By GRL team on Jan 19, 2022

DisplayPort over Type-C 2.0入门及规格更新

   

Granite River Labs, GRL
Sophie Lee 李炫娥

 

在2020年,Video Electronics Standards Association(VESA)发表了最新的DisplayPort Alternate Mode v2.0(DP Alt. Mode v2.0)规格。原本此规格定义DisplayPort over Type-C可以支持到10Gbps(UHBR10),但由于DP2.1的规格尚未开发完成,所以2021年6月再度发表了SCR文件,将规格中有关UHBR10的部分删除,文件中注明将会在DP Alt. Mode v2.1规格中加入UHBRx。因此目前DisplayPort Alternate Mode最高仍然只能支持到8.1Gbps(HBR3)。除此之外,DP Alt. Mode v2.0主要更新内容包含针对被动式及主动式线缆、转换器的定义。本文将会带大家认识现有的规范对DisplayPort over Type-C制定的规格以及主动式线缆更新的重点。

DisplayID和EDID最明显的差异在于DisplayID应用了「模块化结构」,该结构是参考「Data Block」的概念加以独立定义来去提供特定的信息。所有的Data Block内容可以根据自身需求来修改或是增加,除此之外VESA以及CEA等相关组织也提供诸多已定义好的Data Block供厂商使用,因此使用上不会像过往EDID有诸多限制。

 

DisplayPort over Type-C的PD沟通过程

DisplayPort over Type-C(DPC)是指兼容于USB Type-C(USB-C)接口的DisplayPort(DP)功能,与所有兼容于USB-C的接口相同,必须要经过Power Delivery(PD)沟通进入相对应的Alternate Mode后方可使用。在DPC使用的Alternate Mode称之为DisplayPort Alternate Mode(DP Alt. Mode),图一为DPC产品在一开始接上线缆后会进行的PD沟通流程,在进入DP Alt. Mode之后才会开始DP的AUX沟通。

图1: DPC产品的PD沟通过程

 

进行PD沟通时,与DP AUX沟通一样会区分上接端以及下接端,在PD分别称之为Downstream Facing Port(DFP)以及Upstream Facing Port(UFP),并且由DFP主导沟通流程,DFP发出Request讯息后,再由UFP回复ACK讯息。以DP来说,通常DFP相对应的会是DP Source,UFP则是DP Sink。由上图所示,PD沟通会分为四个部分:“Check for SVID and supported Alternate Modes"、"Enter DP Alt. Mode"、"Communicate current status"、"Configure DP related functions",以下为您更详细地介绍这四个阶段的沟通过程。

  1. Check for SVID and supported Alternate Modes

此为PD沟通的第一个部分,DFP会在这个步骤检视UFP支持的Alternate Mode,若UFP有支援DP Alt. Mode,也会在这个步骤宣告其支持的Pin Assignment。

  1. Enter DP Alt. Mode & Communicate current status

在 “Check for SVID and supported Alternate modes” 之后,DFP会要求UFP进入DP Alt. Mode。接着DFP以及UFP会藉由 “DisplayPort Update Status”的Request及ACK讯息检视双方目前的状态,包含HPD、是否有exit DP Mode的要求、是否优先选择Multi-Function模式等等。

  1. Configure DP related functions

下一步,DFP会发出“DisplayPort Configure”的request讯息来要求UFP设定为指定的Pin Assignment。

Pin Assignment指的是将DP的脚位套用到USB-C接口上的方式,分别有Pin Assignment C、D、E三种。以下列出这三种Pin Assignment在USB-C接口上对应的脚位,并且区分DP Source以及DP Sink。

图2: USB-C Receptacle脚位

表1: DP Source Pin Assignment在USB-C界面上对应的脚位

表2: DP Sink Pin Assignment在USB-C界面上对应的脚位

 

三种Pin Assignment介绍

三种Pin Assignment分别应用在三种不同的情况,Pin Assignment C是用在USB-C to USB-C Cable连接时使用;Pin Assignment D是用在2+2模式使用;Pin Assignment E则是使用在USB-C to DP Cable使用。这里提到的2+2是指USB-C四个高速信道中两个信道用在DP Main-Link传输,两个通道用在USB3.2的传输。使用2+2模式时必须使用USB-C to USB-C Cable连接DP Source与DP Sink(可以是屏幕或是Dock),或者自带线的Dock产品也有可能在USB-C Plug端使用2+2模式。由于只能用两个信道传输DP讯号,此时可以点亮的最高分辨率也会受到影响。

关于2+2需要注意的是,Pin Assignment D并不支持USB4模式。USB4本身就支持同时传输DP及USB,但与Pin Assignment D不同,USB4是使用四个高速通道传输,并在终端将DP与USB讯号分别译码出来,如此一来在USB4模式中DP与USB讯号是共享带宽的,提高DP的传输速率及带宽,就会让USB传输速率降速。由于Pin Assignment D是分配各两个高速通道用来传输DP及USB,因此DP与USB的带宽是互相独立的,就算提高DP的带宽,USB的传输速率还是可以维持在USB 3.2。

最后,Pin Assignment E是用在USB-C to DP Cable连接时使用。现在DP认证要求Pin Assignment C、E为必要支持的项目,Pin Assignment D则是选择性支持,因此产品设计中不一定要加入2+2模式。通常在设定UFP的Pin Assignment之后,DP Sink就会发送HPD给DP Source,且除非USB-C端有进行插拔或PD有重新进行沟通,HPD并不会促使USB-C端重新进行PD沟通。DP Source在收到HPD之后就会接着进行DP AUX沟通。

上面提到不同的Pin Assignment应用在不同的情况,且会使用到不同的线缆。针对应用DPC线缆,DP Alt. Mode v2.0中定义的种类如下表:

表3: DPC线缆种类

 

DPC Active cable定义

在这之前不管是DP规范还是DPC规范都没有对Active cable做详细的定义,新版DPC规范中就加入了Active cable的定义。更新内容主要有以下三项:

  1. 以VConn Power供电给Active cable
  2. 决定Active cable方向性的方法
  3. 制定使用Active cable时的PD沟通流程

Active cable设计上都有包含主动式芯片,需要供电才能够启用。在DPC规范中规定必须要由VConn来供电给Active cable,电压需介于3.3V~5.0V之间,且Active cable不能抽载超过1.5W。在DPC Source或DPC Sink供电前需要透过PD沟通,确认Active cable以及DPC装置彼此支持的能力后才开始供电。这里都是指Active cable上USB-C端的状况,如果是Standard DisplayPort或Mini DisplayPort端则是会由DP_PWR脚位来供电。

另外,主动式芯片在启用后需要决定数据传输的方向,决定的时机点在PD沟通步骤“DisplayPort Configure”之后,规范中制定了两种决定的方法。第一种是透过SBU1/SBU2线路上pull-up与pull-down电阻决定。一开始尚未接上DP装置前,Active cable的USB-C端的SBU1与SBU2分别预设为pull-up电阻与pull-down电阻,DP端则是在AUX_P与AUX_N分别预设为pull-down电阻与pull-up电阻。DP Source在一开始预设状态中AUX_P与AUX_N分别为pull-down与pull-up电阻。藉由pull-down与pull-up电阻连接后的特性,让Active cable可以辨别出两端接头分别接上DP Source或DP Sink。第二种方法则是透过侦测两端接头哪一端先接收到AUX沟通来判别接上的是DP Source或DP Sink。上述两种方法可以用在USB-C to USB-C Active cable或者USB-C to Std DP或USB-C to mDP Cable,只是第二种方法适合用在两端都有termination的线缆,像是带有Link-Training Tunable PHY Repeater(LTTPR)设计的线缆。

在PD沟通方面也制定了使用Active cable情况下需要进行的流程。流程上大致与前面描述的相同,只是在最前面的步骤会与Active cable协调供电的需求并且每个步骤DFP都会分别与UFP及Active cable都做一次。下图为简易的流程图。

 

图3: Active cable的PD沟通流程

   

结论

现在不只DPC规格推出了更新并且多加入了主动式线缆的定义,同时DP2.0更是要将传输速率提高到UHBR10(10Gbps),甚至到UHBR20(20Gbps)。现在已知线缆可能会遇到硬件上的界限而难以承担更高的传输速率,因此也开发出了DSC (Display Stream Compression,影像压缩传输)功能以及LTTPR(Link-Training Tunable PHY Repeater),前者实现以较低的传输速率仍然可以达成高分辨率,后者弥补线缆对高速讯号的损耗。再加上DP2.0规格中也有针对主动式线缆以及LTTPR的更新,往后想必两者在市场上的需求可能会大幅增加,有待继续探讨其发展性。

 

参考文献

  1. VESA DisplayPort Alt Mode on USB Type-C Standard (DisplayPort Alt Mode) Version 2.0 12 March, 2020: https://vesa.org/
 

作者

GRL 台湾测试工程师  李炫娥 Sophie Lee

国立台湾大学机械工程系毕业。在 GRL 拥有三年多测试经验,熟悉 DisplayPort, Ethernet 等测试规范,并担任 GRL 技术文章作者及演讲讲师。

 

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本文件中规格特性及其说明若有修改恕不另行通知。

发布日期 2022/01/19 AN-220119-TW

Published by GRL team Jan 19, 2022

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