Digitales Displayinterface: Entwicklung und Zukunft

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1 Digitales Displayinterface: Entwicklung und Zukunft 1 Winterthur, 2. September 2008 Markus von Arx, E.T. Systems AG

2 Abstract VGA gibt es unverändert seit 20 Jahren. Nach nur 10 Jahren seit der Vorstellung von Plug &Display arbeitet man zur Zeit am 6. Standard" für eine digitale Displayschnittstelle. Weshalb dieser stetige Wechsel und wo geht die Reise hin. 2 Die Diskussion um die Displayschnittstellen wird auf 2 Ebenen geführt. Die eine Ebene sind die Displayhersteller, welche, bedingt durch immer grössere Auflösungen, neue Schnittstellentechnologien benötigen. Die zweite Ebene sind die grossen Anwender, d.h. Notebook, Monitor und TV/Multimediahersteller, welche für Ihre Anwendungen die passenden Schnittstellen suchen. Die VESA (Video Electronics Standards Association), welche seit anfangs der 90er Jahre Standards über Video und Displayschnittstellen erarbeitet und publiziert, hat sich bisher nicht durchsetzen können, trotz heute 165 Mitgliedsfirmen, welche die Branche repräsentativ vertreten. 2 publizierte Standards wurden vom Markt nicht akzeptiert, bzw. von der VESA unabhängige Gruppierungen haben sich gegen die VESA Normen durchgesetzt (DDWG mit DVI und HDMI). Dieser Vortrag versucht die Entwicklung und die Gründe für neue Schnittstellen zu analysieren und daraus abzuleiten, ob sich ein allgemeiner Standard durchsetzen wird oder ob weiterhin mehrere verschiedene Technologien auf dem Markt anzutreffen sind.

3 Inhalt 1. Interface bei CRT s 2. Entwicklung der Grafikdisplays 3. Interne Displayschnittstelle 4. Externe Displayschnittstelle 5. Übersicht aller Schnittstellen 6. Trends 7. Prognosen 3

4 Interface bei CRT s 1. Interface bei CRT s 1981 Mit dem IBM PC kam die erste Farbgrafikkarte mit dem CGA Standard (color graphics adapter): 640x200 Pixel maximale Auflösung mit 16 Farben (4 bit). D-Sub 9P 1984 EGA (enhanced graphics adapter) mit max. 640x350 Pixel und 16 aus 64 Farben (2 bit pro Farbe). D-Sub 9P 1987 Mit dem IBM PS2 wurde VGA (video graphics array) eingeführt. D-Sub 15p analog 640x480, Stecker und Videomode. VGA für Stecker, analoges Signal und Videomode ab 1993 Erste VGA Empfängerkarten für Displays 4 VGA für Displays VGA für CRT EGA CGA

5 Entwicklung der Grafikdisplays (1) 2 Entwicklung der Grafikdisplays 2.1 Zielmärkte und Applikationen Die Entwicklung von Displays schreitet in einem rasanten Tempo vorwärts. Immer grössere Displays mit höherer Auflösung kommen auf den Markt. Die Entwicklung geht dabei sehr gezielt auf Schlüsselmärkte ein mit unterschiedlichen Anforderungen: - Notebook - Monitore - TV - Applications (Mobile, Automotive, Portable AV, Industrial) 5 - Digital Information Displays

6 Entwicklung der Grafikdisplays (2) 2.2 Interne und externe Schnittstellen Bei der Displayschnittstelle unterscheiden wir nachfolgend zwischen: - Interner Schnittstelle - keine Displayerkennung - Displaytiming muss angepasst werden - meist kurze Distanzen - Externe Schnittstelle - Displayerkennung (DDC) - normierte (kompatible) Stecker - grosse Distanzen 6 -> Wo kommen interne bzw. externe Schnittstellen vor?

7 Entwicklung der Grafikdisplays (3) 2.3 Anwendungsbereiche interne und externe Schnisstellen intern extern 7

8 Entwicklung der Grafikdisplays (4) 2.4 Entwicklung der Displayauflösung 30Mio Pixel K Pixel

9 Interne Schnittstellen (1) 3. Interne Schnittstellen 3.1 Übersicht -Digital RGB (TTL / LVTTL) Die Displaydaten RGB werden digitalisiert pro Farbkanal übertragen. Neben den RGB Daten werden Synchronisationssignale (Hs, Vs, DE) und Clock übertragen -LVDS (Low Voltage Differential Signaling) Flat Panel Display Link Bei LVDS werden die 18/24 Bilddaten + 3 Steuersignale über 3/4 differentielle Leitung übertragen. Für den Clock wird eine zusätzliche differentielle Leitung benötigt. -TMDS (Transition Minimized Differential Signaling) TMDS ist ein von Silicon Image entwickelter Standard. Für die Übertragung werden 3 differentielle Datenleitungen sowie eine differentielle Taktleitung benötigt 9 -DP (Display Port) Beim DP werden die 3 Farbkanäle nicht parallel, sondern seriell, je nach Displayauflösung über 1 bis 4 Lanes übertragen. Die Synchronisationssignale sowie der Clock werden im Datenkanal mitübertragen. Neben dem Datenkanal (Mainlink) gibt es einen Hilfskanal (AUX Link), welcher als effektiver Rückkanal verwendet werden kann.

10 Interne Schnittstellen (2) 3.2 Wahl der internen Schnittstellen Wesentliche Einflussfaktoren für die Wahl der Schnittstelle sind: - Display Auflösung und Datenrate QVGA: 230K Pixel.. WQUXGA: 30 Mio Pixel - Anzahl der Datenleitungen Kosten und z.b. Durchführung Scharnier bei Laptops - EMV Clockfrequenz und parallel geführte Leitungen - Leitungslänge Abschirmung, Dämpfung, Übersprechen - Stecker Grösse, Preis, Verriegelung 10

11 11 Digitales Displayinterface Interne Schnittstellen (3) 3.3 Einführung der digitalen Schnittstellen Display Port 4 x LVDS 4 x TMDS DLVDS LVDS Digital RGB (DTTL) TMDS Digital RGB (TTL) 4/8bit // (monochrom)

12 Interne Schnittstellen (4) 3.4 Anwendung der digitalen Schnittstellen >QXGA 2048x2048 4xLVDS QSXGA 4xTMDS WQXGA DTMDS >SXGA DLVDS WXGA LVDS WSXGA TMDS SXGA DLVDS XGA LVDS XGA DTTL XGA TTL XGA TMDS SVGA LVDS SVGA TTL VGA LVDS VGA TTL TTL LVDS TMDS DLVDS LVDS DTTL TTL TMDS TTL DP 4xLVDS 4 x TMDS DTMDS DLVDS LVDS LVDS : gleiche Displaygrösse mit gleicher Auflösung und 4 verschiedenen Schnittstellen vom gleichen Hersteller

13 Interne Schnittstellen (5) 3.5 Displayinterface und Kaberverbindung im Vergleich Displaydatenstecker: Polzahl inkl. Versorgung Display, ohne Backlight TTL DTTL LVDS TMDS DLVDS DTMDS 4 x LVDS 4 x TMDS DP VGA SVGA XGA SXGA WSXGA 20 WQXGA x QSXGA 56 13

14 Externe Schnittstellen (1) 4. Externe Schnittstellen 4.1 Übersicht (1) -Analog RGB (VGA) VGA seit 1987 von jedem PC oder Notebook bekannt, Steckerkompatibel, einstecken und es funktioniert -P&D (Plug & Display) P&D wurde 1997 von der VESA vorgestellt als neuer Standard, als Eier legende Wollmilchsau mit Video, Audio und USB! -DFP (Digital Flat Panel) DFP wurde ebenfalls von der VESA 1999 als abgespeckte Version von P&D vorgestellt, mit kleinerem Stecker, nur Video aber auch reduzierter Bandbreite 14 -DVI (Digital Visual Interface) DVI wurde durch die DDWG ins Leben gerufen. Ähnlich aufgebaut wie P&D, anstelle von Audio und USB mit der Möglichkeit von Duallink und damit wesentlich höherer Bandbreite

15 Externe Schnittstellen (2) 4.1 Übersicht (2) 15 -HDMI (High Definition Multimedia Interface) HDMI wurde federführend von Firmen aus der Unterhaltungselektronik entwickelt (Hitachi, Panasonic, Philips, Sony) als Ersatz für den 1978 eingeführten SCART Stecker. Video, Audio und Codierung, jedoch hohe Lizenzkosten. -UDI (Unified Display Interface) Mit UDI wurde der Versuch gestartet, einen an HDMI angelehnten Standard zu entwickeln, welcher alle Vorteile von DVI und HDMI vereinen sollte. Die Vorstellung von UDI war ca. gleichzeitig mit dem Displayport haben Intel und Samsung die Unterstützung aufgekündigt, im März 2008 wurden alle Aktivitäten eingestellt. -DP (Displayport) Die erste Version von der DP Spezifikation wurde am 1. Mai 2006 veröffentlicht. (Apple, Molex, Dell, Samsung, Nvidia, ) wurde DP von der VESA übernommen.

16 Externe Schnittstellen (3) 4.2 Übersicht Stecker (1) P&D-A/D analog und digital (EVC) DFP (MDR20-Stecker mit seitlichen Klemmen) DVI DUAL LINK analog und digital (24+5) HDMI, 19-polig, rein digital, Bild + Ton UDI, 26 polig (8 Pins für Versorgung Display) DP, 20 polig (interner DP Stecker 30 polig) 16

17 Externe Schnittstellen (4) 4.2 Übersicht Stecker (2) 17

18 Übersicht aller Schnittstellen 5. Übersicht aller Schnittstellen 18

19 Trends (1) 6. Trends 6.1 Interne Schnittstelle Bei der internen Displayschnittstelle sind neue Schnittstellen zwingend. Bei hochauflösenden Monitordisplays werden bereits 4-fach TMDS Übertragungen notwendig mit wiederum 56 adrigen Verbindungskabeln. Ob TMDS verschwinden wird, LVDS und DLVDS bestehen bleibt und sich DP für grössere Displays durchsetzt, wird man sehen (-> Prognose) 19 Graphics by Henry Zeng (Director of Application Engineering and Technical Marketing Digital Display Operation Group)

20 Trends (2) 6. Trends 6.2 Externe Schnittstelle Notebook Hersteller brauchen zwingend einen Ersatz für VGA wegen der grösseren Displayauflösung. DVI ist zu gross, in Frage kommen HDMI und DP TV und Multimediageräte Hersteller haben mit HDMI alle Anforderungen abgedeckt. HDMI gilt als digitaler Nachfolger von Scart Monitorhersteller bieten heute aus Kompatibilitätsgründen meist mehrere Schnittstellen an. Was sich durchsetzt hängt auch von den Herstellern von Grafikkarten, PC- und Chipherstellern ab Im Embedded Bereich ist man davon abhängig, welchen Weg die Chip- und Display- Hersteller einschlagen. Moderne Chipsätze unterstützen SDVO (serial digital video out), TMDS(DVI/HDMI) und Displayport. Standarderweiterungen wie z.b. COMe lassen alle diese Möglichkeiten offen 20

21 Prognosen (1) 7. Prognosen 7.1 Allgemein Der Displayport stellt ein Generationenwechsel dar, wird unterstützt von der VESA und den Keyplayern im Chip- Display-, Monitor- und PC Markt Erste Displays, Grafikkarten und Monitore sind verfügbar. Neue Chipsätze von Intel, aber auch AMD, Genesis und andere unterstützen den Displayport. Die Displayport Spezifikation beschreibt einen internen und einen externen Stecker. Eine einzige durchgängige Verbindung ist / scheint deshalb möglich. 21

22 Prognosen (2) 7. Prognosen 7.2 Intern Der Displayport wird TMDS bei der internen Schnittstelle verdrängen Displays mit einer Auflösung >WUXGA werden neu mit dem DP kommen Mittelfristig werden Displays ab SXGA, welche heute mit Dual LVDS Schnittstellen betrieben werden, durch den DP abgelöst. Ob kleinere Displays (VGA-XGA) auch mit dem DP kommen, hängt von der Preisentwicklung der Chips ab (mit zunehmender Menge DP werden die DP Treiber billiger, durch Verdrängung von LVDS werden LVDS Treiber teurer) 22

23 Prognosen (3) 7. Prognosen 7.3 Extern DP wird bis 2010 DVI ersetzen/verdrängen, wahrscheinlich auch VGA HDMI wird neben DP bestehen bleiben. Im Multimediabereich werden die Displayauflösungen kaum über HDTV steigen (bis 82 keine grössere Auflösung), dafür ist HDMI ausreichend. HDTV bietet alles was die Unterhaltungselektronik benötigt. Scart besteht seit 30 Jahren, ein neuer Generationenwechsel nach nur ca. 5 Jahren scheint unwahrscheinlich 23 DP UDI HDMI DVI DFP P&D VGA für Displays VGA für CRT EGA CGA DVI DFP P&D HDMI DP UDI

24 Prognosen (4) 7. Prognosen 7.4 Embedded DP eignet sich für interne und externe Schnittstellen und benötigt weniger Datenleitungen als LVDS DP wird LVDS verdrängen. Zeit in Abhängigkeit der Preisentwicklung der DP Chips Da der DP, ob intern oder extern, immer eine Displayerkennung und Hot Plug Funktion hat, wird ein Scalerboard überflüssig bzw. kann durch Software auf dem Embedded Rechner ersetzt werden. Backlight Einstellungen bei TFT s können über den AUX Kanal erfolgen, bei OLED s ist dies nicht notwendig. 24

25 Zusammenfassung 8. Zusammenfassung Mit der Einstellung aller Aktivitäten um UDI im März 2008 wurde die Zukunftsprognose wesentlich einfacher HDMI als proprietärer Standard mit hohen Lizenzkosten wird sich nie als einziger Standard durchsetzen können Es wird eine Aufteilung geben in Display- und Multimediaschnittstelle (DP und HDMI) so wie in der Vergangenheit VGA und Scart Beim Displayport spricht man bereits von Weiterentwicklungen wie z.b. AUX auf USB Niveau, Daisychaining, etc. was viele neue Möglichkeiten bietet bzw. bestehende Lösungen vereinfachen wird 25