Displayport 기술 개요

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12.3 / A.Kobayashi DisplayPort 기술 개요 요약: 이 보고서에서는 VESA DisplayPort 제안 표준, 버전 1, 초안 1에 담긴 기술적 내용을 소개하고자 한다. DisplayPort는 소스 장치에서 싱크 장치로 단일 방향 등시성 A/V 스트림을 전송하기 위한 단일 방향 메인 링크 및 기능이 우수하고 사용이 편리한 플러그앤플레이(plug-and-play)를 실현할 때 사용되는 반이중 쌍방향 AUX CH로 구성된다. 메인 링크와 AUX CH는 AC 차동 쌍으로 이루어진다. 메인 링크에는 1,2,4쌍(또는 레인)이 있는데 각각은 270MB/sec의 애플리케이션 대역폭을 지원할 수 있는 반면 AUX CH에는 1쌍이 있다. DisplayPort는 클록을 전송할 때 쌍이 필요 없기 때문에 차동 쌍을 최대한 사용할 수 있다. 예를 들어 1680x1050-패널은 단일 메인 링크 레인을 통해 지원될 수 있다. DisplayPort 링크는 AUXH CH를 통해 신호 변경하여 적절하게 구성 및 모니터링함으로써 강력한 플러그앤플레이 및 사용 용이성을 실현할 수 있다. DisplayPort 사양에 맞지 않는 소스 및 싱크 장치는 15m 케이블 커넥터 어셈블리와 적절하게 운용된다. 커넥터는 크기가 작기 때문에 문제를 일으킬 수 있는 "케이블 이탈" 현상을 피하기 위해 래치 옵션이 있다. DisplayPort는 다층화 및 모듈화 구조를 채택하여 링크 레이어 및 그 이상에 영향을 주지 않고 물리적 레이어 상승의 효과를 볼 수 있다. DisplayPort는 "마이크로 패킷" 구조에 따라 새로운 디스플레이 애플리케이션 시나리오를 사용할 수 있도록 여러 A/V 스트림 및 기타 데이터 종류의 전송 작업을 지원하기 위해 고르게 확장 가능하다. 키워드: 디스플레이, 인터페이스, 대역폭, 패킷 이동, 산업 표준, SERDES, LCD, LVDS, DVI, HDMI, PC, HDTV, VESA; CEA DisplayPort의 구성 DisplayPort 링크는 메인 링크, AUX CH 및 HPD(Hot Plug Detect) 시그널 라인으로 이루어져 있다. 다음 표에서 알 수 있듯이 메인 링크는 단일 방향이며 대역폭이 높고 호출 시간이 낮은 채널로서 비압축 비디오 및 오디오와 같은 등시성 스트림 전송에 사용된다. AUX CH는 링크 관리 및 장치 제어에 사용되는 반이중 쌍방향 채널이다. HPD 신호는 싱크 장치에 의한 차단 요청으로도 작용한다. 또한 박스투박스(box-to-box) 연결용 DisplayPort 커넥터에는 DisplayPort 리피터 또는 DisplayPort-레거시 변환 장치의 전원을 켜기 위한 전원 핀이 있다. 다음 페이지의 표에는 오늘날의 PC 장치에 사용되는 기존 디지털 디스플레이 인터페이스가 비교되어 있다. 소스 장치 DisplayPort Tx 주 링크 AUX CH 싱크 장치 DisplayPort Rx HPD(Hot Plug Detect) 그림 1. DisplayPort의 구성 메인 링크 메인 링크는 레인이라고 하는 AC 연결의 이중 단말 차동쌍으로 이루어져 있다. AC 연결로 인해 DisplayPort 송신기 및 수신기는 서로 다른 공통 모드 전압을 가진다. 이로 인해 LCD 패널 TCON(타이밍 컨트롤러) 칩에 공통적으로 사용되는 0.35um CMOS 처리를 지원하면서 하위 마이크론(예: CMOS 처리 65nm)으로의 실리콘 프로세스 마이그레이션이 촉진된다. 지원되는 링크 비율은 레인 당 2.7Gbps 및 1.62Gbps이다. 링크 비율은 픽셀 비율에서 분리된다. 픽셀 비율은 타임 스탬프 값 M과 N을 사용하여 링크 기호 클록에서 다시 생성된다. DisplayPort 송신기 및 수신기의 기능 및 채널(케이블)의 품질이 링크 비율이 레인 당 2.7Gbps 또는 1.62Gbps 중 어느 쪽이 될지 여부를 결정하는 요인이 된다. 메인 링크의 레인 수는 1, 2, 4개 레인이다. 레인 수는 픽셀 비트 깊이(픽셀 당 비트 또는 bpp) 및 구성요소 비트 깊이(구성요소 당 비트 또는 bpc)에서 분리된다. 구성요소 비트 깊이 6, 8, 10, 12, 16은 DisplayPort 제안 표준, 버전 1.0, 초안 1에서 메인 링크 레인 수와 관계 없이 RGB, YcbCr444/422의 컬러 형식으로 지원된다. 모든 레인에서 데이터를 전송하므로 클록 전송을 위한 고유 채널은 없다. 링크 클록은 ANSI8B/10B 코딩 12.3 / A.Kobayashi 규정(ANSI X3.230-1994, 11절에 지정)으로 암호화된 데이터 스트림 자체에서 추출된다. 소스 및 싱크 장치는 그 필요에 맞는 최소 레인 수를 지원하도록 허용된다. 2레인을 지원하는 장치는 1개 레인 및 2개 레인을 지원해야 하는 반면, 4레인을 지원하는 장치는 1,2, 4개 레인을 지원해야 한다. 최종 사용자가 탈착할 수 있는 외부 케이블은 소스 및 싱크 장치 간의 상호 운용성을 최대화하기 위해 4개 레인을 지원해야 한다. 4개 미만의 레인이 실행되는 경우, 레인 수가 적은 레인(레인 0부터 시작)을 사용해야 한다. DisplayPort 메인 링크는 20% 채널 코딩 오버헤드를 제외하고 아래와 같이 애플리케이션 대역폭(링크 기호 비율이라고도 함)을 제공한다. 링크 비율= 2.7Gbps • • • 1 레인 = 270MB/sec 2 레인 = 540MB/sec 4 레인 = 1080MB/sec 4 레인 이상 • 12-bpc YCbCr444 (36 bpp), 1920x1080p @ 96Hz • 12-bpc YCbCr422 (24 bpp), 1920x1080p @ 120Hz • 10-bpc RGB (30 bpp), 2560x1536 @ 60Hz 1 레인 이상 • 10-bpc YCbCr444 (30bpp), 1920x1080i @60Hz • 6-bpc RGB (18bpp), 1680x1050 @60Hz 오디오 및 기타 2차 데이터 패킷은 메인 비디오 스트림의 수평 및 수직 블랭킹 기간 동안 전송될 수 있다. 최대 오디오 대역폭 예상치는 6MB/sec(= 192k샘플/sec * 32bit/샘플 * 8-ch)이다. 이러한 오디오 스트림의 전송은 해당 비디오 형식을 지원하기 위해 필요한 최소 레인 수 및 링크 비율로 VESA DMT 및 CVT 타이밍 표준, CEA-861-B 표준에 지정된 비디오 형식의 DisplayPort 링크에서 지원된다. 링크 비율 = 1.62Gbps • • • DisplayPort 장치는 가능 대역폭 내에서 해상도의 픽셀 비트 깊이 및 스트림의 프레임 비율을 자유롭게 교환할 수 있다. 예는 아래와 같다. 1 레인 = 162MB/sec 2 레인 = 324MB/sec 4 레인 = 648MB/sec 표 1. 오늘날 PC 장치에 사용되는 디지털 디스플레이 인터페이스 표준과 DisplayPort의 비교 고속 차동쌍 수 DisplayPort LVDS DVI 1, 2, 4쌍 (클록 쌍 없음) 18bpp 단일 링크의 경우 4쌍, 24bpp 이중 링크의 경우 10쌍(각각 1 & 2쌍) 단일 링크의 경우 4쌍, 이중 링크의 경우 7쌍(1 클록 쌍) 1680x1050 @18bpp 1600x1200 @30bpp 2048x1536 @36bpp 1쌍 2쌍 4쌍 4쌍 12쌍 14쌍 4쌍 7쌍 N/A(또는 2케이블) 쌍별 비트 전송 속도 2.7Gbits/sec, 고정 비율 (1.62Gbps 옵션 사용 가능) 최대 0.945Gbits/sec 최대 1.65Gbps 4차동 쌍별 총 최대 용량 10.8Gbits/sec 2.835Gbits/sec 4.95 Gbits/sec 프로세스 이동을 위한 AC 가능 연결 없음 없음 청각 지원 가능 없음 없음 보조 채널 1Mbps AUX CH, 500us 최대 호출 시간 없음 DDC, 최대 호출 시간 제한 없음 채널 코딩 ANSI8B/10B(open) 없음 TMDS(독점) 콘텐츠 보호 Philips의 DPCP 옵션 없음 HDCP 옵션 프로토콜 마이크로 패킷 기준, 향후 확장하여 기능 추가 가능 디지털 및 계열화된 아날로그 비디오 래스터 디지털 및 계열화된 아날로그 비디오 래스터 내부 연결 사양 첫 발표 시 포함 사실상 노트북 표준 없음 관리 권한 VESA ANSI 표준 DDWG(Digital Display Working Group) 12.3 / A.Kobayashi AUX CH AUX CH는 AC 연결, 이중 단자 차동 쌍으로 이루어져 있다. Manchester II 코딩이 AUX CH의 채널 코딩 방식으로 사용된다. 메인 링크와 마찬가지로 클록은 데이터 스트림에서 추출된다. AUX CH 트랜잭션은 동기화 패턴의 전송(전문)에서 시작하여 발신 및 수신 장치를 동기화한다. AUX CH는 반이중, 쌍방향이다. 소스 장치가 마스터이고 싱크 장치는 슬레이브이다. 이와 같이 AUX CH 트랜잭션은 모두 소스 장치에서 시작된다. 그러나 싱크 장치는 HPD 신호를 토글링하여 소스 장치에 차단 요청(IRQ)을 보냄으로써 AUX CH 트랜잭션이 시작하도록 할 수 있다. 이러한 IRQ 기능으로 CEA-931-B 표준에 지정된 원격 제어 명령 지원의 지원이 용이해진다. AUX CH는 지원되는 케이블 길이에 1Mbps의 데이터 비율을 제공한다. 또한 각 트랜잭션은 500us(최대 분기 데이터 크기 = 16bytes)를 넘지 않기 때문에 하나의 AUX CH 장치가 다른 장치에 피해를 주지 못한다. AUX CH 구문은 AUX CH에 대한 I2C 트랜잭션을 고르게 지원하도록 정의된다. 다층화, 모듈식 아키텍처 아래 도표에 DisplayPort의 다층화 구조가 나와 있다. 링크 및 스트링 정책 결정자는 링크과 스트림을 각각 관리한다. 실행 방식(상태 기기, 펌웨어 또는 시스템 소프트웨어)은 실행별로 각각 다르다. 아래 정책 결정자 및 스트림 소스/싱크는 링크 레이어 및 물리적 레이어다. 링크 레이어 링크 레이어는 다음과 같은 서비스를 제공한다. • • 등시 전송 서비스 링크 및 장치 서비스 등시 전송 서비스 소스 장치의 등시 전송 서비스는 비디오 및 오디오 스트림을 몇 가지 규칙으로 메인 링크로 매핑하므로 싱크 장치에 의해 스트림이 원본 형식과 시간축으로 올바로 재구축될 수 있다. 스트림을 메인 링크로 데이터 매핑하는 것은 다양한 레인 수에 대한 지원을 용이하게 할 수 있도록 고안된다. 예를 들어, 픽셀 데이터는 픽셀 비트 깊이 및 컬러 형식과 관계 없이 다음과 같은 4레인 메인 링크 구성에 맞추어 매핑된다. 4레인 메인 링크에 픽셀 데이터 매핑 • • • • 픽셀 0, 4… : 레인 0, 픽셀 1, 5… : 레인 1, 픽셀 2, 6… : 레인 2, 픽셀 3, 7… : 레인 3 스트림 데이터는 "전송 단위"라고 하는 "마이크로 패킷(Micro-Packet)"으로 채워진다. 전송 단위는 레인 당 64 링크 기호 길이이다. 스트림 데이터가 메인 링크에 채워져 매핑되고 난 후 채워진 스트림 데이터 비율은 메인 링크의 링크 기호 비율보다 작거나 같다. 더 작은 경우 스터핑(stuffing) 기호를 삽입한다. 메인 비디오 스트림의 수평 및 수직 블랭킹 기간 동안 거의 모든 링크 기호는 스터핑 기호인데 이는 싱크 장치에서 스트림을 재생성할 때 사용되는 스트림 속성 패킷(메인 비디오 스트림의 이미지 높이, 너비 등 포함) 및 2차 데이터 패킷(예: 오디오 스트림 패킷)으로 대체될 수 있다. 그림 2. 다층화 아키텍처 상기 도표에서 EDID를 통해 싱크 장치의 용량을 알 수 있는 것과 마찬가지로 싱크 장치의 DPCD(DisplayPort Configuration Data)는 수신기 용량을 나타낸다. 또한 DPCD에는 링크 유지관리를 목적으로 링크 상태 정보(예: 링크 동기화 여부)가 저장된다. 스트림 속성 패킷 및 옵션 2차 데이터 패킷에 대해 데이터 무결성을 향상시킴으로써 기호 오류율을 1E12로 실현할 수 있다. 스트림 속성 패킷의 경우 과반수를 포함한 리던던시가 사용된다. 옵션 2차 데이터 패킷의 경우 Reed-Solomon 기준 ECC(오류 교정 코딩)를 사용한다. 링크 및 장치 서비스 링크 서비스는 AUX CH를 통해 DPCD에 액세스하여 링크를 발견, 구성 및 유지관리하는 데 사용된다. 12.3 / A.Kobayashi 핫플러그 감지에서 소스 장치는 싱크 장치에 있는 DisplayPort 수신기의 용량을 읽고 링크 트레이닝을 통해 링크를 구성한다. AUX CH를 경유하여 DisplayPort 전송기와 수신기 사이에서 응답 확인 방식을 통해 적절한 드라이브 전류/균등화 레벨로 적절한 링크 비율에서 적절한 수의 레인을 사용할 수 있게 된다. 박스투박스 DisplayPort 커넥터 제안 사항은 아래와 같다. 커넥터는 4개의 커넥터가 하나의 PCI-e 브래킷에 끼워질 수 있을 정도의 소형으로, 슬림형 노트북 PC 뒤쪽에도 끼울 수 있다. 링크 트레이닝 후 정상 작동하는 동안 싱크 장치는 링크 상태 변경을 통지할 수 있다. 예를 들어 HPD 신호를 토글링하여 동기화가 손실되면 차단 요청이 전송된다. 그러면 소스 장치가 AUX CH를 통해 링크 상태를 점검하고 수정 조치를 취한다. 이러한 폐쇄 루프 링크 작업으로 소스 및 싱크 장치 사이의 견실성 및 상호 운용성이 향상된다. 장치 서비스는 AUX CH 읽기/쓰기 트랜잭션을 통해 EDID(Extended Display Identification Data) 액세스 및 MCCS(Monitor Control Command Set) 지원과 같은 장치 레벨 애플리케이션을 지원한다. 물리적 레이어 물리적 레이어는 다음 두 개의 하위 블록으로 나뉘어진다. 논리적 하위 블록 데이터 스크램블링/스크램블링 해제(메인 링크의 경우) • 암호화/암호 해제(메인 링크의 경우 ANSI8B/10B, AUX CH의 경우 Manchester II for AUX CH) • 전기적 하위 블록 • • • SERDES(계열화/비계열화) 차동 전류 가동/수신 고역 필터/균등화(메인 링크의 경우) DisplayPort 물리적 레이어 사양은 규정 준수 시 15m 케이블에서도 1E-9 이상의 BER(비트 오류율)을 실현한다. 광범위한 양의 채널 시뮬레이션을 실행하여 DisplayPort 수신기 칩 핀의 개구 요건이 최악의 (그러면서도 사양에는 부합하는) 케이블 커넥터 어셈블리 및 PCB 트레이스에서도 충족될 수 있음을 입증했다. 클록 채널 및 활성 레인 수가 부족하면 EMI를 낮추는 데 도움이 된다. 또한 ANSI8B/10B 암호화 이전에 이미지(예: EMI 테스팅 시 흔한 테스트 패턴인 H자가 화면에 스크롤되는 이미지)가 가득 찼을 때 고정 시리얼 비트 패턴이 제거되어 EMI가 감소된다. 또한 링크 비율(0.5%)의 하향 흐름은 추가적인 EMI 감소를 위해 선택적으로 지원된다. 커넥터 그림 3. DisplayPort 외부 커넥터 그림에서 볼 수 있듯이 제안된 DisplayPort 커넥터에는 래치 옵션이 있다. 이 옵션을 통해 무겁고 긴(15m) 케이블 커넥터 어셈블리에서 특히 문제가 될 수 있는 "케이블 이탈".현상이 방지될 수 있다. 앞서 언급했듯이 20핀 DisplayPort 커넥터에는 전원용 핀이 있다. 전원 장치 전압은 최소 전류 용량이 500mA일 때 +5~+12V 범위 내에 있어야 한다. 이 전원은 총 케이블 길이 연장을 위한 DisplayPort별 리피터 또는 레거시 싱크 장치에 상호 운용성을 제공하기 위한 DisplayPort-레거시 변환 장치에 액티브 동글을 활성화시키기 위한 용도로 사용된다. VESA DisplayPort 제안 표준, 버전 1, 초안 1은 내장형 애플리케이션에 26핀, 0.6mm 피치 커넥터도 지정한다. 이 커넥터는 4개의 메인 링크 레인을 지원한다. 채워지는 레인 수는 각 구현 시마다 달라진다. 박스투박스 연결을 위한 DisplayPort 케이블 커넥터와는 달리 4개의 메인 링크 레인을 채울 필요는 없다. 그림 4. DisplayPort 내장형 커넥터 확장 가능성 다층화 구조를 사용하면 DisplayPort에서 물리적 레이어는 향후 교체될 수 있는 반면 링크 레이어는 12.3 / A.Kobayashi 변하지 않고 그대로 유지된다. DisplayPort 사양 1세대 이후 몇 년이 지나고 나면 레인 당 대역폭을 두 배로 증가시키게 될 2세대 속도로 업그레이드될 것으로 예상된다. 커넥터 사양에 따르면 핀 접속도와 폼 팩터를 수정할 필요 없이 속도를 2세대로 업그레이드할 수 있다. 또한 마이크로 패킷 기준 전송을 통해 DisplayPort 사양을 고르게 확장하여 여러 시청각 스트림 및 기타 데이터 유형을 지원할 수 있다. 1세대 대역폭일 때, 4레인 메인 링크는 6개의 HD(1080i 또는 720p) 스트림을 동시에 전송할 수 있는 충분한 대역폭을 제공한다. "마이크로 패킷" 구조를 활용하면 패킷 오버헤드는 10% 이하로 유지할 수 있다. 이와 더불어 1KB 미만의 버퍼가 필요할 수 있다. 메인 링크 뿐만 아니라 AUX CH도 확장 가능하다. AUX CH 데이터 비율은 캡처된 비디오 및 음성을 싱크 장치에서 소스 장치로 전송하는 작업을 지원할 수 있을 정도로 충분히 확장될 수 있다. 참조 1. VESA, "DisplayPort Proposed Standard," Version 1.0, Draft 1, August 15th, 2005. 2. CEA, "A DTV Profile for Uncompressed High Speed Digital Interfaces, CEA 861-B," May 2002. 3. CEA-931-B, Remote Control Command Pass-Through Standard for Home Networking, September, 20.