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慧荣科技(Silicon Motion) 图形显示 SoC

2018-03-29

  实现 4K 高清显示及低功耗

  功耗和带宽:

  将任何电脑桥接到任何高清显示器的解决方案的两大挑战

  从设计和配置目前办公空间、零售店、酒店运营和工厂的趋势来看,该方案比以往更具移动性和灵活性。 这对提供各类设备显示器接口具有重要作用。尤其是 用户和雇主需要通过 USB 连接到便携式或共享显示器的设备。

  USB(通用串行总线),名符其实,在计算设备(如笔 记本电脑、平板电脑和智能设备)中得到普遍使用。 虽然笔记本电脑或平板电脑可能不包含目前所有显示 器接口(如 HDMI、VGA、DVI 和 DisplayPort),但 它始终提供一个或多个USB 接口。因此 USB 连接至显 示器桥接设备可让任何电脑连接到任何显示器。

  这使得显示器的安排变得相当灵活。原先办公室职员 的桌面有一台连接到自己的显示器的电脑,现在公司 可通过 USB 扩展坞或 USB 外置设备为移动员工将任 何笔记本电脑连接到任何可用的台式显示器。

  在工厂自动设备领域,OEM 厂家可通过使用USB端口连接任何便携式 USB 显示器来更换专用的嵌入式显示器,降低尺寸和产品成本。

  在零售领域,可通过一根USB线将两台USB显示器(一台面向电脑,一台面向售货员)连接到销售终端。只需一根USB线即可传输电力、数据和图形,提供更 简单和更小的方案,替代VGA、DVI 或HDMI 接口的使用,并成为各显示器的外部电源。

  市场上有多种图形处理器芯片可以将USB图像输入转换成高清标准输出接口(如HDMI或DisplayPort)。但这些产品都面临相同的挑战:

  l如何保持最小的图形、视频和音频内容通过USB接口进行传输而不会在运行压缩算法时使主机CPU 负荷过重;

  l如何保持足够的低功耗以使USB 显示设备无需外接电源可驱动显示输出。

  不同的架构以不同的方式平衡不可避免的取舍。本文介绍了 Silicon Motion 开发的新架构如何将高图形性能、低延迟、高效数据压缩和低功耗更好地结合在一起。

  用户不接受妥协

  USB连接至HDMI或USB连接至DisplayPort 桥接设备(如 USB 扩展坞)的可用性可让任何 USB主机(如笔记本电脑)连接到任何显示器(请参见图1、2)。

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图 1:扩展坞提供了高清显示输出和 USB 接口用于鼠 标、键盘和其它外设

  例如,这意味着用户有望与传统的单机模式相同的方式,使用笔记本电脑以及通过扩展坞连接的外接显示器。用户有望看到扩展坞支持最高达UHD的高分辨率格式,并能够支持双显示器输出、笔记本电脑操作时没有明显的降速或影响。

  但在这些情况的背后,USB连接至示器桥接执行了各种复杂的功能。这些功能的实施越有效,用户体验下降的风险越小。

  尤其是,连接到扩展坞的主机电脑必须实施压缩算法,减少通过 USB 接口传输的屏幕内容数据。扩展坞或显示器桥接设备在显示器端重新解压缩屏幕内容(见图 3)。此 压缩过程是必要的,因为主机笔记本电脑和扩展坞之间的单个USB通道不仅要传输屏幕内容,还可能要传输以太网流量,以及其它USB 数据,如与打印机/扫描仪之间互发的信息。降低屏幕内容数据的大小可留出更多空间用于 同时传输其它USB数据。

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  此压缩过程必须符合两个矛盾的要求,即将原始数据大小降至更小,同时尽可能降低主机 CPU 负荷。众所周知,过大的“CPU 负载”会影响主机的性能,使与显示器无关的其它功能的运行速度大幅降低,导致用户会看到明显的变慢。

  目前片上图形系统(SoC)制造商 Silicon Motion 开创的最新压缩方法将出色的图像质量与极低的 CPU负载相结合。Silicon Motion 的内容自适应技术 (CAT?) 系统(在基于 Windows、MacOS 或 Linux 操作系统 的电脑上运行)利用了Intel 和 Nvidia 图形芯片上硬件加速功能的优势。相比之下,其他 USB 图形处理器 并没有使用硬件加速执行,因此其压缩算法必须在整个软件中运行。

  通过将大量的压缩工作下放到硬件加速器,Silicon Motion 的 CAT 技术会运行得更快,CPU的负载也会 减轻。正如下文将提到的,此技术将有助于 SM768 – 采用最新的 CAT 算法的首款 Silicon Motion 图形处理器 – 实现极低的 CPU 负载。

  CPU 负载取决于许多变量,包括要压缩的图形或视频信号类型、主 CPU/图形芯片、可用 RAM 量和操作系 统。但在压缩 HD 视频片段以在 Intel Core i5 芯片组 上通过 USB 传输到双 HD 显示器的测试中,SM768 的 平均负载比竞争设备低 22%-32% 左右(见图 4)。

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  尽管此负载较低,但由于CAT系统采用智能压缩方法,因此获得了高质量的图像:此方法能够区别不同 类型的内容,并对每种类型应用适当的压缩技术:

  l图形和 3D 图像通过高压缩率 MJPEG 编解码器进

  l行处理

  l文字通过 Silicon Motion 开发且拥有专利的无 损协议进行压缩

  l视频以其原始压缩格式(如 MPEG4)传输

  在 SM768 中,显示器端执行的解压缩由设备的架构 启用:它被配置为图像 SoC,而不是纯图形处理器, 因为它将 Arm? Cortex?-R5 CPU 核心与拥有专利的 图形和显示引擎结合在一起(见图 5)。Arm CPU 能够处理解压缩的协调以及运行 USB 协议栈,因此它 可为系统设计者提供 USB 连接至显示器桥接完整的 单芯片解决方案。

  低功耗性能的重要性

  SM768 集 CAT 功能的效率、低功耗 ARM Cortex-R5 核心以及精巧的图形和显示引擎于一身,运行速度快且功耗低。

  高速运行对全HD帧产生 <16ms 的低延迟。此延迟对人眼而言是看不见的。与 Microsoft 的建议类似的测试设置显示了原来的显示器连接和通过 SM768 图 形 SoC 连接的显示器(见图 6):两台显示器同时显示相同的帧。

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  此高速运行在低功能情况下进行:当通过 USB 3.0 连接将两台全HD或单台4K 显示器桥接到主机设备时,SM768 的功耗 <2.5W。此低功耗非常重要:首先, 它可让桥接系统利用USB电源工作而无需外部电源。

  其次,SM768的高效运行意味着它在运行中无需散热器,这可让OEM厂家设计出非常紧凑、