Era cyfrowego obrazu

Ostatnim analogowym interfejsem stosowanym w komputerach jest opracowane w 1987 roku przez firmę IBM złącze VGA. Służy ono do transmisji obrazu z karty graficznej do monitora. Jednak wszyscy producenci są wyjątkowo zgodni - nadchodzi czas, aby przejść na cyfrowy sposób przesyłania sygnałów wideo. Karty graficzne i akceleratory 3D stosowane w dzisiejszych komputerach są oczywiście urządzeniami […]

Ostatnim analogowym interfejsem stosowanym w komputerach jest opracowane w 1987 roku przez firmę IBM złącze VGA. Służy ono do transmisji obrazu z karty graficznej do monitora. Jednak wszyscy producenci są wyjątkowo zgodni – nadchodzi czas, aby przejść na cyfrowy sposób przesyłania sygnałów wideo.

Karty graficzne i akceleratory 3D stosowane w dzisiejszych komputerach są oczywiście urządzeniami cyfrowymi. Jednak nie wszyscy użytkownicy zdają sobie sprawę, że tradycyjny monitor wyposażony w kineskop CRT (Catode Ray Tube), podobnie jak telewizor, jest sprzętem analogowym. Tak więc, aby można było zobaczyć obraz na ekranie, dane wideo muszą zostać wcześniej poddane konwersji z postaci cyfrowej do analogowej. Za czynność tę odpowiedzialny jest tzw. RAMDAC (RAM Digital to Analog Converter) będący jednym z ważniejszych elementów konstrukcyjnych karty graficznej – patrz: CHIP 6/2000, s. 88.

Przedstawione tu rozwiązanie do tej pory bardzo dobrze sprawdzało się wszędzie tam, gdzie nie występowały zakłócenia elektromagnetyczne lub nie wymagano szczególnie dobrej jakości obrazu. Jednak od chwili pojawienia się na rynku paneli LCD sytuacja zmieniła się diametralnie. Ponieważ monitory LCD są urządzeniami cyfrowym, przekształcenie sygnału wizyjnego do postaci analogowej jest zbędne. Co więcej, podwójna konwersja z postaci cyfrowej na analogową (w karcie graficznej) i z analogowej na cyfrową (w monitorze LCD) staje się źródłem niepotrzebnych zakłóceń, przekłamań barwy czy utraty synchronizacji.

Niemniej obecnie w przypadku paneli LCD podwójna konwersja jest powszechnie stosowana. Dlaczego zatem producenci wykorzystują to nieefektywne rozwiązanie? Powodów jest kilka. Pierwszym z nich jest stosunkowo niewielka (w porównaniu z urządzeniami CRT) liczba sprzedanych do tej pory (ze względu na wysoką cenę) egzemplarzy wyświetlaczy ciekłokrystalicznych. Ponadto tradycyjne monitory wyposażane są niemal bez wyjątków jedynie w analogowe 15-pinowe złącza D-Sub lub pięciożyłowe BNC. Również wytwórcy kart graficznych, poza nielicznymi wyjątkami, wyposażają swoje wyroby tylko w wyjście analogowe – co z kolei wymusza popyt na modele LCD dysponujące właśnie takim nieefektywnym rozwiązaniem. Aby zmienić ten stan rzeczy, w 1997 VESA (Video Electronics Standards Association) – organizacja zajmująca się tworzeniem standardów dotyczących sygnałów wideo – opracowała interfejs P&D (Plug and Display).

P&D – chybiony standard

Już od samego początku swojego istnienia specyfikacja P&D rozminęła się z oczekiwaniami użytkowników i producentów. Konstruktorzy – oprócz funkcji transmisji sygnałów wideo zarówno w postaci cyfrowej, jak i analogowej – zintegrowali z P&D magistralę USB oraz IEEE 1394 (FireWire). Niestety, duża uniwersalność tego cyfrowego rozwiązania okupiona została jego bardzo wysoką ceną. Jak się wkrótce okazało, żaden z producentów kart graficznych nie chciał zainwestować w tak kosztowne złącze. Obecnie standard P&D spotkać można niezmiernie rzadko, zazwyczaj w specjalizowanych komputerach przemysłowych.

DFP – Digital Flat Panel

Mniej skomplikowanym, a przez to znacznie tańszym rozwiązaniem jest opracowany przez grupę Digital Flat Panel standard DFP. Inicjatorem przedsięwzięcia był Compaq, a najbardziej znanym jego członkiem firma ATI, która pierwsza wyprodukowała karty graficzne z tym złączem. Obecnie interfejs DFP zaakceptowany został przez organizację VESA.

Porównując cechy interfejsu P&D z DFP, trudno zauważyć jakieś istotne różnice. W praktyce DFP jest pozbawionym funkcji przesyłania sygnału analogowego złączem P&D. Zrezygnowano również z możliwości transmisji danych w standardach USB i IEEE 1394, przez co znacząco obniżono koszty jedo produkcji. Warto podkreślić, że w obu rozwiązaniach sposób przesyłania cyfrowego sygnału wideo oraz specyfikacja elektryczna są takie same.

Na zdjęciach przedstawiono stosowane obecnie złącza monitorowe. Po lewej na górze widać standardowe 15-pinowe złącze VGA, obok analogowe pięciożyłowe BNC (RGB + dwa sygnały synchronizacji). 30-pinowe gniazdo P&D (na dole po lewej) umożliwia podłączenie monitorów cyfrowych i analogowych. Obsługuje również sygnały USB i FireWire. 24-pinowe złącze DVI (w środku na dole) przystosowane jest do przenoszenia danych na dwóch kanałach TMDS. Obecnie najpopularniejszym i najtańszym złączem cyfrowym jest 20-pinowe DFP (na dole po prawej).

Obecnie złącza DFP są najczęściej stosowanym interfejsem cyfrowym. Spotkać je można praktycznie u większości wytwórców kart graficznych. Standard DFP wspierany jest również przez takich producentów chipów 3D, jak: ATI, 3dfx, Nvidia i SiS. Chociaż rozwiązanie to zdobywa coraz większą przewagę na rynku, to przyszłość DFP wydaje się przesądzona. Jego podstawowym ograniczeniem jest zbyt mała, jak na dzisiejsze potrzeby, maksymalna rozdzielczość obrazu wynosząca 1280×1024 punkty oraz brak sygnału analogowego umożliwiającego podłączanie monitorów CRT.

DVI – cyfrowy interfejs przyszłości

W kwietniu 1999 roku została opublikowana specyfikacja standardu Digital Visual Interface (DVI), ustalonego przez organizację DDWG (Digital Display Working Group), zrzeszającą wielu czołowych producentów sprzętu komputerowego. Za podstawę do stworzenia tego interfejsu posłużył opracowany przez firmę Sillicon Image protokół TMDS (Transition Minimized Differential Signaling – przekaz zminimalizowanej ilości sygnałów różnicowych), znany też pod nazwą PanelLink. Protokół ten, notabene wykorzystywany również przez P&D oraz DFP, polega na wyeliminowaniu zakłóceń w transmisji danych dzięki odpowiedniemu zakodowaniu przesyłanych danych.

Na rysunku przedstawiono sposób transmisji wideo z karty graficznej do wyświetlacza LCD z wykorzystaniem mechanizmu TMDS. Przychodzące 8-bitowe dane są kodowane do 10-bitowych wyrównanych prądowo sygnałów przejść różnicowych (przeskoków ze stanu +3,3 V do -3,3 V lub odwrotnie). Osiem pierwszych bitów zawiera przekształcone do postaci różnicowej dane wejściowe. Dziewiąty bit identyfikuje, czy informacje zostały zakodowane przy użyciu operatora logicznego XOR czy XNOR. Dziesiąty bit używany jest do wyrównania poziomu napięcia odniesienia (zawiera informacje o wartościach wahania napięcia „poziomu zera” w nadajniku) pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Sygnał zegarowy służy zaś do synchronizacji częstotliwości pracy kodera i dekodera.

W protokole TMDS przekaz informacji odbywa się poprzez zmiany stanu sygnału różnicowego z pozycji „on” na „off” lub odwrotnie (patrz: rysunek „Sposób przesyłania danych z zastosowaniem mechanizmu TMDS”). Zaawansowany mechanizm kodowania używa operatorów logicznych OR (XOR) lub NOR (XNOR), tak aby maksymalnie zminimalizować ilość przejść pomiędzy poziomami „on” i „off” w trakcie całego procesu przesyłania danych. Niewielka liczba przełączeń zmniejsza poziom interferencji elektromagnetycznych w przewodach, co praktycznie eliminuje wszelkie zakłócenia niezależnie od długości wykorzystanych kabli. Dodatkowo w czasie transmisji wyrównywany jest poziom napięcia odniesienia pomiędzy odbiornikiem a nadajnikiem, tak aby sygnały różnicowe nie ulegały dodatkowym zniekształceniom.

W porównaniu ze standardami P&D i DFP, które wykorzystują tylko jeden kanał TMDS, interfejs DVI ma możliwość użycia dwóch linii przesyłowych. Podwojone zostaje więc całkowite pasmo przenoszenia (pixel rate) do 330 MHz (330 mln punktów na sekundę), co wystarcza do wyświetlenia cyfrowego obrazu o rozdzielczości 2048×1536 pikseli.

Nie tylko sama cyfra

Oprócz kanału cyfrowego interfejs DVI pozwala na przesyłanie sygnałów analogowych. Jest to o tyle ważne, że w razie potrzeby „podpięcie” tradycyjnego monitora CRT do cyfrowej karty graficznej nie sprawi problemu. Inną zaletą nowego standardu jest pełne zaimplementowanie mechanizmów plug and play. Oznacza to, że w dowolnej chwili monitor może być podłączony (lub odłączony) do komputera bez konieczności wyłączania systemu.

W cyfrowym złączu DVI znajdują się 24 przewody, po których przesyłane są dane dwóch kanałów TMDS, sygnał analogowy transmitowany jest zaś za pomocą dodatkowych pięciu żył. Specyfikacja DDWG przewiduje istnienie dwóch typów gniazd – całkowicie cyfrowego złącza DVI-D oraz kombinowanego DVD-I (sygnał analogowy i cyfrowy). Istnieje również nie wyspecyfikowane w normie złącze DVI-A, umożliwiające jedynie transmisję analogowego sygnału wideo.

DVI wspiera również dobrze znane standardy DDC (Display Data Chanel) oraz EDID (Extendend Display Indentification Data) – patrz: CHIP 7/2000, s. 78 – służące do dwustronnej komunikacji pomiędzy komputerem a monitorem poprzez kartę graficzną. Za ich pomocą można np. ustawić odpowiednią częstotliwość odświeżania ekranu do aktualnej rozdzielczości, tak aby nie uszkodzić cewek odchylających kineskopu.

Przyszłość cyfrowych standardów

W chwili obecnej wiadomo już, że przyszłość należy do cyfrowego interfejsu DVI. Ponieważ zapewnia on również lepsze warunki przesyłania obrazów pomiędzy komputerem a tradycyjnym monitorem CRT, nowe złącza zastąpią analogowe gniazda typu D-Sub i BNC. W dalszej perspektywie przewiduje się wyposażanie wszystkich urządzeń do wyświetlania obrazu, niezależnie od ich konstrukcji, tylko w złącze cyfrowe. Oznacza to, że konwertery cyfrowo-analogowe znajdować się będą nie na kartach graficznych, ale wewnątrz monitora CRT.

Co ciekawe, migracja w kierunku cyfrowego interfejsu wideo DVI już się rozpoczęła. Pod koniec zeszłego roku w ofercie firmy NEC pojawiły się pierwsze panele LCD wykonane w technologii Ambix. To nowe rozwiązanie konstrukcyjne, obecnie wprowadzane także do monitorów analogowych, polega na zastosowaniu w jednym urządzeniu dwóch złączy – tradycyjnego VGA oraz cyfrowo-analogowego DVI-I. Ambix zapewnia zatem pełną kompatybilność zarówno z kartami graficznymi dostępnymi na rynku w chwili obecnej, jak również z tymi, które pojawią się w ciągu kilku następnych lat (dodatkowo można stosować odpowiednie przejściówki). Jest to na tyle istotne, że coraz więcej czołowych wytwórców komputerowych urządzeń wideo zapowiada szybkie wdrożenie cyfrowego interfejsu DVI do masowej produkcji.

Komentarz

Marcin Bieńkowski,

Redaktor działu Hardware

Cyfrowy sposób przesyłania obrazu z karty graficznej do monitora nie jest niczym nowym. Takie rozwiązanie stosowane było już ponad piętnaście lat temu w komputerach Amiga i Amstrad. Ze względu na znaczne wówczas koszty produkcji zrezygnowano z interfejsu cyfrowego na rzecz standardu VGA. Obecnie, gdy coraz bardziej popularne stają się panele LCD, firmy komputerowe zostały zmuszone powrócić do starych idei. Jednak z punktu widzenia użytkowników najważniejsze jest to, aby cały proces przyszłej „przesiadki” na nowy standard, planowanej na ok. dwa lata, odbył się w miarę bezboleśnie. Producenci twierdzą, że tak właśnie będzie, gdyż norma DVI przewiduje ewolucyjną zmianę interfejsu od analogowej do cyfrowej jego wersji. Niemniej, jak uczy doświadczenie, z deklaracjami koncernów bywa różnie. Dlatego planując zakup 19- lub 21-calowego monitora bądź drogiego panelu LCD, warto zwrócić uwagę, czy oprócz zwykłego gniazda VGA wymarzony model wyposażony jest w cyfrowe złącze przyszłości – DVI.

Info
Grupy dyskusyjne
Uwagi i komentarze dotyczące artykułu:
#
Pytana techniczne do zagadnień poruszanych w tekście:
#
Internet
Organizacje standaryzujące
http://www.ddwg.org/
http://www.dfp-group.org/
http://www.vesa.org/
Informacje techniczne dotyczące cyfrowych interfejsów monitorowych
http://www.zdnet.com/pcmag/stories/solutions/0,8224,2394135,00.html
http://www.dell.com/us/en/arm/topics/vectors_2000-dvi.htm
http://plum.ia.polsl.gliwice.pl/~DIP/alpeda/fr_846.htm
http://www.pl.tomshardware.com/display/99q3/990707/tft-3-01.html
http://friko6.onet.pl/ka/tough/Hardware/monitor.htm
Na dołączonym CD-ROM-ie w dziale Hardware | Cyfrowe interfejsy monitorowe znajdują się specyfikacje standardów DFP oraz DVI
0
Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.