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

　　從設計和配置目前辦公空間、零售店、酒店運營(yíng)和工廠(chǎng)的趨勢來(lái)看，該方案比以往更具移動(dòng)性和靈活性。 這對提供各類(lèi)設備顯示器接口具有重要作用。尤其是 用戶(hù)和雇主需要通過(guò) USB 連接到便攜式或共享顯示器的設備。

　　USB(通用串行總線(xiàn))，名符其實(shí)，在計算設備(如筆 記本電腦、平板電腦和智能設備)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靈活。原先辦公室職員 的桌面有一臺連接到自己的顯示器的電腦，現在公司 可通過(guò) USB 擴展塢或 USB 外置設備為移動(dòng)員工將任 何筆記本電腦連接到任何可用的臺式顯示器。

　　在工廠(chǎng)自動(dòng)設備領(lǐng)域，OEM 廠(chǎng)家可通過(guò)使用USB端口連接任何便攜式 USB 顯示器來(lái)更換專(zhuān)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(guò)一根USB線(xiàn)將兩臺USB顯示器(一臺面向電腦，一臺面向售貨員)連接到銷(xiāo)售終端。只需一根USB線(xiàn)即可傳輸電力、數據和圖形，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圖像輸入轉換成高清標準輸出接口(如HDMI或DisplayPort)。但這些產(chǎn)品都面臨相同的挑戰：

• 　　 如何保持最小的圖形、視頻和音頻內容通過(guò)USB接口進(jìn)行傳輸而不會(huì )在運行壓縮算法時(shí)使主機CPU 負荷過(guò)重;

• 　　 如何保持足夠的低功耗以使USB 顯示設備無(wú)需外接電源可驅動(dòng)顯示輸出。

　　不同的架構以不同的方式平衡不可避免的取舍。本文介紹了 Silicon Motion 開(kāi)發(fā)的新架構如何將高圖形性能、低延遲、高效數據壓縮和低功耗更好地結合在一起。

　　用戶(hù)不接受妥協(xié)

　　USB連接至HDMI或USB連接至DisplayPort 橋接設備(如 USB 擴展塢)的可用性可讓任何 USB主機(如筆記本電腦)連接到任何顯示器(請參見(jiàn)圖1、2)。

　　圖 1：擴展塢提供了高清顯示輸出和 USB 接口用于鼠 標、鍵盤(pán)和其它外設

　　例如，這意味著(zhù)用戶(hù)有望與傳統的單機模式相同的方式，使用筆記本電腦以及通過(guò)擴展塢連接的外接顯示器。用戶(hù)有望看到擴展塢支持最高達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(méi)有明顯的降速或影響。

　　但在這些情況的背后，USB連接至示器橋接執行了各種復雜的功能。這些功能的實(shí)施越有效，用戶(hù)體驗下降的風(fēng)險越小。

　　尤其是，連接到擴展塢的主機電腦必須實(shí)施壓縮算法，減少通過(guò) USB 接口傳輸的屏幕內容數據。擴展塢或顯示器橋接設備在顯示器端重新解壓縮屏幕內容(見(jiàn)圖 3)。此 壓縮過(guò)程是必要的，因為主機筆記本電腦和擴展塢之間的單個(gè)USB通道不僅要傳輸屏幕內容，還可能要傳輸以太網(wǎng)流量，以及其它USB 數據，如與打印機/掃描儀之間互發(fā)的信息。降低屏幕內容數據的大小可留出更多空間用于 同時(shí)傳輸其它USB數據。

　　此壓縮過(guò)程必須符合兩個(gè)矛盾的要求，即將原始數據大小降至更小，同時(shí)盡可能降低主機 CPU 負荷。眾所周知，過(guò)大的“CPU 負載”會(huì )影響主機的性能，使與顯示器無(wú)關(guān)的其它功能的運行速度大幅降低，導致用戶(hù)會(huì )看到明顯的變慢。

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

　　通過(guò)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 )運行得更快，CPU的負載也會(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)現極低的 CPU 負載。

　　CPU 負載取決于許多變量，包括要壓縮的圖形或視頻信號類(lèi)型、主 CPU/圖形芯片、可用 RAM 量和操作系 統。但在壓縮 HD 視頻片段以在 Intel Core i5 芯片組 上通過(guò) USB 傳輸到雙 HD 顯示器的測試中，SM768 的 平均負載比競爭設備低 22%-32% 左右(見(jiàn)圖 4)。

　　盡管此負載較低，但由于CAT系統采用智能壓縮方法，因此獲得了高質(zhì)量的圖像：此方法能夠區別不同 類(lèi)型的內容，并對每種類(lèi)型應用適當的壓縮技術(shù)：

• 　　 圖形和 3D 圖像通過(guò)高壓縮率 MJPEG 編解碼器進(jìn)

• 　　 行處理

• 　　 文字通過(guò) Silicon Motion 開(kāi)發(fā)且擁有專(zhuān)利的無(wú) 損協(xié)議進(jìn)行壓縮

• 　　 視頻以其原始壓縮格式(如 MPEG4)傳輸

　　在 SM768 中，顯示器端執行的解壓縮由設備的架構 啟用：它被配置為圖像 SoC，而不是純圖形處理器， 因為它將 Arm? Cortex?-R5 CPU 核心與擁有專(zhuān)利的 圖形和顯示引擎結合在一起(見(jiàn)圖 5)。Arm CPU 能夠處理解壓縮的協(xié)調以及運行 USB 協(xié)議棧，因此它 可為系統設計者提供 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，運行速度快且功耗低。

　　高速運行對全HD幀產(chǎn)生 <16ms 的低延遲。此延遲對人眼而言是看不見(jiàn)的。與 Microsoft 的建議類(lèi)似的測試設置顯示了原來(lái)的顯示器連接和通過(guò) SM768 圖 形 SoC 連接的顯示器(見(jiàn)圖 6)：兩臺顯示器同時(shí)顯示相同的幀。

　　此高速運行在低功能情況下進(jìn)行：當通過(guò) USB 3.0 連接將兩臺全HD或單臺4K 顯示器橋接到主機設備時(shí)，SM768 的功耗 <2.5W。此低功耗非常重要：首先， 它可讓橋接系統利用USB電源工作而無(wú)需外部電源。

　　其次，SM768的高效運行意味著(zhù)它在運行中無(wú)需散熱器，這可讓OEM廠(chǎng)家設計出非常緊湊、易于攜帶的一些產(chǎn)品(如 USB 外置顯示設備)。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)提供內置 256MB DDR3 DRAM 的型號，以節省甚 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解決方案

　　與競爭設備相比，SM768 圖形 SoC 提供超低的主 CPU 負載，取得完美的用戶(hù)體驗。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 選擇的架構還可讓 OEM 廠(chǎng)家只需幾個(gè)外部組件即可實(shí)現完整的擴展塢和其它產(chǎn)品設計。USB、CAT軟件及實(shí)時(shí)操作系統可在 SM768 中運行。該設備還提供了四個(gè)USB 2.0 通道，用于連接人機接口設備(HID)，如無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)、鼠標、加密器以及打印機。

　　這解釋了此產(chǎn)品能夠支持最新的擴展塢和 USB 外置設備設計的方式，為家庭、辦公室、商店和工廠(chǎng)中各類(lèi)計算設備帶來(lái)更大的靈活性、易用性和便攜性。

　　另外值得注意的是，部分 SM768 設備還提供了 PCI-e 接口以配合其它類(lèi)型的主機使用，讓 OEM 廠(chǎng)家能夠為USB市場(chǎng)和其它應用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)設計。