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。
- 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。
- 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。
- 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：
- 以VConn Power供电给Active cable
- 决定Active cable方向性的方法
- 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
- 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。
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
