笔记本电脑的LVDS图形切换
2009-01-12
作者：Fred Zlotnick
多年以来，视频已经成为消费者对台式电脑进行任意升级的一大特色。早期的IBM电脑配置有一个MGA (单色图形适配器)或一个CGA (彩色图形适配器)。消费者可以选择相同型号的计算机，而根据所选的显示器自己挑选图形卡。这些早期的适配器演变成了VGA (视频图形列阵)标准，可以驱动具有多种颜色或者灰阶的彩色或单色图形。
视频显卡发展得如此迅速以至于GPU (图形处理器)已经成为台式电脑的关键处理器之一。这些处理器已经演化为小型完善系统，可具备高达512MB内存和非常高级的浮点运算能力，并可驱动不同显示器的多路输出。
近年来，笔记本电脑的销售量已经超过了台式机。笔记本电脑的成本已大幅下降，许多消费者把笔记本电脑看作是台式机的替代品。一台具有全尺寸键盘的17英寸笔记本电脑是台式机非常合适的替代品。通过家中配备的无线局域网(WiFi)，消费者只需插上交流电源保持设备供电，而所有电缆、键盘、鼠标和扬声器均被淘汰。然而，游戏玩家和在家办公/远程办公人员需要使用高端笔记本电脑，因为他们需要大屏幕显示器和全尺寸键盘。
直到2007年，几乎所有的笔记本电脑仍然采用内置图形卡。电脑生产商既生产带有内置图形卡的低成本设备，也生产主板带有第三方图形卡的高端设备。采用第三方图形卡往往使系统的成本大幅升高。2004年，NVIDIA?与业界领先的笔记本电脑生产商一起开发了相互一致的图形接口，称为MXM1，使得制造商的笔记本设计能够与来自任何厂家的任何图形解决方案相兼容。这样就能够通过单一的系统设计实现多种配置并且可以升级，如同台式电脑多年前就已具备的功能。
图1所示为一款实际的MXM GPU，在其一侧装有一排标准的MXM连接器。通过简单切换，笔记本电脑生产商就可以设计一种既包含内置芯片组厂家图形卡又包括MXM插槽的母版，从而能够升级至更强大的第三方图形卡。
图1. MXM GPU，底边为标准MXM连接器引脚
升级笔记本电脑设计时，增加图形卡模块要比简单地增大内存困难一些，因为必需解决模块的冷却问题。然而，笔记本电脑生产商可以减少对不同主板的设计和库存管理。可以在最终组装时解决消费者对特定图形卡的要求。多数情况下，零售商和分销商可以在将笔记本电脑交付给用户之前加入所需模块，从而缩短交付周期，降低由于设备图形处理能力与消费者要求不符而导致的丢单几率。
当消费者或供货商在台式电脑上添加图形卡时，消费者只需简单地将显示器插入显卡的VGA或DVI连接器即可。而笔记本电脑需要驱动的是LCD屏幕。实际上，LCD屏幕是消费者使用的主监视器，如果只是为了外接显示器，购买一款高端显卡的意义就不大。
笔记本电脑显示屏传统上采用扁平电缆接收来自图形卡的数据。在MXM应用中，数据以4对或8对LVDS信号的形式进行传输，模块输入为带有多达16路通道的PCI Express? (PCIe?)接口，输出包括VGA、TMDS? (用于DVI?/HDMI?)、DisplayPort?和LVDS。
如果笔记本电脑生产商希望采用内部图形卡设计，以获得最低成本，并且可以升级到高端设计的第三方图形卡，则必须切换几组信号，本文仅讨论LVDS信号的切换。低成本笔记本电脑采用单链路LVDS，而高端系统则采用双链路LVDS。每对数据速率预计高达800 Mbps。LVDS信号为直流耦合，所以长期直流平衡没有问题。这些信号的直流分量大约为1.25V，摆幅为±250mVP-P (最小值)。接收灵敏度为100mVP-P，因此在发送和接收信号之间允许有8dB的损耗。
为了切换LVDS信号，开关总损耗不能高于1dB。此外，开关应具备低电容特性，以避免增加引起反射和不匹配的无功功率。MAX4889 PCIe无源开关可满足上述要求，非常适合LVDS应用。工作于+3.3V时，可以轻松处理整个LVDS信号范围(0.67V至1.8V)的信号，输入电容< 2pF。对于≥ 800Mbps的LVDS数据率，插入损耗< 0.5dB。
MAX4889在2:1应用中能够切换4对信号，其中有2个可能的输入源(内部图形卡或MXM图形卡)和1路输出。对于18位图形卡，只需要一个MAX4889开关；对于24位图形卡，必须采用两个MAX4889开关。MAX4889用于在内部图形卡或MXM模块两个源之间选择—检测是否存在MXM模块，如果存在，则允许选择MXM作为视频源。
图2所示MA4889在24位图形系统中用于切换4对LVDS信号。尽管LVDS开关用于高位和低位数据组合，但为清晰起见，该图只画出了R、G、B (高位)和时钟信号2。24位图形应用中需采用第二个MAX4889开关(未显示)处理低位数据。
图2. MAX4889在24位图形应用中切换4对LVDS信号，需要注意的是图中仅给出了高位数据和时钟信号，第二个MAX4889用于处理低位数据
结论
利用MXM，笔记本电脑生产商可以设计一种主板既可以在低成本应用中采用内部图形卡，又可以采用独立的MXM GPU，以提高图形性能，满足消费者的需求。为了使MXM模块和内部图形卡都可以输出到笔记本电脑的LCD屏幕上，必须进行一定形式的切换。理想开关为电气开关，所以不但系统可以方便地检测到MXM模块，而且用户还可以手动选择内部显卡或MXM显卡。无论哪种情况，均通过集成开关完成切换以满足稳定性和最小尺寸/功率比的要求。MAX4889是满足上述LVDS应用需求的理想开关。工作在3.3V时，可轻松处理800Mbps或更高速率的LVDS信号，任何工作条件下，确保消耗电流≤ 120μA，插入损耗< 0.5dB，并且电容< 2pF。参考文献：
- MXM：移动PCI Express模块。这是移动PCI Express显卡的统一接口。关于MXM的详细信息请参考MXM图形模块网站。
- Open LDI: Open LVDS display interface，1999年5月13日。开放式LDI标准规定了下列信号：两个红、两个绿、两个蓝和一个像素时钟。
DisplayPort是Video Electronics Standards Association的商标。
DVI是Digital Display Working Group (DDWG)的商标。
HDMI是HDMI Licensing, LLC的商标。
NVIDIA是NVIDIA Corporation的注册商标。
PCI Express是PCI-SIG组织的注册商标。
PCIe是PCI-SIG组织的注册商标。
TMDS是Silicon Image, Inc.的注册商标。