慧榮科技（Silicon Motion）圖形顯示 SoC

功耗和帶寬：

將任何電腦橋接到任何高清顯示器的解決方案的兩大挑戰(zhàn)

從設(shè)計(jì)和配置目前辦公空間、零售店、酒店運(yùn)營(yíng)和工廠的趨勢(shì)來看，該方案比以往更具移動(dòng)性和靈活性。 這對(duì)提供各類設(shè)備顯示器接口具有重要作用。尤其是 用戶和雇主需要通過 USB 連接到便攜式或共享顯示器的設(shè)備。

USB(通用串行總線)，名符其實(shí)，在計(jì)算設(shè)備(如筆 記本電腦、平板電腦和智能設(shè)備)中得到普遍使用。 雖然筆記本電腦或平板電腦可能不包含目前所有顯示 器接口(如 HDMI、VGA、DVI 和 DisplayPort)，但 它始終提供一個(gè)或多個(gè)USB 接口。因此 USB 連接至顯 示器橋接設(shè)備可讓任何電腦連接到任何顯示器。

這使得顯示器的安排變得相當(dāng)靈活。原先辦公室職員 的桌面有一臺(tái)連接到自己的顯示器的電腦，現(xiàn)在公司 可通過 USB 擴(kuò)展塢或 USB 外置設(shè)備為移動(dòng)員工將任 何筆記本電腦連接到任何可用的臺(tái)式顯示器。

在工廠自動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域，OEM 廠家可通過使用USB端口連接任何便攜式 USB 顯示器來更換專用的嵌入式顯示器，降低尺寸和產(chǎn)品成本。

在零售領(lǐng)域，可通過一根USB線將兩臺(tái)USB顯示器(一臺(tái)面向電腦，一臺(tái)面向售貨員)連接到銷售終端。只需一根USB線即可傳輸電力、數(shù)據(jù)和圖形，提供更 簡(jiǎn)單和更小的方案，替代VGA、DVI 或HDMI 接口的使用，并成為各顯示器的外部電源。

市場(chǎng)上有多種圖形處理器芯片可以將USB圖像輸入轉(zhuǎn)換成高清標(biāo)準(zhǔn)輸出接口(如HDMI或DisplayPort)。但這些產(chǎn)品都面臨相同的挑戰(zhàn)：

l 如何保持最小的圖形、視頻和音頻內(nèi)容通過USB接口進(jìn)行傳輸而不會(huì)在運(yùn)行壓縮算法時(shí)使主機(jī)CPU 負(fù)荷過重;

l 如何保持足夠的低功耗以使USB 顯示設(shè)備無需外接電源可驅(qū)動(dòng)顯示輸出。

不同的架構(gòu)以不同的方式平衡不可避免的取舍。本文介紹了 Silicon Motion 開發(fā)的新架構(gòu)如何將高圖形性能、低延遲、高效數(shù)據(jù)壓縮和低功耗更好地結(jié)合在一起。

用戶不接受妥協(xié)

USB連接至HDMI或USB連接至DisplayPort 橋接設(shè)備(如 USB 擴(kuò)展塢)的可用性可讓任何 USB主機(jī)(如筆記本電腦)連接到任何顯示器(請(qǐng)參見圖1、2)。

例如，這意味著用戶有望與傳統(tǒng)的單機(jī)模式相同的方式，使用筆記本電腦以及通過擴(kuò)展塢連接的外接顯示器。用戶有望看到擴(kuò)展塢支持最高達(dá)UHD的高分辨率格式，并能夠支持雙顯示器輸出、筆記本電腦操作時(shí)沒有明顯的降速或影響。

但在這些情況的背后，USB連接至示器橋接執(zhí)行了各種復(fù)雜的功能。這些功能的實(shí)施越有效，用戶體驗(yàn)下降的風(fēng)險(xiǎn)越小。

尤其是，連接到擴(kuò)展塢的主機(jī)電腦必須實(shí)施壓縮算法，減少通過 USB 接口傳輸?shù)钠聊粌?nèi)容數(shù)據(jù)。擴(kuò)展塢或顯示器橋接設(shè)備在顯示器端重新解壓縮屏幕內(nèi)容(見圖 3)。此 壓縮過程是必要的，因?yàn)橹鳈C(jī)筆記本電腦和擴(kuò)展塢之間的單個(gè)USB通道不僅要傳輸屏幕內(nèi)容，還可能要傳輸以太網(wǎng)流量，以及其它USB 數(shù)據(jù)，如與打印機(jī)/掃描儀之間互發(fā)的信息。降低屏幕內(nèi)容數(shù)據(jù)的大小可留出更多空間用于 同時(shí)傳輸其它USB數(shù)據(jù)。

此壓縮過程必須符合兩個(gè)矛盾的要求，即將原始數(shù)據(jù)大小降至更小，同時(shí)盡可能降低主機(jī) CPU 負(fù)荷。眾所周知，過大的“CPU 負(fù)載”會(huì)影響主機(jī)的性能，使與顯示器無關(guān)的其它功能的運(yùn)行速度大幅降低，導(dǎo)致用戶會(huì)看到明顯的變慢。

目前片上圖形系統(tǒng)(SoC)制造商 Silicon Motion 開創(chuàng)的最新壓縮方法將出色的圖像質(zhì)量與極低的 CPU負(fù)載相結(jié)合。Silicon Motion 的內(nèi)容自適應(yīng)技術(shù) (CAT™) 系統(tǒng)(在基于 Windows、MacOS 或 Linux 操作系統(tǒng) 的電腦上運(yùn)行)利用了Intel 和 Nvidia 圖形芯片上硬件加速功能的優(yōu)勢(shì)。相比之下，其他 USB 圖形處理器 并沒有使用硬件加速執(zhí)行，因此其壓縮算法必須在整個(gè)軟件中運(yùn)行。

通過將大量的壓縮工作下放到硬件加速器，Silicon Motion 的 CAT 技術(shù)會(huì)運(yùn)行得更快，CPU的負(fù)載也會(huì) 減輕。正如下文將提到的，此技術(shù)將有助于 SM768 – 采用最新的 CAT 算法的首款 Silicon Motion 圖形處理器 – 實(shí)現(xiàn)極低的 CPU 負(fù)載。

CPU 負(fù)載取決于許多變量，包括要壓縮的圖形或視頻信號(hào)類型、主 CPU/圖形芯片、可用 RAM 量和操作系 統(tǒng)。但在壓縮 HD 視頻片段以在 Intel Core i5 芯片組 上通過 USB 傳輸?shù)诫p HD 顯示器的測(cè)試中，SM768 的 平均負(fù)載比競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備低 22%-32% 左右(見圖 4)。

盡管此負(fù)載較低，但由于CAT系統(tǒng)采用智能壓縮方法，因此獲得了高質(zhì)量的圖像：此方法能夠區(qū)別不同 類型的內(nèi)容，并對(duì)每種類型應(yīng)用適當(dāng)?shù)膲嚎s技術(shù)：

l 圖形和 3D 圖像通過高壓縮率 MJPEG 編解碼器進(jìn)

l 行處理

l 文字通過 Silicon Motion 開發(fā)且擁有專利的無 損協(xié)議進(jìn)行壓縮

l 視頻以其原始?jí)嚎s格式(如 MPEG4)傳輸

在 SM768 中，顯示器端執(zhí)行的解壓縮由設(shè)備的架構(gòu) 啟用：它被配置為圖像 SoC，而不是純圖形處理器， 因?yàn)樗鼘?Arm® Cortex®-R5 CPU 核心與擁有專利的 圖形和顯示引擎結(jié)合在一起。Arm CPU 能夠處理解壓縮的協(xié)調(diào)以及運(yùn)行 USB 協(xié)議棧，因此它 可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供 USB 連接至顯示器橋接完整的 單芯片解決方案。

低功耗性能的重要性

SM768 集 CAT 功能的效率、低功耗 ARM Cortex-R5 核心以及精巧的圖形和顯示引擎于一身，運(yùn)行速度快且功耗低。

高速運(yùn)行對(duì)全HD幀產(chǎn)生 <16ms 的低延遲。此延遲對(duì)人眼而言是看不見的。與 Microsoft 的建議類似的測(cè)試設(shè)置顯示了原來的顯示器連接和通過 SM768 圖 形 SoC 連接的顯示器(見圖 6)：兩臺(tái)顯示器同時(shí)顯示相同的幀。

此高速運(yùn)行在低功能情況下進(jìn)行：當(dāng)通過 USB 3.0 連接將兩臺(tái)全HD或單臺(tái)4K 顯示器橋接到主機(jī)設(shè)備時(shí)，SM768 的功耗 <2.5W。此低功耗非常重要：首先， 它可讓橋接系統(tǒng)利用USB電源工作而無需外部電源。

其次，SM768的高效運(yùn)行意味著它在運(yùn)行中無需散熱器，這可讓OEM廠家設(shè)計(jì)出非常緊湊、易于攜帶的一些產(chǎn)品(如 USB 外置顯示設(shè)備)。SM768本身是一個(gè)非常小的BGA芯片，只有 19 毫米 x 19 毫米大小。同時(shí)提供內(nèi)置 256MB DDR3 DRAM 的型號(hào)，以節(jié)省甚 至更多的空間。(SM768 芯片支持最高 1GB 的外置 DRAM。)

適用于 USB 連接至顯示器橋接的全面系統(tǒng)解決方案

與競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備相比，SM768 圖形 SoC 提供超低的主 CPU 負(fù)載，取得完美的用戶體驗(yàn)。這受益于CAT 壓縮功能提供的杰出圖像質(zhì)量、雙顯示器模式中的低延遲、低功 耗和緊湊尺寸。

Silicon Motion 選擇的架構(gòu)還可讓 OEM 廠家只需幾個(gè)外部組件即可實(shí)現(xiàn)完整的擴(kuò)展塢和其它產(chǎn)品設(shè)計(jì)。USB、CAT軟件及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可在 SM768 中運(yùn)行。該設(shè)備還提供了四個(gè)USB 2.0 通道，用于連接人機(jī)接口設(shè)備(HID)，如無線鍵盤、鼠標(biāo)、加密器以及打印機(jī)。

這解釋了此產(chǎn)品能夠支持最新的擴(kuò)展塢和 USB 外置設(shè)備設(shè)計(jì)的方式，為家庭、辦公室、商店和工廠中各類計(jì)算設(shè)備帶來更大的靈活性、易用性和便攜性。

另外值得注意的是，部分 SM768 設(shè)備還提供了 PCI-e 接口以配合其它類型的主機(jī)使用，讓 OEM 廠家能夠?yàn)閁SB市場(chǎng)和其它應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)設(shè)計(jì)。