Цифровые интерфейсы

Наступивший 2000-й год знаменует собой "начало конца" эры аналоговых дисплеев. Перелом в пользу цифрового интерфейса между компьютером и монитором стал очевиден с появлением стандарта DVI. На этом "историческом изломе", пожалуй, было бы интересно познакомиться с историей цифровых видеоинтерфейсов и технологиями, которые лежат в их основе.

Нужно отметить, что мониторы не всегда были аналоговыми. В начале компьютерной эры передача данных на них с видеокарты осуществлялась с помощью цифрового сигнала (CGA, EGA). Например, в CGA для задания цвета пиксела использовалось 6 бит, по 2 на каждый из основных цветов — R, G, B. Один из них отвечал за интенсивность, а второй разрешал или запрещал отображение. В таком варианте можно былaо получить 16 цветов для каждого пиксела. Дальнейшее развитие требовало повышения качества изображения, а значит, и увеличения количества бит для представления цвета, и большего числа проводников в канале видеокарта—монитор. Если бы этот процесс шел путем простого наращивания ширины шины, то для отображения картинки в режиме TrueColor потребовалось бы 27 проводников, не считая сигналов синхронизации и пр. Таким образом, в силу технологических причин интерфейс монитора стал аналоговым. Со временем он обрел новые возможности по управлению дисплеем (стандарты VESA EDID и DDC). Кроме того, мы давно уже не живем в мире только мониторов на электронно-лучевых трубках. Появился и бурно развивается сегмент плоскопанельных мониторов, среди которых можно назвать плазменные, LCD, LEP и др. Их цены падают, а темпы производства возрастают. Такие дисплеи занимают очень мало места на столе, имеют низкое энергопотребление, в них изначально отсутствуют геометрические искажения, а формирование изображения выполняется цифровыми методами. Поэтому для подключения такого монитора к обычной видеокарте необходимо преобразовать аналоговый видеосигнал VGA в цифровую форму. Выполнение двойного преобразования цифра—аналог—цифра приводит к появлению помехи в виде дрожания пикселов по горизонтали. Этот эффект называется jitter, а вызван он тем, что в интерфейсе видеокарта—монитор отсутствует сигнал тактирования пикселов, а синхронизация производится лишь один раз на строку с помощью строчного синхроимпульса. Еще одним препятствием на пути к дальнейшему повышению качества изображения является отсутствие у производителя монитора возможности влиять на процесс преобразования, так как ЦАП находится на видеокарте. В результате высококачественный и достаточно дорогой монитор может отлично работать с одними и плохо — с другими видеокартами. Появление цифрового видеоинтерфейса позволяет переместить цифро-аналоговое преобразование внутрь монитора (рис. 1). Оно становится полностью контролируемым производителем дисплея, а результаты — более прогнозируемыми.

Рис. 1. При использовании цифрового видеоинтерфейса цифро-аналоговый преобразователь становится составной частью монитора

Идея перехода на цифровой способ передачи изображения витала в воздухе последние несколько лет, и осуществлялись неоднократные попытки разработать единый стандарт. На физическом уровне для кодирования и передачи информации предлагались протоколы двух типов: дифференциальных сигналов низкого напряжения (Low Voltage Differential Signaling, LVDS) и дифференциальных сигналов с минимизированными переходами (Transition Minimized Differential Signaling, TMDS). Технологию LVDS продвигают такие фирмы, как National Semiconductors и Texas Instruments. Она применяется для передачи видеоинформации на мониторы ноутбуков и для организации высокоскоростного интерфейса со SCSI-устройствами. Существует также открытая спецификация дисплейного интерфейса на базе LVDS (OpenLDI). Однако большее признание получили стандарты цифрового видеоинтерфейса на основе технологии TMDS, о которых и пойдет речь дальше.

Что такое TMDS?

Передатчик TMDS кодирует входной поток данных, преобразует его из параллельного вида в последовательный и направляет на приемник TMDS. Ширина исходного потока составляет 24 бита, а формат передаваемых данных может быть любой. По каналу, кроме информации, могут передаваться до 6 управляющих сигналов, сигнал разрешения данных (DE) и тактовый сигнал пикселов. Активное состояние DE свидетельствует о передаче данных. При этом каждый пиксел передается за один период тактовой частоты. Пассивное состояние DE соответствует передаче управляющих сигналов. На их формат, как и на формат представления данных, никаких ограничений не накладывается, что позволяет с помощью технологии TMDS передавать любой параллельный информационный поток.

Схема
Рис. 2. Простое соединение TMDS содержит три канала передачи данных и один канал для тактового сигнала

Передатчик содержит три одинаковых шифратора (рис. 2), каждый из которых работает с одним каналом TMDS. На вход шифратора поступают по 8 бит данных и 2 управляющих сигнала. В зависимости от состояния сигнала DE шифратор генерирует 10-битовое слово (символ) либо из данных, либо из управляющих сигналов. Таким образом, на выходе шифратора всегда присутствует непрерывный поток TMDS-символов.

Добавление к данным двух дополнительных бит гарантирует правильную дешифрацию на приемной стороне. За счет избыточности символов генерируется всего 460 уникальных комбинаций во время активной строки и 4 — при передаче управляющих сигналов. Комбинации выбраны таким способом, чтобы количество переходов из нуля в единицу и наоборот было минимальным.

Поскольку передача данных осуществляется одновременно по трем каналам, на приемной стороне выполняется индивидуальная подстройка фазы тактового сигнала. Десятибитовое кодирование обеспечивает приблизительный баланс по постоянному току. Синхронизация декодера выполняется во время передачи сигналов кадрового и строчного бланков.

В варианте двойного соединения (dual link), применяемом в стандарте DVI, о котором пойдет речь дальше, используются 6 каналов данных вместо трех и один канал для передачи тактового сигнала. По первому соединению передаются нечетные пикселы, по второму — четные. Таким образом, пара пикселов передается за один такт TMDS.

Как уже отмечалось, на основе TMDS было создано несколько стандартов цифрового видеоинтерфейса. Кстати, разработкой разъемов для всех интерфейсов занималась компания Molex, представительство которой недавно открылось в Украине (см. "Компьютерное Обозрение", № 6, 2000). Описание разъемного соединения занимает до 30% от объема каждого из стандартов и регламентирует электрические, механические и другие характеристики, а также методы испытания. Все это свидетельствует о глубокой продуманности и высокой надежности. Ну а первым цифровым дисплейным стандартом нового поколения был VESA Plug and Display (P&D).

Plug and Display (P&D)

Стандарт был принят ассоциацией VESA 11 июня 1997 г. Основная цель, которую преследовали при его создании, — обеспечение промышленной спецификации цифрового интерфейса для устройств отображения. Этот документ определяет сопряжение видеосигналов, включающее как цифровой, так и аналоговый интерфейсы для видеоданных и, опционально, последовательную шину. В списке разработчиков стандарта такие компании, как Toshiba, Philips, Hitachi, IBM, NEC, Silicon Image, National Semiconductors и др. — всего более 20 участников. В документе есть ссылки на 18 других стандартов организаций IEEE, VESA, EIA, IEC.

Обязательными для этого стандарта являются наличие цифрового интерфейса, основанного на технологии TMDS фирмы Silicon Image, и поддержка DDC2. Опционально могут присутствовать USB и IEEE 1394—1995, а также обычные аналоговые сигналы RGB. Максимальные возможности по передаче сигнала — 1280 x 1024 x 24 bpp при частоте кадров 60 Hz.

Столь широкая гамма сильно отличающихся между собой интерфейсов на одном разъеме, причем достаточно большом — 34 контакта, предопределила судьбу этого стандарта: он оказался слишком громоздок и дорогостоящ. Массовым ему не суждено было стать.

Digital Flat Panel (DFP)

Стандарт был принят ассоциацией VESA 14 февраля 1999 г. Список фирм—участников проекта довольно обширен. Его открывает инициатор — Compaq, а за ним идут такие известные имена, как 3dfx Interactive, 3Dlabs, 3M, AMP, ATI Technologies, Creative Labs, Matrox Graphics, Molex, S3 и ViewSonic.

Основной целью этой разработки является обеспечение интерфейса между персональным компьютером и плоским монитором с цифровым входом без дополнительного преобразования цифра—аналог—цифра. Кроме того, он был нацелен на максимально возможное удешевление производства как мониторов, так и управляющих систем. В его основу положен стандарт P&D, и он представляет собой чисто TMDS-интерфейс без таких излишеств P&D, как USB, IEEE 1394 и аналоговые сигналы. Здесь используется миниатюрный 20-контактный разъем MDR20. Однако главный недостаток этой спецификации в том, что максимальное разрешение ограничено возможностями SXGA (1280 x 1024 пикселов).

Интересно то, что до принятия ассоциацией VESA эта спецификация существовала на правах стандарта де-факто, как ныне DVI, т. е. фактически спецификацию порта DFP использовали уже с начала 1998 г., когда появился лишь ее черновик. Практически сразу же было выпущено несколько продуктов, основанных на данном стандарте, например видеокарта Xpert LCD компании ATI, датируемая июнем 1998.

Стандарт DFP является, по сути, промежуточным звеном между P&D и DVI. Он вырос из P&D и изначально предназначался для облегчения и удешевления производства мониторов с цифровым входом в условиях отсутствия стандарта DVI, о чем было сказано 29 марта 1999 г. в Сан-Хосе (штат Калифорния), где VESA анонсировала новый стандарт: "Стандарт DFP описывает очень простой цифровой видеоразъем, который благоприятствует принятию и росту цифровых плоскопанельных мониторов. Этот стандарт позволяет пользователям покупать плоские цифровые панели сегодня, не волнуясь за совместимость с разъемом DVI группы DDWG".

Хотя в настоящее время разъем DFP можно обнаружить на таких известных видеокартах, как ATI Xpert LCD, ATI Rage Pro LT, Voodoo3 3500 и Number Nine SR9, но будущее этого стандарта уже предрешено. Ограничение на максимальное разрешение режимом SXGA предопределяет, что жизнь DFP не будет особенно долгой.

Digital Visual Interface (DVI)

Сразу же нужно заметить, что не следует путать этот стандарт с Digital Video Interactive — системой аппаратного сжатия движущихся видеоизображений с коэффициентом до 160:1 и записи звукового сопровождения по методу ADPCM.

Спецификация была принята группой DDWG (Digital Display Working Group) 2 апреля 1999 г., всего через полтора месяца после утверждения стандарта DFP. В группу, созданную по инициативе Intel, входят такие крупные производители, как Silicon Image, Compaq, Fujitsu, Hewlett-Packard, IBM, NEC. Эти компании фактически являются активными членами VESA, но данная рабочая группа независима от VESA и лишь информирует организацию о своей деятельности и достижениях.

Стандарт DVI предусматривает наличие обычного аналогового канала RGB и до двух каналов TMDS. При этом максимально передается по 2 пиксела за такт, а предельное разрешение достигает 1920 x 1080, что соответствует формату телевидения высокой четкости HDTV.

Интерфейс может быть как чисто цифровым, так и смешанным, что отразилось на разъеме — он имеет два исполнения. Технология минимизированных дифференциальных переходов (TMDS) компании Silicon Image обеспечивает технический базис с целью гарантирования обратной совместимости. Предусматривается возможность подключения к источнику DVI-сигналов любых устройств, основанных на TMDS-технологии, через специальный кабельный переходник.

В случае цифрового исполнения разъем имеет 24 контакта и может устанавливаться на карте VGA вместе с обычным аналоговым разъемом. В комбинированном (цифро-аналоговом) варианте количество контактов увеличивается до 29. К видеокарте с таким разъемом подключается монитор любого типа, что облегчает жизнь и производителям, и потребителям. В соответствии с материалами Intel Developer Forum (developer.intel.com), предполагаемое время жизни стандарта DVI составит не менее 10 лет, так как вскоре планируется добавление в него защиты от копирования, двунаправленной связи и селективного обновления.

Общество SID (Society for Information Display) и журнал "Information Display Magazine" отметили группу DDWG серебряной наградой 1999-го года в области "Display Material or Component", а стандарт — как отвечающий нуждам промышленности и усиливающий тенденцию поддержки цифровых мониторов, что понизит стоимость LCD-мониторов (www.sid.org).

Проблема выбора: DFP или DVI?

Хотя стандарт DVI не принят VESA, многие производители уже объявили о выпуске продуктов для него. Например, системные наборы для материнских плат Intel 82810 и SiS 530, чипсет для графических карт Intel 752. Однако данные обстоятельства не помешали компании Soyo выпустить материнскую плату на чипсете i810 с поддержкой DFP. Таким образом, об окончательной смерти DFP говорить еще рано, поскольку продолжает выпускаться достаточно много техники под этот стандарт, которую устаревшей не назовешь: материнские платы ASUS P3W-E для P-III, MEW-RM для Socket 370, Soyo SY-7IWA, SY-7WA-F, SY-7IWB, видеокарты ASUS AGP-V3500F, AGP-V3500T и др.

Такое состояние можно оценить как неопределенность производителей в выборе пути движения вперед. Единственное утешение — то, что основой везде является технология TMDS (PanelLink), разработанная фирмой Silicon Image (www.siimage.com), которая вместе с поддержкой стандартов DDC и EDID (ныне E-DDC и E-EDID) будет залогом совместимости независимо от производителя оборудования, программного обеспечения или операционной системы.

Таблица