DisplayPort接口的多流传输技术与工业多屏显示实现

工业控制室、监控中心和医疗影像等场合，经常需要用一台主机同时驱动多块显示器，DisplayPort（DP）接口在这类应用中占有很重要的位置。从DP 1.2开始引入的多流传输（MST）技术，让一根线缆上的主链路可以同时承载多路独立的视频流。本文介绍DP接口的带宽与多流传输原理，梳理多屏连接的几种方式，并给出工业应用中带宽核算与线缆选择的思路。

一、DisplayPort的带宽演进与多流传输原理

DP接口的主链路由4条差分通道组成，每条通道的速率随版本逐步提高。DP 1.2采用HBR2速率，单通道5.4 Gbps，四通道合计21.6 Gbps，经过8b/10b编码之后的有效带宽为17.28 Gbps。DP 1.4升级到HBR3，单通道8.1 Gbps，总速率32.4 Gbps，有效带宽25.92 Gbps，并引入了显示流压缩（DSC）技术，压缩比最高可达3比1。DP 2.1采用UHBR速率，分为UHBR10、UHBR13.5和UHBR20三档，其中UHBR20单通道20 Gbps，四通道80 Gbps，使用128b/132b编码，有效带宽约77.37 Gbps。

多流传输的基本思路，是把主链路的带宽按时间切分，分给不同的视频流使用。DP的传输以多流传输包（MTP）为单位，每个MTP包含64个时隙，其中1个用于头部信息，其余63个时隙可以分配给各个视频流。每路视频流根据自身的带宽需求，占用若干个时隙，所有流在时间上交错排列，通过同一条物理链路传送到分支设备，再由分支设备把各路流分发到对应的显示器上。

与之对应，只传输一路视频的模式称为单流传输（SST）。SST模式下，链路的全部带宽服务于一块显示器，连接方式简单直接。MST则需要源端、分支设备和显示器都支持，源端要具备多流发送能力，中间的分支设备负责解析和分发，这在DP 1.2及之后的版本中都已经是标准功能。

二、多屏连接方式与带宽核算

MST连接多块显示器，常见有两种方式。一种是菊花链，显示器之间依次相连，第一块显示器接到主机，后面的显示器通过上一块显示器的DP输出口接入，这种方式布线最简洁，但要求显示器本身带有DP输出接口并且支持MST。另一种是使用MST集线器，也叫分配器，把一路DP输入分成多路DP或HDMI输出，每个输出口接一块显示器，对显示器本身没有特殊要求。

带宽核算是方案设计的第一步。视频流的数据率等于像素时钟乘以每像素的位数。1920×1080分辨率、60 Hz刷新率的标准时序，像素时钟为148.5 MHz，按24位色深计算，数据率约3.56 Gbps。3840×2160、60 Hz的标准时序，像素时钟为594 MHz，数据率约14.26 Gbps。3840×2160、30 Hz则约7.13 Gbps。

把这些数值和链路的有效带宽对照，就能得到可以支持的显示配置。DP 1.2的17.28 Gbps，可以驱动一块4K@60 Hz的显示器，或者四块1080p@60 Hz的显示器，合计14.26 Gbps。DP 1.4的25.92 Gbps，理论上可以容纳七路1080p@60 Hz，或者三路4K@30 Hz，合计21.38 Gbps。到了DP 2.1的UHBR20，77.37 Gbps的带宽足够支持多块4K@60 Hz显示器，也能为8K显示留出余量。

需要说明的是，上面的数值是理论带宽的核算结果，实际的MST链路中，时隙分配、传输开销以及显示时序里的消隐区间，都会占用一部分带宽，所以设计时一般按理论值的80%至90%来评估可用带宽，留出余量。

三、线缆选型与链路稳定性要点

DP线缆的规格，要和所使用的链路速率对应。VESA对线缆有认证体系，DP 1.2对应HBR2线缆，DP 1.4对应HBR3线缆，也就是常说的DP8K认证，DP 2.1则有DP40和DP80两种认证，分别对应UHBR10和UHBR20。无源线缆的常见长度，在HBR2和HBR3速率下，大致在2米至3米，UHBR速率更高，无源线缆会短一些，DP80认证的无源线缆常见在1米左右，DP40则在2米左右。

超出这个范围，就需要使用有源线缆。有源DP线缆在连接器内部集成了信号重整芯片，能把信号重新整形放大，使传输距离延伸到5米至10米。光纤DP线缆更进一步，通过光电转换，可以传输数十米，同时还具备良好的电气隔离性能，适用于大型厂房和长距离布线的场景。

连接器方面，DP接口是20针结构，其中第20针提供3.3 V、最大500 mA的电源，可以给转接器或有源线缆供电。接口带有锁扣机构，插入之后会卡紧固定，拔出时需要按下锁扣，这种结构在设备有震动的工业环境里比较有优势。部分工业型号还提供螺丝紧固的版本，固定得更牢固。

四、工业多屏显示的系统配置要点

多屏系统的运行，除了带宽，还要看显示器识别和链路管理。显示器通过EDID数据告知主机自己支持的分辨率和刷新率，主机据此配置输出。在MST链路里，每块显示器都有独立的EDID，主机会逐个读取。当多块显示器混用不同型号时，建议统一分辨率和刷新率，让画面在拼接和切换时保持一致。

热插拔检测（HPD）信号用来通知源端有设备接入或断开。MST链路里，分支设备也通过HPD向源端报告拓扑变化，源端据此重新读取拓扑结构，更新各个显示器的配置。这套机制保证了系统在增减显示器时，不必重启主机就能完成识别。

对于显示墙这类应用，通常会配置专用的显示控制器或者图形工作站，多块显卡输出的信号经过拼接之后，形成一块大画面。DP接口支持的同步功能，比如帧同步，对多块显示器的画面一致性有帮助，各块显示器刷新的时间点保持一致，画面拼接处的撕裂现象就会减少。

在系统测试阶段，可以逐步增加显示器的数量，每增加一块都检查画面是否稳定、分辨率是否正确，并记录主机端的链路速率和通道数。这样的递进式测试，便于确认实际带宽余量，也为将来扩展留下数据依据。

五、快问快答

Q：多流传输里提到的63，指的是什么数字？

A：这个数字来自MTP的时隙结构。每个MTP划分为64个时隙，第一个时隙用来承载头部信息，剩下的63个时隙是可以分配给视频流的有效载荷时隙。每一路视频流按照带宽需求占用若干个时隙，所有流占用的时隙总数不能超过63。所以从规范设计上看，63是一个时隙数量的上限，并不是说可以连接63块显示器，能连接的显示器数量最终由各路流的带宽决定。分辨率和刷新率越高，每路流占用的时隙越多，可以同时承载的路数就越少。

Q：DP的AUX辅助通道在多流传输里承担什么角色？

A：AUX是一条独立于主链路的双向半双工通道，速率为1 Mbps，采用曼彻斯特编码。它主要承担几类任务，包括链路训练时的参数协商、读取显示器的EDID和DPCD寄存器，以及MST模式下的边带消息传递。多流传输中，源端发现拓扑结构、给各个分支设备分配流标识、配置时隙，这些管理动作都是通过边带消息在AUX通道上完成的。主链路负责传输视频数据，AUX通道负责传输控制信息，两者分工明确，彼此互不占用带宽。

Q：4K和8K显示逐渐进入工业控制室，DP 1.4的DSC技术在多屏场景里起到什么作用？

A：DSC是一种视觉无损的实时压缩技术，压缩比最高3比1，压缩和解压的延迟只有几行像素的时间。启用DSC之后，同样的链路带宽可以承载更高的分辨率或者更多的显示流。比如DP 1.4的有效带宽为25.92 Gbps，不压缩时只能驱动一块8K@30 Hz的显示器，启用DSC之后可以支持8K@60 Hz，也可以在MST链路里驱动多块4K@120 Hz的显示器。使用DSC需要源端、分支设备和显示器都支持，选型时需要核对相关设备的规格。DP 2.1的UHBR速率下，带宽本身就很充裕，DSC的作用转向更高规格的应用，比如多块8K显示器的同时驱动。

Q：厂房面积大，主机和显示器之间距离较远，DP线缆应该怎么选？

A：先看链路速率和线缆长度的对应关系。1080p和4K@60 Hz这类场景，用HBR2或HBR3线缆，无源线缆长度在2米至3米，超过3米建议选用有源线缆，可以延伸到10米上下。距离达到10米以上，比如主机房和车间操作台之间，光纤DP线缆是比较合适的选择，长度可以做到30米甚至更长，传输速率也能满足4K@60 Hz的要求。光纤线缆的光电转换模块需要供电，一般取自DP接口第20针提供的3.3 V电源，接入时需要确认供电能力和线缆的要求匹配。另外，光纤线缆自身不受电磁干扰影响，适合靠近大功率设备的位置，在变频器、电机密集的车间里应用比较普遍。