利用Type-C加快移动片上系统的上市速度

作者:Morten Christiansen,USB&DisplayPort部技术营销经理,Synopsys公司

便携式设备一代比一代更轻、更薄、更强大。最新的手机、高级平板电脑、混合笔记本以及“任何笔记本”(“anybooks”)都支持新型消费者需求,让他们更换传统笔记本电脑,保持一整天工作而不需要充电。然而,这些设备的大多数内部空间都被电池占用,留给其他电子设备空间非常少。因此,片上系统(SoC)的设计人员必须集成更多功能,最大限度地减少SoC引脚数量,并缩减连接器的数量。而USB Type-CTM是用于这些轻薄、强大的移动设备的理想连接器,它通过单一连接支持数据、音频、视频和电源。本文介绍了SoC设计人员如何利用预配置和预集成的USB-C 3.1/DisplayPort解决方案来加速设计开发。该解决方案中包括USB 3.1、DisplayPort 1.4 TX、DisplayPort AUX、HDCP 1.4控制器、HDCP 2.2嵌入式安全模块以及USB 2.0、USB 3.1、DisplayPort TX和DisplayPort 辅助物理层,还包含验证IP和测试用例。采用DesignWare®USB-C 3.1/DisplayPort解决方案能够减少IP配置、集成和验证工作,使设计人员能够满足上市时间的要求,同时最大限度地减小外部、板上部件以及产品物料清单(BoM)成本。

图1:DesignWare USB-C 3.1 / DisplayPort解决方案

图1:DesignWare USB-C 3.1 / DisplayPort解决方案

市场概况和新使用模型

在并不太遥远的过去,手机仅仅被用于发短信、打电话或者偶尔玩玩Snake(贪吃蛇)或Tetris(俄罗斯方块)等简单游戏。而PC机在过去被用于网上冲浪、玩游戏、发送电子邮件、处理办公应用以及存储和轻度编辑图片,还有播放DVD也曾经时髦过一阵子。但今天,手机和PC之间的界限越来越模糊不清,高级功能的手机也用于网上冲浪、收发电子邮件、处理办公应用、拍摄精美照片,并支持拍摄、编辑和播放高清视频。第一款配备4K UHD(超高清)显示器的手机不久前已经发布。高级平板电脑和混合笔记本电脑正在取代传统笔记本。配备有处理器、内存和存储器的计算棒能够在任何地点实现便携、完整的计算环境体验,只要这些地点提供显示器和键盘即可。第一款5千万像素静止图像摄像机已经是昨日消息了,因为新款摄像机被设计为拍摄8K视频。

面向此类产品的SoC系统架构师需要处理困难的使用场景、功能实施以及系统设计和分区选择。SoC设计人员必须处理复杂的IP配置、集成和验证工作,同时还要满足上市时间要求。由于SoC开发成本高昂,把SoC重用于不同类型的产品就显得很重要。高级手机芯片组专为手机、便携式增强现实(AR)和虚拟现实(VR)产品、相机、平板电脑而设计,甚至为使用ARM®版本的Windows 10的笔记本而设计。最终用户现在期望获得相同的功能和使用场景支持,而不管产品类型或外形如何。

没有模拟开关/多路复用器的DisplayPort

首款在USB Type-C连接器上支持DisplayPort交替模式的产品是利用外部多路复用器对传统的DisplayPort和USB端口进行复用,但这增加了PCB面积、BoM(物料清单)成本及功耗。为了减少SoC芯片面积、SoC引脚数、PCB面积、功耗和产品BoM成本,新款SoC必须包含一个直接连接到Type-C连接器的USB/DisplayPort端口。

Synopsys公司的DesignWare USB-C 3.1/DisplayPort解决方案包括一个带数字多路复用器或交叉开关的USB/DisplayPort 组合物理层(comboPHY),它在支持10 Gbps的USB 3.1 Gen2和8.1 Gbps的DisplayPort HBR3(HighBitRate3)。数字交叉开关(图2)确保了这些高比特率的最佳信号完整性。

高分辨率显示器和显示流压缩

目前,全高清电视(1920×1080)已经遍布于几乎每一个客厅,而FHD或QHD(2560×1440)显示器在办公室和家庭中也已经司空见惯。当购买新电视机时,客户发现4K UHD(3840x2160)电视机供应充足且价格实惠。4K显示器正在成为新的办公标准。新的SoC设计甚至应当考虑支持下一代8K(7680x4320)显示器。

DesignWare USB-C 3.1/DisplayPort解决方案支持DisplayPort 1.4,并与DisplayPort 1.3后向兼容。具有4通道HBR3的DisplayPort 1.3支持4K/RGB/60Hz或90Hz以及8K/YUV/30Hz。为了支持具有更高刷新率和/或RGB格式的4K/120Hz和8K,使用了显示流压缩(DSC)。DSC是视觉无损压缩,而且是对DisplayPort 1.4规范的主要增强。图1显示出,DSC是DesignWare USB-C 3.1/DisplayPort解决方案的一个集成部分。请注意,DSC的实施需要相当高的门数(gate count),由于这一原因,目前的显示器很少支持DSC。然而,DSC预计将成为高分辨率/高刷新率VR/AR应用场景不可缺少的功能。

支持高分辨率显示器所面临的一个挑战是像素率。4K/120Hz和8K/30Hz标称为1188MHz的像素速率,而8K/60Hz则为2376MHz的像素速率。DesignWare DisplayPort 1.4 TX控制器包含一个多像素接口选项,它可以降低DisplayPort TX视频接口的像素速率,例如降低至594MHz。

采用HDCP 1.4和HDCP 2.2进行内容保护

显示优质内容时,源和显示器之间的链路必须受到保护。支持HD和FHD分辨率时需要HDCP 1.4,它被包含在DesignWare DisplayPort TX控制器中。而4K UHD和8K需要HDCP 2.2。出于安全考虑,在DesignWare USB-C 3.1/DisplayPort解决方案中,HDCP 2.2嵌入式安全模块被置于DisplayPort TX控制器的外部(图1)。然而,HDCP 2.2 ESM(嵌入式安全模块)是该解决方案的一个完全集成的部分,以便于进行SoC集成和验证。

支持多个显示器

多个显示器在办公环境中很常见。为了支持这一消费需求,DesignWare USB-C 3.1/DisplayPort解决方案支持DisplayPort多流传输(MST)。MST能够让一个源从一个连接器驱动多个显示器。具有MST功能的显示器采用菊花链连接方式。而不具有MST功能的显示器则连接为MST菊花链中的最后一个显示器或者连接到DisplayPort集线器。DesignWare USB-C 3.1/DisplayPort解决方案支持具有相同分辨率的一到四路流。总可用带宽在显示器之间共享;例如,四个不带DSC的HBR2通道能够支持四个FHD显示器。

同步的USB和DisplayPort

图2显示了Type-C连接器上支持的USB、DisplayPort以及同步的USB和DisplayPort模式。目前,并不是所有的DisplayPort交替模式实施都支持同步的USB和DisplayPort。此外,目前许多Type-C 实施仅限于USB 3.0 5G和DisplayPort 1.2 HBR2 5.4 Gbps。即使USB2.0在DisplayPort(仅)模式下仍然可用,这对于某些Type-C使用场合也是有限制的。DesignWare USB-C 3.1/DisplayPort解决方案完全支持同步的10Gbps USB 3.1和2通道的DisplayPort 1.4 HBR3 8.1Gbps/通道,从而支持4K UHD显示器以及同步的10 Gbps文件传输和高带宽网络。

图2:用于USB Type-C连接器的USB/DisplayPort通道复用和交叉开关

图2:用于USB Type-C连接器的USB/DisplayPort通道复用和交叉开关

虚拟现实与增强现实

VR(虚拟现实)和AR(增强现实)正在成为产品开发人员的一项重要应用。要想获得身临其境的VR/AR体验,需要采用高分辨率和高刷新率。对HBR3的支持可以满足这一要求,即使不进行显示流压缩。但对于未来的更高分辨率AR/VR应用,将需要DSC(显示流压缩)。DesignWare USB-C 3.1/DisplayPort解决方案支持不同的AR/VR应用和实施所需要的传统3D格式、并行全分辨率(左和右,或者MST)。

支持外部USB Type-C IC

USB Type-C连接器具有独立的引脚用于配置通道、电源供应消息以及Vconn电源至适配器电缆,也被称为Type-C端口控制器(TCPC)硬件。由于高电压和高功耗,TCPC硬件不适用于在先进制程节点中实施SoC。即使TCPC硬件的一部分能够集成到SoC中,其多个外部分立元件和附加的SoC引脚也会使得此类实施与独立的、成本优化的Type-C IC相比毫无竞争力。TCPC硬件也可以集成到电源管理IC(PMIC)中,以尽可能降低系统成本。

有多家供应商提供独立的、高度集成和功能丰富的Type-C芯片。某些芯片允许SoC中的处理器执行所需要的Type-C软件栈,其也称为Type-C端口管理器(TCPM)。其他的Type-C IC集成了微控制器、嵌入式RAM/闪存和经认证的TCPM软件和TCPC硬件。DesignWare USB-C 3.1/DisplayPort解决方案为标准的USB Type-C IC提供了软件和硬件接口。

DesignWare USB-C 3.1/DisplayPort解决方案环境

完整的DesignWare USB-C 3.1/DisplayPort解决方案如图3所示。所有的控制器、物理层、互连、胶合逻辑、封装和接口都已连接在一起。该解决方案硬件连接到一个具有USB和DisplayPort测试用例的Synopsys验证环境中。该验证环境还包含一套用于Type-C连接/分离和DisplayPort交替模式发现的电源供应(Power Delivery)测试套件。Type-C IC不包括在内,但是对TCPC硬件和TCPM软件的相关操作进行了建模。设计人员可以为他们在设计中使用的特定Type-C IC插入自己的或供应商提供的模型。

图3:DesignWare USB-C 3.1/DisplayPort TX解决方案环境

图3:DesignWare USB-C 3.1/DisplayPort TX解决方案环境

小结

预先配置的和集成的DesignWare USB-C 3.1/DisplayPort解决方案包含了在实施支持DisplayPort交替模式的USB Type-C时所需要的全部控制器、物理层、粘合逻辑、封装、互连、验证IP和测试用例。该解决方案减少了IP配置、集成和验证工作,能够让SoC满足上市时间要求,同时最大限度地减小外部(至SoC)的组件和物料清单(BoM)成本。