智能座舱架构与芯片- (6) 显示篇 上
一、概述
在智能座舱的发展历程中，显示屏的个数越来越多，分辨率和显示屏的尺寸也越来越大。这已经是不可逆转的趋势。传统的座舱显示屏需要一颗主芯片支持一块屏幕，这在功能上和成本上都不是很好的做法。最新的智能座舱解决方案中，一芯多屏是必须要支持的功能，区别在于采用什么样的技术途径。本章节将主要讲述智能座舱中显示子系统的硬件相关技术。如下图所示，智能座舱内部所需要支持的显示屏包含这些：
- 仪表盘显示屏IC(Instrument Cluster)
- 副驾信息娱乐屏(Passenger Infotainment Screen)
- 中控娱乐屏ICS(Instrument Central Screen)
- 抬头显示器HUD(Head Up Display)
- 后座控制屏RCP (Rear Control Panel)
- 后座娱乐屏 (Rear infotainment Screen)
- 仪表屏和副驾屏
- 中控娱乐屏
- HUD
- 后排娱乐屏
- 后排控制屏
二、座舱显示架构
根据最新智能座舱发展的趋势来看，车载显示屏硬件技术需要支持一芯多屏。使用一颗CDC座舱芯片，要尽可能地满足如上所述多个显示屏的显示要求。这样一来，可以尽可能地节省成本和功耗。将原来需要多颗芯片才能支持的屏幕功能，尽量集成到一颗高性能的SOC芯片上来，是当前智能座舱发展的客观需求。
一种符合智能座舱CDC一芯多屏需求的车载显示屏的基本架构如下图所示：
根据上图所示，可以看到，智能座舱CDC的显示子系统包括如下技术：
三、显示屏原理
本节将简要介绍显示屏的基本原理。
显示屏控制系统主要包含2大类芯片，一个是负责驱动显示屏，实现行列显示的驱动芯片，称为DriverIC。另一个是负责控制DriverIC的任务分发和控制芯片，称为TCON(时序控制)。
显示驱动芯片DriverIC，是显示屏成像系统的重要组成部分，其主要工作是驱动显示屏的像素点实现点亮或者关闭，并控制光线强度和色彩等。
显示驱动芯片分为源驱动器（Source Driver）和门驱动器（Gate Driver）。Gate Driver：连接至晶体管Gate端，负责每一行晶体管的开关，扫描时一次打开一整行的晶体管；所以也称为Row drivers。Source Driver：连接到晶体管的source端。当一行晶体管被Gate driver打开(ON)时，Source Driver IC才能够将控制亮度、灰阶、色彩的控制电压加载到这一行的每个像素点上。因此，Source Driver也称为Column Driver。
DriverIC在显示屏中的结构可以参见下图所示：
时序控制芯片TCON(Timing Controller) 是显示屏模组的主控芯片。它主要负责分析从CDC SOC传来的信号，并拆解、转化为Driver IC可以理解的信号，再分配给Source/Gate driver去执行。
下图是一个典型的eDP TCON接口系统。SOC通过eDP通道，将显示数据传送到eDP TCON芯片中。
TCON有2个主要功能：
- 接收来自SOC的eDP信号；
- 产生行(送给row drivers)和列(送给column drivers) 显示信号，并按规定好的时序发送到Row/Column Driver IC上；
在T-CON与Gate/Source之间的信号传输以前是以LVDS为主，现在比较流行的则是LVDS的升级版，主要是mini-LVDS（by德州仪器）和RSDS（ReducedSwing Differential Signaling by国家半导体）。这两种规格现在也渐渐落后了，取而代之的是Advanced PPmL(Point to Point mini LVDS)以及V-by-One HS的配套标准CalDriCon。所以在T-CON处需要有一个输出mini-LVDS/RSDS/CalDriCon/Advanced PPmL信号的Transmitter，而在Source/Gate IC那里则需要有相应的Receiver。
当收到信号后，Row Drivers逐行打开晶体管；而Column Drivers则将不同级别的电压加在这一行的每一列像素点上，从而实现像素点的色彩，亮度区别。
TCON芯片实现的难点在于，根据显示屏分辨率和刷新率的不同，需要产生满足时序的行列信号，给到Source/Gate Drivers。分辨率越大，需要显示的像素点就越多；刷新率越高，则要求TCON产生刷新数据的时序越快。并且对Gate/Source Drivers和LCD像素点改变状态的延时要求也越高。 当分辨率和刷新率两个结合起来时，要求TCON处理的数据量越来越多，所产生的行列时序信号也就要求越高。
下图是一个eDP接口的LCD显示系统示意图。可以看到来自GPU的显示数据，通过eDP接口传输到LCD屏上的TCON芯片中(如果距离过长需要增加SerDes通道)。eDP ML Receiver将eDP数据送给Pixel Formater模块，产生行(Gate)和列(Source)显示信号。Row / Column Drivers 接收来自LCD Interface的信号(mini-LVDS/RSDS/CalDriCon/Advanced PPmL)，并实现LCD屏的显示刷新。
在高清电视或者车载显示屏方案中，每块屏幕都需要一颗TCON芯片。如果屏幕尺寸扩大，则Driver IC的需求数量大幅增加。如下图，分别需要12颗Source Driver和8颗Gate Driver，另外还需要两颗PMU（电源管理芯片）及3颗Vcom（电压校准芯片）
上面说的都是显示器的情况，手机则稍微有点不同。手机因为各种芯片的功能更加集中，CPU/GPU等相当于电脑主机的芯片都集中在了应用处理器AP(ApplicationProcessor)，而DDIC也是一个芯片集合了所有的功能。所以信息从AP出来以后以后会直接通过MIPI DSI接口进入DDIC，而DDIC直接就可以控制TFT了，不需要那么多的接口。
以上内容，介绍了显示屏的主要原理，那么接下来就要了解AP与显示屏之间有哪些接口技术。
四、显示接口溯源
如果需要将显示数据从SOC主芯片传送到显示屏并完成显示，需要2大类显示接口技术。一种是从CDC SOC到TCON的显示接口，另外一大类则是从TCON到Gates/Sources 。后者主要在显示屏内部，由显示屏厂商实现。前者则需要考虑得更多，因为需要兼容不同的SOC，它们对显示接口技术的选择，影响了TCON的输入标准。
虽然本文主要讨论的是车载显示接口，但这些显示接口技术的历史来源主要是基于2大应用场景：电视机或者个人计算机。因此，我们将首先回顾一下数字视频接口技术的发展，与车载环境相关性不大的将会被省略。
- LVDS：
最早由National Semiconductor(国家半导体公司，后被德州仪器收购)提出，基于LVDS(Low-Voltage Differential Signaling 低压差分信号)技术，将并行的数字视频信号转为串行传输。它的每一对LVDS差分信号线传输的是7bit数据。如果要传输RGB666，需要使用4对LVDS差分线。基于LVDS技术的传输接口标准主要有OpenLDI，FPD-Link，DP(Display Port)/eDP等；
- TMDS：
最早由Silicon Image(现在已经被Lattice Semiconductor收购)所研发的技术解决方案，称为TMDS (Transition-Minimized Differential Signaling)。这个技术和LVDS在物理层面上有些相像，但是在通信协议上则完全不同，它采用了IBM的8b/10b的编码方式，可以减少信息的错误的产生并支持更长的线缆长度。在传输RGB888 的图像信号时，它首先将一路8bit并行信号(R/G/B分量分别为8/8/8bit)串行化为10bit输出，然后在接收端再解串，将10bit转换为8bit。
TMDS前8位数据经过编码后，第9位接编码方式，第10位作用是DC均衡。
一条TMDS信号通道传输8位数据，传输R'G'B'数据需要三条TMDS信号通道，另外还需要一条时钟通道。每一个通道其实也是一对差分信号线。
基于TMDS的传输接口标准主要有DVI，HDMI，DFP等。
- MIPI DSI：
与LVDS或者TMDS不同，MIPI DSI主要用于手机等移动设备的显示屏接口。MIPI的全称是(Mobile Industry Processor Interface Alliance)，它是2003年由ARM、英特尔、诺基亚、三星、意法半导体和德州仪器共同创立的一个全球的开放组织，其主要目的就是发展移动生态环境的接口标准。经过十几年的发展，目前在全球已经有250多个会员公司，而且随着移动生态的发展，MIPI制定的标准已经进入到了人工智能、物联网、虚拟与增强现实、汽车、照相机、工业电子与医疗设施等等领域。
MIPI将接口的物理标准与其传输协议分开定义。目前MIPI规定了三种物理标准，分别是M-PHY、D-PHY和C-PHY。其中M-PHY传统上是用在当做芯片与芯片之间的高速数据传输，而D-PHY则被用来连接摄像头与主芯片组以及显示屏与主芯片组。后来MIPI又在D-PHY的基础上，发布了同样用途的C-PHY标准，可以算是对D-PHY标准的升级。
MIPI DSI(Display Serial Interface)是一个应用于显示技术的串行接口。它以串行方式向外围设备(实际上是液晶显示器)发送像素信息或指令，并从外围设备读取状态信息或像素信息。在传输过程中，它享有自己独立的通信协议，包括数据包格式和纠错检测机制。
- 总结
根据上述简要介绍，我们可以总结一下，可以使用在车载环境下的数字视频接口技术溯源如下图所示：
显示系统数字视频接口的规格为：
HDCP：High-bandwidth Digital Content Protection，高带宽数字内容保护。
EDID：Extended Display Identification Data，扩展显示标识数据。
DDC：Display Data Channel，显示数据通道。
DMT：Display Monitor Timing，显示器时序规范。
P&D：Plug and Display，即插即用。
DSC：Display Streaming Compression，显示流压缩技术，可以实现将Display数据进行压缩后再传输，以节省带宽，支持高清视频传输。最高可达3:1的压缩比率。
五、接口技术
5.1 OLDI
在讨论视频传输接口时，首先要了解视频数据格式。一般来说，可以有2种方法来表示每个像素的颜色。第一种是每个像素点用3种颜色来表示，分别是Red/Green/Blue，也就是3原色。如果每个颜色采用8个bit(1个字节)，则一个像素点需要3*8=24bit的存储空间。第二种是采用YUV分量的方式。YUV是编译true-color颜色空间（color space）的种类，Y'UV, YUV, YCbCr，YPbPr等专有名词都可以称为YUV，彼此有重叠。“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值，“U”和“V”表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。YUV的存储空间通常小于RGB格式，并且在容忍一定的数据损失前提下(人眼感知不到)，RGB与YUV色彩格式可以相互转换。
- 视频数据格式：
18位单像素R'G'B'：使用6位R'G'B'值，R5~R0，G5~G0，B5~B0。
24位单像素R'G'B'：使用8位R'G'B'值，R7~R0，G7~G0，B7~B0。
18位双像素R'G'B'：将两个像素表示为3个6位R'G'B'值高位/低位对；
RU5~RU0，GU5~GU0，BL5~BL0，RL5~RL0，GL5~GL0，BL5~BL0。每个高位/低位对表示两个像素。
24位双像素R'G'B'：将两个像素表示为3个8位R'G'B'值高位/低位对；
RU7~RU0，GU7~GU0，BL7~BL0，RL7~RL0，GL7~GL0，BL7~BL0。每个高位/低位对表示两个像素。
- OLDI传输
OpenLDI，LVDS链使用了8对串行数据线（A0~A7）和两个采样时钟线（CLK1和CLK2）。实际使用的串行数据线依赖于像素格式，串行数据率为7倍采样时钟频率。CLK2信号在双像素模式下用于与FDP链（一种高速数字视频接口）接收端后向兼容。
传输18位单像素R'G'B'时，OpenLDI串行线的A0~A2用于传输。
传输24位单像素R'G'B'时，OpenLDI串行线的A0~A3用于传输。
传输18位双像素R'G'B'时，OpenLDI串行线的A0~A2，A4~A6用于传输。
传输24位双像素R'G'B'时，OpenLDI串行线的A0~A7用于传输。
LVDS链支持使用32.5~160 MHz的视频采样率和时序。
如下图，为OpenLDI的LVDS链示意：
在传输显示数据时，OLDI实际上每一对差分线传输的是7bit的数据，因此一个时钟节拍内，4对差分线可以传输28bit的数据，其中包含24bit数据和3个bit的控制信号。如下图所示，D0+/- ~ D2+/-传输RGB666+DE+VS+HS，D3+/- 传输剩下的6bit RGB。因此3对差分线可以传输18bit RGB666，4对线可以传输RGB888。
在实际使用中时，TI的FPD-link可以支持将远距离传输的视频数据，在解串器端进行反串行化，输出RGB格式的数据。然后通过OLDI接口传送给显示屏。此时显示屏的TCON芯片同样采用OLDI接口输入数据。
5.2 HDMI
HDMI是基于TMDS技术发展而来的，它与LVDS在物理层上有些类似，同样也是采用差分线对来传输高速数据信号。但是它的编码方式与LVDS不相同，而是基本采用了IBM的8b10b编码方式。
下图说明了HDMI的传输架构：
8bit的数据在source经过TMDS encoder后得到10bit数据，经过serializer后串行输出；在sink端先进行复原成10bit的数据，再通过TMDS decoder得到8bit的源数据。
- 数据传输协议
HDMI采用1对Clock 线和3对数据线的方式来传输。其中Clock信号线传输的是Pixel同步时钟信号。数据线上，一共可以传输4种信号类型：
- Preamble（控制信息），主要用于控制接下来传输的数据是Data Island或者Video Data。图中，Preamble指CTL0,CTL1,CTL2,CTL3。它们占用channel1和channel2的D[1:0]通道，一共4bit；
- Data Island（数据包），各种类型的包信息，包括音频数据包，图像信息包等。在图中，它们占用3个channel的D[3:0]，一共10bit的数据输入。例如，Channel0的D[3:2]用于传输PacketHeader。Channel1和Channel2的D[3:0]用来传输Auxiliary Data 包，如Audio 音频数据，图像分辨率和格式信息等。
- Video Data （视频信息），视频像素数据，HDMI可以传输RGB与YUV两种格式的像素数据。在图中，它们占用了3个Channel的D[7:0]，一共24bit的数据输入。
- Hsync和Vsync，通过channel0的D[1:0]来传输：
如果传输的是Video Data，并且格式为RGB，那么会占用三个通道的所有24bit输入，Channel0[7:0]用于传输B，Channel1[7:0]用于传输G，Channel2[7:0]用于传输R。
如果传输的是Data Island，则占用三个通道共10bit输入，Channel0[3:2]用于传输Data Island Header（包头），Channel1[0:3]与Channel2[0:3]用于传输Data Island Content（包内数据）。
如果传输的是Preamble，则占用1，2两个通道共4bit输入，Channel1[1:0]与Channel2[1:0]分别为CTL0,CTL1,CTL2,CTL3，用于判断接下来输入的是Video Data或者Data Island
对于Hsync与VSync，会占用Channel0通道的两个bit输入，Channel0[0]为Hsync，Channel0[1]为Vsync
- 传输周期
HDMI的TMDS数据传输可以分为三个传输周期：
- Control Period期间会传输Hsync，Vsync，并且在该时期的最后阶段会传输Preamble
- Data Island Period期间会传输Data Island（数据包），也会有Hsync与Vsync
- Video Data Period期间会传输Video Data（视频像素数据）
某帧的总体周期如下：
三个传输周期的过渡如下：
- 有效传输带宽
根据上面的描述，HDMI所传输的有效数据，要小于物理层提供的高速传输带宽。除了8b10b编码的损失之外，还有3个传输周期的切换所造成的损失。有效的图像传输带宽为：(720*480) / (858*525) * (8/10) = 345600/450450 * 8/10 = 61.3%；
参考文献
- 高兴：显示器都有哪些内外部接口，他们之间有什么区别和联系?超级详细！——节选自《高兴说显示进阶篇之三》
- 段宏达：Chapter 6 数字视频接口——消费分量接口
- 显示器的 VGA、HDMI、DVI 和 DisplayPort 接口有什么区别？