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慧榮科技供稿 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、酒店運營和工廠的趨勢來看，該方案比以往更具移動性和靈活性。 這對提供各類設備顯示器接口具有重要作用。尤其是 用戶和雇主需要通過 USB 連接到便攜式或共享顯示器的設備。 USB（通用串行總線），名符其實，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 它始終提供一個或多個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 USB 擴展塢或 USB 外置設備為移動員工將任 何筆記本電腦連接到任何可用的臺式顯示器。 在工廠自動設備領域，OEM 廠家可通過使用USB端口連接任何便攜式 USB 顯示器來更換專用的嵌入式顯示器，降低尺寸和產品成本。 在零售領域，可通過一根USB線將兩臺USB顯示器（一臺面向電腦，一臺面向售貨員）連接到銷售終端。只需一根USB線即可傳輸電力、數據和圖形，提供更 簡單和更小的方案，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USB接口進行傳輸而不會在運行壓縮算法時使主機CPU 負荷過重； 如何保持足夠的低功耗以使USB 顯示設備無需外接電源可驅動顯示輸出。 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 開發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。 用戶不接受妥協 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、鍵盤和其它外設
例如，這意味著用戶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擴展塢連接的外接顯示器。用戶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、筆記本電腦操作時沒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。這些功能的實施越有效，用戶體驗下降的風險越小。 尤其是，連接到擴展塢的主機電腦必須實施壓縮算法，減少通過 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（見圖 3）。此 壓縮過程是必要的，因為主機筆記本電腦和擴展塢之間的單個USB通道不僅要傳輸屏幕內容，還可能要傳輸以太網流量，以及其它USB 數據，如與打印機/掃描儀之間互發的信息。降低屏幕內容數據的大小可留出更多空間用于 同時傳輸其它USB數據。
此壓縮過程必須符合兩個矛盾的要求，即將原始數據大小降至更小，同時盡可能降低主機 CPU 負荷。眾所周知，過大的“CPU 負載”會影響主機的性能，使與顯示器無關的其它功能的運行速度大幅降低，導致用戶會看到明顯的變慢。 目前片上圖形系統（SoC）制造商 Silicon Motion 開創的最新壓縮方法將出色的圖像質量與極低的 CPU負載相結合。Silicon Motion 的內容自適應技術 (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勢。相比之下，其他 USB 圖形處理器 并沒有使用硬件加速執行，因此其壓縮算法必須在整個軟件中運行。 通過將大量的壓縮工作下放到硬件加速器，Silicon Motion 的 CAT 技術會運行得更快，CPU的負載也會 減輕。正如下文將提到的，此技術將有助于 SM768 – 采用最新的 CAT 算法的首款 Silicon Motion 圖形處理器 – 實現極低的 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 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，因此獲得了高質量的圖像：此方法能夠區別不同 類型的內容，并對每種類型應用適當的壓縮技術： 圖形和 3D 圖像通過高壓縮率 MJPEG 編解碼器進 行處理 文字通過 Silicon Motion 開發且擁有專利的無 損協議進行壓縮 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 核心與擁有專利的 圖形和顯示引擎結合在一起（見圖 ５）。Arm CPU 能夠處理解壓縮的協調以及運行 USB 協議棧，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幀產生 <16ms 的低延遲。此延遲對人眼而言是看不見的。與 Microsoft 的建議類似的測試設置顯示了原來的顯示器連接和通過 SM768 圖 形 SoC 連接的顯示器（見圖 6）：兩臺顯示器同時顯示相同的幀。
此高速運行在低功能情況下進行：當通過 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，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電源工作而無需外部電源。 其次，SM768的高效運行意味著它在運行中無需散熱器，這可讓OEM廠家設計出非常緊湊、易于攜帶的一些產品（如 USB 外置顯示設備）。SM768本身是一個非常小的BGA芯片，只有 19 毫米 x 19 毫米大小。同時提供內置 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，取得完美的用戶體驗。這受益于CAT 壓縮功能提供的杰出圖像質量、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 廠家只需幾個外部組件即可實現完整的擴展塢和其它產品設計。USB、CAT軟件及實時操作系統可在 SM768 中運行。該設備還提供了四個USB 2.0 通道，用于連接人機接口設備（HID），如無線鍵盤、鼠標、加密器以及打印機。 這解釋了此產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、商店和工廠中各類計算設備帶來更大的靈活性、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 接口以配合其它類型的主機使用，讓 OEM 廠家能夠為USB市場和其它應用領域開發設計。 |
