一文搞懂HDMI/DP/DVI/VGA显示器接口历史演进

1 前言

显示器（Display screen），是一种将特定格式排列的数据通过特定的传输设备显示到屏幕上的显示工具。比如现在常见的电脑液晶显示器LCD、还有阴极射线管显示器CRT、电视屏幕、手机屏幕，对了还有等离子显示器PDP（你什么档次和《狂飙》里的徐江用一样的）。 显示器接口作为连接显示信息生成/播放设备与显示器之间的信息传递的通路，随着显示技术的发展也在不断发展着，迄今为止产生了很多不同的接口。


 

你知道上面这些显示器接口吗？下面这些早期的显示器接口有没有听说过？

F-connectorBelling-Lee、RCA Connector、S-Video(S端子)、 YPBPR端子。

2 早期显示器接口

最开始时电视机是黑白色的，视频数据只包含明暗信息，为灰度（Gray）信号。后来随着技术的发展，出现了彩色电视机后，为了兼容黑白电视机，在视频数据里面保留了明暗信息，并且加入了颜色信息，这种视频数据被称为复合信号Composite Video。

2.1 F Connector或Belling-Lee接口

早期电视机同轴线缆接口 早期电视机接口，采用F型连接头F Connector或Belling-Lee接口，主要用于连接天线、有线电视、卫星电视信号。

2.2 RCA 端子 RCA Connector 

RCA 莲花头

RCA(Radio Corporation of America)，俗称莲花头，这种接口最早是用来传输音频信号，因为设计简洁、成本低廉，后来也逐渐用来传输模拟复合视频信号。在早期的录像机、DVD、摄像机以及游戏机上应用广泛。 把明暗信息和颜色信息混合在一起传输，在频率不高的情况下，干扰不太明显，但是毕竟模拟信号抗干扰能力差，比如白色的雪花点（好像鬼故事）、图像水波纹等现象会影响用户观看体验。 另外，随着家庭娱乐需求的爆发、人们对画质的要求越来越高，自然而然地把这两种信号分开传输的技术也就出现了。按照明暗信息和颜色信息分开传输的信号，被称作分量信号Component Video。 而且把两种信号分开处理，还有一个好处，那就是人眼对于明暗的敏感程度高于对颜色的感知。在不影响用户观看体验的前提下，可以对颜色数据进行有损压缩，能够大大减少视频数据的存储和传输成本。

2.3 S-Video端子

S-Video端子

S-Video其实就是Separate Video，由于S端子（S-Video）不再进行Y/C混合传输，因此无需再进行亮色分离和解码工作。而且使用各自独立的传输通道，在很大程度上避免了视频设备内信号串扰而产生的图像失真，极大地提高了图像的清晰度。在家庭影音设备种很常见。

2.4 色差端子YPbPr

YPBPR端子

这种接口在S端子的基础上进一步的对颜色信号进行分拆，使用三条线RCA线，实现了更好传输质量。线的数量的增加使得传输信息的带宽也得到了大幅提高，甚至可以传输高清HD的画面。 三条线中，Y线代表明暗，是RGB三种颜色的和： Y = 0.2126 R + 0.7152 G + 0.0722 B Pb线负责传输蓝色与明暗之差（B-Y），Pr线负责传输红色与明暗之差（R-Y）。 YCbCr更多的是指数字方式，YPbPr用来指模拟方式。也可以用YUV来统称所有类似的方式。（计划后续再写一篇介绍视频格式的帖子，敬请关注硬件花园的微信公众号哦！）

3 流行的VGA

之前介绍的几种接口都是为了电视或者家庭影音场景下开发，实际上并不适合个人计算机领域。 在早期的显示技术生态环境里，视频内容主要由电视屏幕显示的。而计算机不同，计算机常使用的CRT电视/显示器里电子枪本身使用的就是RGB信号。如果仍旧接收明暗或颜色信息后，还要再转化为RGB信号，何必多此一举呢？不如直接传输RGB信号。 而且还有一个重要因素。在电视信号中，除了明暗和颜色信号，还要有同步SYNC信号，用于告诉电视屏幕将明暗和颜色信号在屏幕的哪一行、哪一列显示。 而到了计算机这里，由VGA端子把SYNC信号分离出去，分为行、场同步信号。进一步减少了信号之间的干扰，提高了画质，也提高了明暗信号的传输速率。




VGA端子

这种接口也就D-Sub(D-Subminiature)，由当时计算机界的带头大哥IBM在1987年推出VGA显示标准的时候而广泛应用。

VGA是非常适合当时个人计算机对显示的需求的，它为个人电脑的普及做出了很大的贡献，而且随着用户需求的提高而一直在得到更新和改进。

虽然VGA标准本身没有任何带宽上的限制，理论上也可以传送高清甚至4K画面，但是因为模拟信号不抗干扰，随着分辨率和色深的提高，数据量越大的，画质就越差，不能承担传输更好画面的任务。

4 数字化的显示接口

与此同时，以液晶显示器LCD为代表的的平面显示器开始兴起！

LCD显示器内部采用的是数字方式来处理视频信号（只有最后发送到每个像素的电压信号是模拟的），所以实际上对液晶显示器来说，多次模/数转换（ADC），数/模转换（DAC）反复的转化对画质的影响很大，使得液晶显示器无法发挥自己的潜力。

所以，业界急需一种新的数字信号的标准，显示接口来到数字时代。

DVI（Digital Visual Interface）

DVI接口

虽然业界对于数字接口的需要非常迫切，但是当时世界上还存在大量的CRT显示器，显卡公司也不敢贸然只提供数字信号不提供模拟信号。这就要求新的数字接口要兼容VGA模拟信号，从而也导致DVI接口的种类非常多。 DVI接口有DVI-A、DVI-D、DVI-I，又可分为单通道与双通道。 DVI-A（DVI-Analog）接口只传输模拟信号，实质就是VGA模拟传输接口规格，常用于转接显卡的DVI-I输出到VGA显示器接口。 DVI-D（DVI-Digital）接口是纯数字接口，不兼容模拟信号。 DVI-I（DVI-Integrated）接口，兼容DVI-I和DVI-D两种插头，兼容数字和模拟信号。它们的接口形状不同，如果接口不匹配就无法插入使用。



DVI种类 DVI成功的应用，使得电脑显示技术进入数字时代、高清（HD)时代。 然而DVI也有不少缺点：

 子标准太多，互相兼容性不好。

没有严格的产品认证，产品质量参差不齐

不支持音频，YUV，只能传输视频信号，无法满足电影、电视以及家庭影音的需求。

接口太大。

利益分配不公平。

5 终将统一的显示接口

电脑界业内终极梦想，希望能使用统一的接口，连接所有的外设（鼠标、键盘、打印机、音响）。在1994年由Intel、IBM、Compaq、Digital、微软、NEC和Nortel一起制定了USB标准。USB标准现在得到广泛的应用。 VESA(Video Electronics Standards Association)作为显示领域的联盟，同样也希望有这一个统一的显示标准。





当时常见的电脑桌面

不过，理想很丰满，现实颇曲折。VESA这帮人想做而没做成的事情，由Intel做到了。 更清晰的画质，需要高清的视频内容。视频信号数字化以后，很容易复制拷贝。所以视频内容生产商，比如好莱坞、福克斯、环球、华纳等公司非常担心盗版的问题。因此，Intel振臂一呼，引入了HDCP(High-Band Digital Content Protection)机制。该机制可以防止内容被非法录制、播放器和显示器都必须支持HDCP才可以播放有版权保护的内容。 5.1HDMI（High-Definition Multimedia Interface）    



标准HDMI接口

HDMI接口在2002年被提出，现在已经发展到HDMI 2.1标准，而且随着行业发展，HDMI 2.1标准已经能够支持4K 120Hz及8K 60Hz，支持高动态范围成像（HDR），可以针对场景或帧数进行优化，向后兼容HDMI 2.0、HDMI 1.4。最重要的是，HDMI支持视频、音频同时传输！

如今很多显示器内置音箱，仅使用一根HDMI线，就可以完成图像和声音的传输。

HDMI在物理接口上，主要有标准HDMI接口、Mini HDMI接口和Micro HDMI接口。

    HDMI常见接口分类

不过，HDMI也存在一个问题，那就是HDMI和DVI一样都是由业内少数公司主导的标准，使用HDMI需要缴纳较高的授权费。而且由于HDMI是一个封闭的组织，并没有整个业界达成共识，没有VESA这样的行业组织认证。 从技术叫来说，HDMI和DVI都是基于TMDS技术，以帧为传输单位，还是没有真正的数字化，没有完全脱离传统模式视频传输的思维模式。 要想完成显示接口与其他设备接口的完全统一，必须要让视频信号像普通数据一样传输。换言之，一旦把视频信号完全数据化后，再把显示接口和USB接口统一，理论上来说就实现了所有外设的大一统了！

5.2 DP（Display Port）

历史证明，要想实现统一的接口来连接所有设备，首先需要行业内的主流公司都参与其中，其次需要统一的通信方式，最后标准是开放的。（这种情形和改革开放、闭关锁国有点类似哟）

    DP接口

2003年，DELL基于LVDS技术研发了一种Display Port的协议，并于2005年提交给VESA，此时的VESA已不再是显卡公司的组织了，而是包括苹果、戴尔这样的主机厂商已加入其中。2006年VESA正式发布了DP标准。

DP不需要TMDS或者LVDS特殊的逻辑协议，DP标准把信息打包成一个个小的数据包进行传送，实现了视频信号的完全数据化！

 Display Port技术

除了技术的优势外，DP还有其他很多优点：

DP是免费的，除了一个很低的入门会员费外，不收取任何专利费。

DP显卡兼容现有的HDMI和DVI接口，只需要简单的转换头。

DP得到行业的普遍支持，其标准可以得到持续更新。

DP传输的是纯数据。

DP可以从显示器获取数据。

DP也支持HDCP。

目前最新版的DP是1.4版，最高支持每秒25.92G的传输速率、10位色深、BT.2020色域、8@60Hz、动态HDR。预计最新DP标准可以达到每秒64.8G的速率。

5.3 Thunderbolt雷电接口

 Mini DP接口

因为DP与生俱来的可扩展性，很多电脑主机厂都非常积极地拥抱DP标准。苹果在2008年开发了mini DP标准，替换DVI接口，使苹果自家笔记本产品更轻薄。

不过，苹果的目的不仅仅是让笔记本变轻薄这么简单，很快，由Intel主导、苹果协助的Thunderbolt雷电接口标准发布，接口外形采用Mini DP，但实际上是借鉴DP与PCI Express(Peripheral Component Interconnect Express)两种技术。

雷电协议

DP用于显示，能够同步传输1080P、最多8声道音频乃至4K视频； PCI Express用于数据传输，可以很方便地扩展任何类型设备（包括但不限于外部存储、声卡、网卡甚至外接显卡） 还有更重要的一点是，两个通道独立传输，互不干扰。 雷电接口已经发展到第三代。雷电1的速度达到10Gbps，雷电2的速度达到20Gbps，现在的雷电3达到40Gbps。 不过让人容易混淆的是，雷电1和雷电2接口外形上是Mini DP，而雷电3采用的是USB Type-C。具备雷电传输功能的USB Type-C接口旁边都会单独标注闪电标志，以作区分。

雷电3（USB-C）

5.4 “大一统”的USB-C

各种USB接口

从2014年开始，DP、MHL、Thunderbolt、HDMI与USB-C兼容的协议陆续被发布，也就是说可以用USB-C外形的接口来传输DP、MHL、Thunderbolt和HDMI数据了。

2015年末，Intel发布了新的Thunderbolt 3标准，这个标准采用了USB-C的物理外形，可以传送PCI Express信号、DP信号、USB信号。

 

 USB-C接口

随着移动设备的蓬勃发展，越来越多的终端采用USB-C接口，所以最终很有可能各家厂商不得不接受USB-C作为大一统接口了。