Granite River Labs, GRL
李炫娥 Sophie Lee
前言
在2020年，Video Electronics Standards Association（VESA）發表了最新的DisplayPort Alternate Mode v2.0（DP Alt. Mode v2.0）規格。原本此規格定義DisplayPort over Type-C可以支援到10Gbps（UHBR10），但由於DP2.1的規格尚未開發完成，所以2021年6月再度發表了SCR文件，將規格中有關UHBR10的部分刪除，文件中註明將會在DP Alt. Mode v2.1規格中加入UHBRx。因此目前DisplayPort Alternate Mode最高仍然只能支援到8.1Gbps（HBR3）。除此之外，DP Alt. Mode v2.0主要更新內容包含針對被動式及主動式線纜、轉換器的定義。本文將會帶大家認識現有的規範對DisplayPort over Type-C制定的規格以及主動式線纜更新的重點。
DisplayPort over Type-C的PD溝通過程
DisplayPort over Type-C（DPC）是指相容於USB Type-C（USB-C）介面的DisplayPort（DP）功能，與所有相容於USB-C的介面相同，必須要經過Power Delivery（PD）溝通進入相對應的Alternate Mode後方可使用。在DPC使用的Alternate Mode稱之為DisplayPort Alternate Mode（DP Alt. Mode），圖一為DPC產品在一開始接上線纜後會進行的PD溝通流程，在進入DP Alt. Mode之後才會開始DP的AUX溝通。
圖1: DPC產品的PD溝通過程
進行PD溝通時，與DP AUX溝通一樣會區分上接端以及下接端，在PD分別稱之為Downstream Facing Port（DFP）以及Upstream Facing Port（UFP），並且由DFP主導溝通流程，DFP發出Request訊息後，再由UFP回覆ACK訊息。以DP來說，通常DFP相對應的會是DP Source，UFP則是DP Sink。由上圖所示，PD溝通會分為四個部分：＂Check for SVID and supported Alternate Modes＂、＂Enter DP Alt. Mode＂、＂Communicate current status＂、＂Configure DP related functions＂，以下為您更詳細地介紹這四個階段的溝通過程。
1. Check for SVID and supported Alternate Modes
此為PD溝通的第一個部分，DFP會在這個步驟檢視UFP支援的Alternate Mode，若UFP有支援DP Alt. Mode，也會在這個步驟宣告其支援的Pin Assignment。
2. Enter DP Alt. Mode & Communicate current status
在 “Check for SVID and supported Alternate modes” 之後，DFP會要求UFP進入DP Alt. Mode。接著DFP以及UFP會藉由 “DisplayPort Update Status”的Request及ACK訊息檢視雙方目前的狀態，包含HPD、是否有exit DP Mode的要求、是否優先選擇Multi-Function模式等等。
3. Configure DP related functions
下一步，DFP會發出“DisplayPort Configure”的request訊息來要求UFP設定為指定的Pin Assignment。
Pin Assignment指的是將DP的腳位套用到USB-C介面上的方式，分別有Pin Assignment C、D、E三種。以下列出這三種Pin Assignment在USB-C介面上對應的腳位，並且區分DP Source以及DP Sink。
圖2: USB-C Receptacle腳位
表1: DP Source Pin Assignment在USB-C介面上對應的腳位
表2: DP Sink Pin Assignment在USB-C介面上對應的腳位
三種Pin Assignment介紹
三種Pin Assignment分別應用在三種不同的情況，Pin Assignment C是用在USB-C to USB-C Cable連接時使用；Pin Assignment D是用在2+2模式使用；Pin Assignment E則是使用在USB-C to DP Cable使用。這裡提到的2+2是指USB-C四個高速通道中兩個通道用在DP Main-Link傳輸，兩個通道用在USB3.2的傳輸。使用2+2模式時必須使用USB-C to USB-C Cable連接DP Source與DP Sink（可以是螢幕或是Dock），或者自帶線的Dock產品也有可能在USB-C Plug端使用2+2模式。由於只能用兩個通道傳輸DP訊號，此時可以點亮的最高解析度也會受到影響。
關於2+2需要注意的是，Pin Assignment D並不支援USB4模式。USB4本身就支援同時傳輸DP及USB，但與Pin Assignment D不同，USB4是使用四個高速通道傳輸，並在終端將DP與USB訊號分別解碼出來，如此一來在USB4模式中DP與USB訊號是共用頻寬的，提高DP的傳輸速率及頻寬，就會讓USB傳輸速率降速。由於Pin Assignment D是分配各兩個高速通道用來傳輸DP及USB，因此DP與USB的頻寬是互相獨立的，就算提高DP的頻寬，USB的傳輸速率還是可以維持在USB 3.2。
最後，Pin Assignment E是用在USB-C to DP Cable連接時使用。現在DP認證要求Pin Assignment C、E為必要支援的項目，Pin Assignment D則是選擇性支援，因此產品設計中不一定要加入2+2模式。通常在設定UFP的Pin Assignment之後，DP Sink就會發送HPD給DP Source，且除非USB-C端有進行插拔或PD有重新進行溝通，HPD並不會促使USB-C端重新進行PD溝通。DP Source在收到HPD之後就會接著進行DP AUX溝通。
上面提到不同的Pin Assignment應用在不同的情況，且會使用到不同的線纜。針對應用DPC線纜，DP Alt. Mode v2.0中定義的種類如下表：
表3: DPC線纜種類
DPC Active cable定義
在這之前不管是DP規範還是DPC規範都沒有對Active cable做詳細的定義，新版DPC規範中就加入了Active cable的定義。更新內容主要有以下三項：
- 以VConn Power供電給Active cable
- 決定Active cable方向性的方法
- 制定使用Active cable時的PD溝通流程
Active cable設計上都有包含主動式晶片，需要供電才能夠啟用。在DPC規範中規定必須要由VConn來供電給Active cable，電壓需介於3.3V~5.0V之間，且Active cable不能抽載超過1.5W。在DPC Source或DPC Sink供電前需要透過PD溝通，確認Active cable以及DPC裝置彼此支援的能力後才開始供電。這裡都是指Active cable上USB-C端的狀況，如果是Standard DisplayPort或Mini DisplayPort端則是會由DP_PWR腳位來供電。
另外，主動式晶片在啟用後需要決定數據傳輸的方向，決定的時機點在PD溝通步驟“DisplayPort Configure”之後，規範中制定了兩種決定的方法：
- 第一種是透過SBU1/SBU2線路上pull-up與pull-down電阻決定。一開始尚未接上DP裝置前，Active cable的USB-C端的SBU1與SBU2分別預設為pull-up電阻與pull-down電阻，DP端則是在AUX_P與AUX_N分別預設為pull-down電阻與pull-up電阻。DP Source在一開始預設狀態中AUX_P與AUX_N分別為pull-down與pull-up電阻。藉由pull-down與pull-up電阻連接後的特性，讓Active cable可以辨別出兩端接頭分別接上DP Source或DP Sink。
- 第二種方法則是透過偵測兩端接頭哪一端先接收到AUX溝通來判別接上的是DP Source或DP Sink。上述兩種方法可以用在USB-C to USB-C Active cable或者USB-C to Std DP或USB-C to mDP Cable，只是第二種方法適合用在兩端都有termination的線纜，像是帶有Link-Training Tunable PHY Repeater（LTTPR）設計的線纜。
在PD溝通方面也制定了使用Active cable情況下需要進行的流程。流程上大致與前面描述的相同，只是在最前面的步驟會與Active cable協調供電的需求並且每個步驟DFP都會分別與UFP及Active cable都做一次。下圖為簡易的流程圖。
圖3: Active cable的PD溝通流程
結論
現在不只DPC規格推出了更新並且多加入了主動式線纜的定義，同時DP2.0更是要將傳輸速率提高到UHBR10（10Gbps），甚至到UHBR20（20Gbps）。現在已知線纜可能會遇到硬體上的界限而難以承擔更高的傳輸速率，因此也開發出了DSC （Display Stream Compression，影像壓縮傳輸）功能以及LTTPR（Link-Training Tunable PHY Repeater），前者實現以較低的傳輸速率仍然可以達成高解析度，後者彌補線纜對高速訊號的損耗。再加上DP2.0規格中也有針對主動式線纜以及LTTPR的更新，往後想必兩者在市場上的需求可能會大幅增加，有待繼續探討其發展性。
參考文獻
- VESA DisplayPort Alt Mode on USB Type-C Standard (DisplayPort Alt Mode) Version 2.0 12 March, 2020: https://vesa.org/
作者
GRL 台灣測試工程師 李炫娥 Sophie Lee
國立台灣大學機械工程系畢業。在 GRL 擁有三年多測試經驗，熟悉 DisplayPort, Ethernet 等測試規範，並擔任 GRL 技術文章作者及演講講師。
本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
發佈日期 2022/01/19 AN-220119-TW
