智能座舱架构与芯片- (7) 显示篇 下
5.3 DP/eDP
DisplayPort是由PC及芯片制造商联盟开发，由VESA(视频电子标准协会)所标准化发布的数字视频接口标准。该接口免认证、免授权金，主要用于视频源与显示器等设备的连接，并也支持携带音频、USB和其他形式的数据。
此接口的设计是为取代传统的VGA、DVI和FPD-Link（LVDS）接口。通过主动或被动适配器，该接口可与传统接口（如HDMI和DVI）兼容。
eDP(Embedded DisplayPort) 协议是针对DP（Display Port）应用在嵌入式方向架构和协议的拓展，所以eDP协议完全兼容DP协议。相对于DVI/HDMI来说，eDP具有高带宽、整合性好、相关产品设计简单，该接口已广泛应用于笔记本电脑、平板电脑、手机等其它集成显示面板和图像处理器的领域。
DP的系统架构：
DP由Source端和Sink端组成。其中Source端为图像发送端，一般是GPU等产生图像的设备。Sink端为播放端，一般为显示屏等设备。
eDP的系统架构：
DP与eDP的区别在于：
DP与eDP的主要区别，首先是DP可以通过有线线缆进行长距离(>2m)传输，用于设备之间的视频数据传输。而eDP一般用于板级，设备内部的视频数据传输。其次，由于接口外置，DP一般要求具备数字内容保护功能，即HDCP；而对于eDP来说，由于接口不外露，因此HDCP功能是可选的，几乎很少使用。
从系统架构图中可以看出，DP/eDP均需要包含3个主要组件：
- Main-Link：
主链路是一个单向、高带宽、低延迟的信道，用以传输诸如未压缩的视频和音频的同步数据流。注意Main-Link可以为1 Lane，2 Lane或者4 Lane。其中每一lane是一对差分信号线。
每一条Lane上所传输的数据为8b10b编码，即8bit的数据源在TX端会被encoder，扩展为10bit，其中嵌入了时钟信息。在RX端进行decoder后，恢复为8bit编码的原始数据。因为这样的设计，在长距离的传输中，才能有更好的EMI电磁兼容性设计。同时，在数据Lane的传输中已经自带时钟信息，无需再额外使用一对时钟信号线。
由于Main link的这个特性，因此在每次启动DP传输之前，或者当检测到传输过程中发生错误之后，均需要启动一个Link training的过程。这个training主要是对连接器以及线缆上的信号损失进行补偿，以确保无错误的数据传输。
Training的过程将通过AUX CH来进行，当Source端检测到HPD信号时，认为有sink插入，即会启动DP training。
注：DP2.0协议时，将8b/10b编码改为了128b/132b编码，带宽利用率更高
下图是一个DP2.0 的Link training 流程示意图：
2. AUX CH：
Aux channel是一对半双工的双向数据通道，它被用来进行链接管理和设备控制等。
在Aux Channel 上传输的是自带时钟信号的曼切斯特编码，因此不需要传输时钟信号线。如下图所示：
从图上可见，第一个时钟周期检测到下降沿(从H到L)，信号为1；第二个时钟周期检测到上升沿(从L到H)，信号为0，以后类推。
3. HPD
Hot Plug Detect，一根单独的信号线，用来从Sink端向Source端发出中断，通知Sink设备已经插入。下图为一个DP系统的示意图：
DP的传输协议
从DP传输分层架构来看，Link层提供三种服务分别是Isochronous Transport Services、AUX CH Device Services和AUX CH Link Services，其中Isochronous Transport Services主要是对于传输的音视频数据进行格式的打包填充，AUX CH Device Services主要用来管理源端和接收端的设备，比如读取EDID信息。AUX CH Link Services主要是对链路的维护配置，保障链路的正确建立，确保接收端和发送端时钟同步，确保main link上的数据准确传输。
这三种服务在Stream Policy Maker和Link Policy Maker的策略指挥下进行“服务”，受Policy Maker的控制。
PHY层主要负责发送/接收数据。
在接收端设备中，有着显示端口配置寄存器，里面的配置数据（DPCD）描述了DPRX的功能，就像EDID描述了接收端显示器的的功能一样。 Link and Stream Policy Makers分别管理Link和Stream。
在Main link的数据传输中，按如下的格式进行组包发送：
这里面要注意的是SDP，SDP是Secondary Data Packet的含义。在DP协议中，SDP被用来传输如下的信息：
(1) CEA-861-F INFOFRAME SDP
(2) Audio_Stream SDP
(3) Audio_TimeStamp SDP
音频数据将从SDP数据包中进行发送。在DP协议的文档中，非常详细的描述了SDP的类型，以及各种传输包结构。有兴趣的话可以自行查阅，本处不再赘述。
SS和SE信号之间传输的是SDP包。在BE和FS信号之后，开始传输实际的像素点数据，直至FE信号结束。其中FS代表Fill start，FE代表Fill End。
DP的传输带宽
DP可以传输16,18,24bit R'G'B', YUV444, YUV422等格式的视频流信号。并且采用8b/10b的编码格式。因此在计算显示器所需的带宽速率时，需要考虑到这些因素的影响。同时还要考虑blanking的影响，采用Htotal*Vtotal来计算。下表是一个不同版本DP的理论物理带宽和有效带宽规格：
对于一个4K@60fps的视频传输要求，如果采用24bit 的RGB格式传输，它所需要的带宽为：
- 分辨率: 3840×2160（Htotal=3920、Vtotal=2222）
- 刷新率: 60Hz
- 色彩深度: 8bit
- 色彩格式: RGB 24bit（RGB： 8乘以3，YC422： 8乘以2，YC420：8乘以1.5）
将以上四个相关参数乘起来，即可得到所需带宽：
3920 * 2222 * 60 * 8 * 3 = 12,542,745,600(12.543Gbps)
如果DP不能提供足够的带宽，也可以将24bit RGB转换为YUV422 色彩格式进行传输，此时所需要的带宽就变成：
3920 * 2222 * 60 * 8 * 2 = 8,361,830,400 (8.362Gbps)
通过查找下表，即可得到满足要求的DP有效带宽。即DP v1.2以上，4-lane传输可以满足4K@60fps要求。如果DP只能支持到V1.0，那么必须采用YUV422格式进行传输才可以。
5.4 DSI
DSI是MIPI联盟定义的，位于移动应用处理器与显示模组之间的高速串行接口。所谓的MIPI，也就是Mobile Industry Processor Interface的缩写，移动行业处理器接口。显而易见，MIPI-DSI原来是为移动应用处理器所设计的，它广泛应用于手机，平板电脑等产品上。由于高通等原手机芯片厂商纷纷进军智能座舱市场，因此目前在汽车座舱内，也需要考虑如何支持DSI接口。最常见的使用情况，是从AP输出DSI信号，通过串行解串器，在显示屏端以OLDI或者eDP的方式接入。
DSI 分层结构
DSI分四层，对应D-PHY、DSI、DCS规范、分层结构图如下：
- PHY 定义了传输媒介，输入/输出电路和和时钟和信号机制。
- Lane Management层：发送和收集数据流到每条lane。
- Low Level Protocol层：定义了如何组帧和解析以及错误检测等。
- Application层：描述高层编码和解析数据流。
Command和Video模式
DSI兼容的外设支持Command或Video操作模式，用哪个模式由外设的构架决定。
Command模式是指采用发送命令和数据到具有显示缓存的控制器。主机通过命令间接的控制外设。Command模式采用双向接口。
Video模式是指从主机传输到外设采用时实象素流。这种模式只能以高速传输。为减少复杂性和节约成本，只采用Video模式的系统可能只有一个单向数据路径。
DSI系统框图
以上架构主要描述的是手机等移动设备内部采用MIPI-DSI D-Phy 接口的传输连接方式(如果是C-Phy，则物理层架构与D-Phy不同)。一个DSI port，具有一对时钟传输线，2对或者4对数据传输线。分别称为2-lane或者4-lane。如下图，D-phy的结构显示了一对clock lane，再加上2对数据lane的连接情况。
MIPI DSI是按帧的结构来传输数据的，每一帧或者是固定4字节(短帧)，或者是可变长度帧(长帧)。其中每对数据lane上均以SoT(Start of Transmission)字节为开始，以EoT(End of Transmission)字节为结束。然后按字节进行逐个传输。以2对data lane为例，传输方式参见下图：
DSI上传输的长帧结构如下图所示：
Packet data中，由多个RGB数据包所组成，每个RGB数据包如下图所示：
六、显示屏应用
6.1 仪表屏
仪表屏(Instrument Cluster) 是车内唯一需要考虑功能安全Functional Safety(Fusa)的显示设备。在传统燃油车时代，仪表盘为用户提供的信息主要有：汽车时速，发动机转速，油量信息，灯光状态信息，各种安全告警状态图标等。这其中，安全告警状态图标在是需要满足ASIL-B级别的功能安全需求的。通常把这些安全告警图标称为"telltale"。
为了让"telltale"达到ASIL-B级别的Fusa标准，需要在智能座舱SOC的显示系统上进行相关的处理。并且根据ISO-26262的规范要求，处理telltale 事件的全链路要求达到ASIL-B标准。这其中包括安全信息的初始来源，安全信息传输到SOC的通道，SOC如何生成对应的告警图标，SOC如何显示对应的告警图标，如何对比检测图标与原始安全信息是否匹配，没有发生错漏，这是仪表屏需要特别注意的。这其中，既包括了硬件设备，也包括了软件系统。例如生成telltale信息的操作系统是否满足ASIL-B级别要求？
6.2 中控屏
中控大屏也称为信息娱乐屏 ICS(Instrument Central Screen)。在智能车时代，中控大屏已经是必不可少的设备，它是用户控制全车设备，了解汽车状态，进行娱乐的最重要入口，是“第二空间”的必要载体。
在技术上，中控大屏并没有特别的要求，一般来说需要满足如下条件：
屏幕尺寸：中控大屏尺寸有 8、10、11.3、12.3、12.8、14、15、17、17.7 多种。其分辨率一般都要求在1080P以上。例如宝马i4，iX的中控屏为14.9英寸，分辨率2880*1080，像素密度达到206ppi；再比如蔚来ES8，其中控液晶屏尺寸为11.3英寸，分辨率为1400*1600，像素密度188ppi。关于刷新率，至少要求达到60Hz。90Hz应该是很快就可以达到量产条件。只有在这样的分辨率，刷新率，以及屏幕尺寸的条件下，车载娱乐系统才能取得类似于手机，平板等消费类电子的体验效果。
触摸屏：在智能车时代，大量的实体按键被取消，其功能均被集成到中控大屏上。这时就需要良好的触控来提升用户的体验。我们很难设想一个用户在中控屏上使用触摸功能时，等待半天才能得到反馈信息。在技术上，既要求中控屏能提供反应灵敏的触摸功能，又要求智能座舱SOC能提供足够快速的中断响应和处理能力。
远距离传输：在车内，中控屏与智能座舱SOC之间的距离有时可以长达10米以上。如果既要保证足够的数据处理能力(分辨率*刷新率)，又要满足车载环境的要求，那么就一定要考虑Serdes传输线缆如何布置。
IC与ICS的融合：目前一部分新能源车，已经开始逐步取消了IC仪表显示屏。它们把相关的显示内容，都整合到中控大屏上，划出一块特定的区域，来显示相关的信息。这里需要注意的，主要是telltale功能如何整合到ICS屏上，如何能保证ICS屏中显示telltale图标满足ASIL-B功能。
6.3 抬头显示
HUD（ Heads Up Display）抬头显示系统，作为一种综合电子显示设备，可以将车辆的信息，如车速、油耗、发动机转速、导航等，投影到前挡风玻璃上或其他显示介质上，供驾驶者查看，从而减少驾驶者因低头或视线转移而带来的安全隐患。
其原理为将像源显示的图像信息通过透镜或反射镜系统进行放大，再通过风挡玻璃反射至驾驶员的眼部活动区域，即眼动范围或眼盒（Eyebox），在风挡玻璃前方一定距离上形成虚像，从而将仪表、中控信息更直观地展示在人眼的正前方。
根据HUD的成像方式和显示内容，目前车载HUD主要分为以下三类：
C-HUD （Combiner HUD ） ：C-HUD常见于后装市场，其会在汽车仪表盘上方，加装一个半透明的树脂板，并将该树脂板作为投影介质。通过一个半反半透的曲面反射镜将像源的显示图像放大，在前方投影出一个虚像。C-HUD布置灵活，但其缺陷主要是视场角、虚像尺寸和投影距离都较小，而且重影现象比较明显，整体体验较差，并且技术上不容易解决，或将被逐渐淘汰。
W-HUD （Windsheild HUD ）：可以直接将图像投影至车辆前挡风玻璃，可以支持更大的成像区域和较远的投影距离。W-HUD 的劣势在于，挡风玻璃通常为曲面反射镜，W-HUD必须根据挡风玻璃的尺寸和曲率去适配高精度曲面反射镜，因此成本相对较高，主要应用于中高端车型，目前正在向中低端车型普及。
AR-HUD （Augmented Reality HUD ） ：它与W-HUD一样采用前挡风玻璃为成像介质，但AR-HUD应用了增强投影面技术，其视场角（FOV）大于10°、成像距离（VID）大于7米，所能呈现的信息更丰富。AR-HUD需要通过智能驾驶的传感器(摄像头，雷达等)，对前方的路况进行建模和解析，以得到对象的位置，距离，大小等要素，再把HUD显示的信息精准地投影到对应位置。AR-HUD可将投射信息与交通环境进行高度融合，例如行驶过程中的车道线贴合，前方障碍物/危险物贴合，车道偏离预警等。
AR-HUD整体显示效果出众，是智能驾驶和智能座舱的重要组成部分。
目前AR-HUD的缺点是体积较大，在整车上布置较为困难。同时技术还不够成熟，其显示效果，获取的信息精度还有待提升。
三代HUD对比
HUD的结构
从结构组成上来看，HUD主要是成像、光学投影以及软件三大块。
成像：
HUD的成像主体是影像源，被称之为PGU（Picture Generation Unit，即图像生成单元）。目前主流的PGU方案分为四种，TFT、DLP、LCOS、LBS。
- TFT，即TFT-LCD，是采用液晶显示面板透射成像。该方案是业界最早开发的投影方案，方案成熟。其原理是利用液晶显示面板透射成像，透过背光照明，液晶挡住了大部分光，所以亮度不够，且产生大量热量。
- DLP即Digital Light Processing的缩写。DLP 是美国德州仪器的专利技术，通过集成了数十万个超微型镜片的 DMD（Digital Micromirror Device）将强光源经过反射后投影出来。相较于 TFT 成像技术，DLP 不需要液晶偏光片，而是采用 DMD 反射式投影，减少亮度损失。DLP 技术产生的图像分辨率高，对比度高，成像逼真，但成本较高。
- LCOS（Liquid Crystal on Silicon），即液晶附硅，也叫硅基液晶，是一种基于反射模式，尺寸比较小的矩阵液晶显示装置。这种矩阵采用CMOS技术在硅芯片上加工制作而成。LCOS 技术使光源经过分色镜后投射至三片 LCOS 面板，再通过合光系统形成影像。LCOS 在分辨率、亮度、色彩等方面有优势。
- LBS，即Laser Beam Scanning，激光投影扫描。是将RGB三基色激光模组与微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）结合的投影显示技术方案。它以激光作为光源，通过 MEMS微振镜形成投影，具有组件小、能耗低、亮度高、视场大的优点，但是成本很高，激光二极管对温度较敏感，不能达到 85℃的工作要求，因此激光扫描投影暂未大规模应用于车载 HUD。
光学投影
光学投影是将PGU发出的光线放大再投影至风挡玻璃，也就是在上面的AR HUD简图中的两次反射部分——一块固定反射镜以及一块自由曲面反射镜。目前HUD整机的体积主要就是来源这个光学投影部分。
图片来源：佐思汽车研究
软件
软件部分主要包括AR生成器、车载地图、导航系统、语音系统等。 其中，AR生成器（ARCreater）是一整套AR显示的软硬件解决方案，是通过数据及空间坐标融合，将虚拟信息渲染到实景画面中，从而形成虚拟信息和实景信息融合显示的效果。 具体来看，AR 生成器需要融合以下这些数据：
- 道路元素的识别数据，通过图像深度学习的卷积神经网络产生识别模型，对前方实景感兴趣范围（ROI）进行扫描识别，获取车道线、车辆、行人、非机动车、交通标志、红绿灯等道路物体的空间坐标；
- AR导航信息，导航的路线信息包含转弯、距离、时间等，以及导航指示信息如路况、路口可通行车道信息、沿途POI、电子眼等信息；
- 其他信息，车身运行信息如车速、转速、水温、电压、胎压监控、盲区提示、ACC等信息；多媒体信息，如来电、蓝牙、FM等信息。
AR HUD 不仅要融合来自导航和 ADAS 系统的信息，还要考虑到精确定位、时间戳、3D 渲染、UI/UX，还要有提前预测的功能，以便于给司机提供更准确和有效的提示信息。
参考文献
- HDMI 接口介绍_hdmi接口定义_PopuIar FeeIing的博客-CSDN博客
- FPGA学习日记（六）HDMI协议
- DisplayPort 2.0 解析_Sink
- 【转载】Display Port概述以及应用
- MIPI DSI协议简介|极客笔记
- VESA DSC简单解析_vesa dsc pps_Odysseus_Arky的博客-CSDN博客