种:一种是标准型，类似USB、HDMI等接头;另一种是低矮型，主要针对连接面积有限的应用，比如超薄笔记型电脑。两种接头的最长外接距离都可以达到15米，虽然这个距离比HDMI要逊色一些，不过接头和接线的相关规格已为日后升级做好了准备，即便未来DisplayPort采用新的2X速率标准(21.6Gbps)，接头和接线也不必重新进行设计。这一点可以说是积极吸取了HDMI的经验教训（HDMI低版本线材不能用于高版本设备）。

    除实现设备与设备之间的连接外，DisplayPort还可用作设备内部的接口，甚至是芯片与芯片之间的数据接口。比如取代前文讲到的LCD中液晶面板与驱动电路板之间主流接口——LVDS的位置。LVDS本身传输距离短的特点使得它只能用于内部传输，虽然现在是主流的液晶内部接口，但其不支持内容保护，不能升级支持更高分辨率的信号，尽管可以通过增加一组连接数来提高传输带宽达到支持更高分辨率的目的，但从成本角度考虑并不是个好办法，所以面对显示面板的分辨率和颜色深度的不断提高，LVDS已显现出力不从心的态势，例如在120Hz刷新率的液晶屏上显示1080p信号，单路LVDS只能望屏兴叹。

    4.简化产品设计

    HDMI是在DVI的基础上发展而来的，它们都使用了TMDS(最小化传输差分信号)信号传输技术，图像传输前数字信号必须经过TMDS电路转换为TMDS信号。而采用DisplayPort，数字信号可直接输出，不需要TMDS转换电路。不仅如此，DisplayPort同样可简化LCD内部设计。因为DVI、HDMI不能直接驱动时序控制器，所以VGA或TMDS信号输入LCD后，必须转换成LVDS信号。相比之下，DisplayPort则统一了内外部的接口，可直接驱动面板进行显示，无需另加复杂的LVDS转换电路。大大简化了产品设计难度。

    5.具备高度的可扩展特性

    DisplayPort采用层次化、模块化设计思路，系统分为物理层、链路层和最上层的应用层。这中分层结构的好处是便于将来升级，升级的容易度和可操作性大大得到了提高。

图9. DisplayPort的层次化、模块化结构

    虽然目前DisplayPort规格上仍仅限于1条线路传输单一音视频信号，不过VESA已经预定要在将来新版规范制订时，朝向单一传输线即可同时传送多组影像的技术发展，且PCI Express 2.0的规范也已经通过，在不变更连接线设计的前提之下，配合新版PCI Express架构之后，整体传输速度可能再提高2倍以上。其高度的可扩展特性让它以后同时传输多条视频或音频流并不是一件困难的事情。画中画、分屏显示功能对于DisplayPort而言就是“小菜一碟”，一条DisplayPort连接线在无需更换的情况下，理论上最高可支持6条1080i或3条1080p视频流。

    6.具有可靠的内容保护技术

    DisplayPort除了想在PC领域大展宏图外，CE（消费电子）领域也是其重点发展的领域，而这个领域对版权的保护十分敏感，如果没有相应的内容保护技术，即使其优势再大也很难获得影片供应商的青睐。DisplayPort1.0用的是DPCP(DisplayPort Content Protection)，这一技术虽然比HDMI用的HDCP要先进（DPCP加密密钥为128bit，HDCP加密密钥为40bit），但在目前好莱坞各大电影片厂都已经在蓝光和HD DVD影碟上使用HDCP的情况下，让其改变是何等的困难。Intel的倒戈改变了DisplayPort这个困境，Intel很有诚意的带来了HDCP1.3版（HDCP是Intel子公司LLC开发的协议），这个版本主要是可以允许不同架构（包含DVI、HDMI以及DisplayPort）的联机方式都可以使用同一个加密密钥，以遵行同一种保护体系。再Intel倒戈后不久，VESA就发布了DisplayPort1.1版，最大的改变就是将HDCP1.3纳入正式的支持，成为DisplayPort自有的DPCP版权保护机制中的一个附加保护措施。

DisplayPort组成结构

    前面大概介绍了下DisplayPort的主要特点，下面将对DisplayPort的组成结构及性能做个剖析，相信读者看完之后会对DisplayPort有更深入的了解。

    我们在前面讲到，DisplayPort的数据传输由主通道和辅助通道组成，此外再加上一条叫做HPD（热插拔检测Hot Plug Detect）的信号线就构成了DisplayPort的数据通道主体。

图10. DisplayPort数据传输通道

    在外观上，外部用的接口共有20个引脚，形状类似于USB和HDMI接头，但是DisplayPort提供了一种可让接头反扣于连接处的牢固设计（见下图中的红圈处），可防止意外冲撞或线材自身重量导致的接头脱落现象。用户可根据自己的需要来决定是否购买带卡勾的DisplayPort线材。

图11. DisplayPort外部接口

    内部用的接口接头引脚数为26，仅有26.3mm宽、1.1mm高，比LVDS接口小30%，但传输率却是LVDS的3.8倍（LVDS的每组线对仅有0.945Gb/s的传输率）。此外，内接DisplayPort允许的线路长度达610mm，这在设计大尺寸HDTV时非常有用。
 

图12. DisplayPort内部接口

    内外部的接口接头之间除了物理特性（即形状、大小、顺序、引脚数量）不同外，其余电气性能完全一致。这有点类似于USB的设计，但不可否认的是，这种设计可以让生产厂商节约很多时间和成本，同时也降低了设计难度。

    1.主连接通道

    DisplayPort的主连接通道可由1，2，4对传输线组成，是单向、高带宽、低延时通道，负责传输音视频内容，可根据信号内容选择主通道所需线对数，每对线称为一个Lane。单个Lane可支持2.7Gb/s（全带宽）或者1.62Gb/s的传输率，所以最高的传输率为2.7Gb/s*4=10.8Gb/s。Lane的传输率是2.7Gb/s还是1.62Gb/s由发送设备和接收设备的容量以及通道的质量（多数情况下指线材）来共同决定。在这种高频宽的支持下，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)、分辨率和画面刷新频率(Rate)都可以自由转换。例如，使用4条lane 10.8Gb/s的传输速率，DisplayPort可以支持最高视频分辨率如下：

    12-bpc YCbCr 4:4:4(36bpp)，1920×1080p@96Hz
    12-bpc YCbCr 4:2:2(24bpp)，1920×1080p@120Hz
    10-bpc RGB(30bpp)，2560×1536@60Hz
    注：bpc——bits per color，bpp——bits per pixel，数字越大代表色彩数越多。

    值得注意的是，每一条lane都是数据线，这意味着DisplayPort没有单独的时钟通道。实际上，DisplayPort在主通道上采用的是ANXI 8B/10B编码，时钟信号是从数据串流中撷取出来的。这个有别于HDMI的特点，大幅降低了DisplayPort产品EMC（电磁兼容）设计难度。（时钟信号会导致EMI（电磁干扰）增大，时钟频率越高，EMI越糟，这点设计过电子产品的工程师都有体会。）同时，由于DisplayPort传输线路采用交流耦合（AC-coupled），允许发送端和接收端具有不同的共模电压，这有什么好处呢？这样我们可以在发送端采用最新工艺如65nm制造的芯片，以拥有更小的尺寸来满足各种便携设备日益缩小的体积，而在接收端（越来越大的显示设备）上采用体积大但成本低下的0.35μm工艺的CMOS芯片。

    2.辅助通道

    DisplayPort的辅助通道AUX channel采用双向、半双工通信的工作方式，由一对差分信号线构成。发送设备为主设备。接收设备为从设备。也用交流耦合的传输方式，传输速率为1MHz。通道数据编码采用Manchester II编码规则。起的作用主要是连接管理和设备控制，比如可用来传递包含接收端性能配置数据的DPCD（DisplayPort Configuration Data）到发送源，也可以让发送源读取到接收端包含显示设备特征的数据EDID（Extended Display Identification Data）。接收端还可以通过HPD信号通报设备连接状态的变化，必要时由辅助通道向源端发出中断请求。此外，无论主连接通道或辅助通道都在传输上有严格的延迟控制，如辅助通道规定从源端发出的信号，必须在500μs内到达接收端并完成接收。这一点相对于HDMI对于信号延迟时间没有明确定义是个进步，举个实际使用的例子：我们在DisplayPort连接的PC上观看一部外挂字幕的电影时，再也不必忍受CPU处理能力低下导致的字幕和对白对不上的尴尬场景了。

DisplayPort传输性能

我们知道HDMI源于DVI接口技术，它们主要是以美国晶像公司（Silicon Image）的TMDS信号传输技术为核心，这也就是为何HDMI接口和DVI接口能够通过转接头相互转换的原因。关于TMDS就不在本文赘述，读者朋友们有兴趣的可以去搜索一下相关内容。

    HDMI和DVI的传输模式都类似于交换式传输，视频内容都以即时、专线方式进行传输，这种传输方式的实时性很好，但是在实际应用中也有很大的局限性，我们马上就会讲到。

    DisplayPort采用的是“Micro-Packet Architecture(微封包架构)”传输方案，视频内容以封包方式传送。微封包架构是将数据流打包成微信息包，这些包称之为“传输单元”，每一个传输单元都由64个字符组成。如果被传输的数据串流小于64个字符，DisplayPort微封包架构会自动将它补足为64个。使用微封包传输使得数据完整性得到了大幅提升，误差量纲只有10-12，远小于了HDMI标准的10-9。

    此外，这种将视频内容以微信息包传送的方式可以实现在同一组Link中传输多组音视频，使得一个信道向多个显示终端提供不同内容成为可能。并且由于协议允许追加和扩增信息包的定义，所以这种微信息包传输方式也能方便的在既有传输中插入一些新的协议内容或其他信息，特别是内容保护协议。反之，HDMI这种交换式传输就限定了一组连接只能传输一组音视频。

    这是DisplayPort大幅超越HDMI之处，即便HDMI在后续版本中积极提升传输速率，但因无法改变其交换式传输本质(TMDS算法)，依然难以在结构体系上超过DisplayPort。

DisplayPort的现状及展望

    从技术层面来说，初版就具有的高带宽，以后无需更换连接设备的升级，内外部接口统一，简化电路设计，以及先进的微封包架构传输带来的单源多输出，多种数字内容保护协议的支持，DisplayPort无疑占据了很大优势，但技术优势能否转变为市场优势？我们看过了太多优秀的技术在市场上被落后技术打败的案例。毕竟对于普通用户来说，一点点带宽的差距没有问题，多屏输出也要考虑下自己的经济实力，但谁对于现有设备的兼容性最好，哪种接口的设备更便宜、性能更好，这才是成败的关键所在。

    在占领市场上，HDMI无疑走在了DisplayPort的前面，到目前为止，全球已有超过500家HDMI注册公司，符合HDMI规范的产品种类也已经超过数百种以上。连甫于2006年6月才通过的1.3版HDMI，也都已经有实体产品出现，各便携设备厂商也开始规划HDMI portable的产品线。反观DisplayPort，从2006年5月正式成为标准之后，截至目前为止，市面上也没有采用DisplayPort的实体产品出现，虽然开篇所说的下一代显示芯片和chipset都已添加了DisplayPort支持，但相较起来，DisplayPort相关厂商的动作还是显得不够迅速。

    DisplayPort阵营应认清这一点，现在和HDMI直接硬碰硬是不现实的，首批上市产品应采用兼容HDMI的策略，从自己占据较明显优势的PC领域入手，来撼动HDMI在此领域尚未稳固的根基，以图将来成熟后，再慢慢改变消费电子领域HDMI一家独大的状况。1.1版的DisplayPort宣告支持HDCP正是这个思路。

    好在DisplayPort阵营中，也不乏同时支持HDMI标准的厂商，如Genesis Microchip及Analogix等，现在已经推出同时支持DisplayPort与HDMI的芯片产品。而且由于DisplayPort并不像HDMI那样需要交纳使用授权费，除了电路成本以外，内建DisplayPort所需的成本低到可以忽略的地步，因此许多生产HDMI相关产品的厂商会考虑这点同时把DisplayPort与HDMI纳入支持，以探知市场的反应。这正是DisplayPort发动攻势的大好机会，只要产品受到了消费者的认可，再从上游的视频芯片、板卡，中游的连接线、连接器，到下游的PC、消费电子产品产业链形成，DisplayPort就有望在坐拥PC市场之余，与HDMI在PC与消费电子的交叉区域上演一场龙争虎斗的好戏。