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Interne Display-Schnittstellen

17. März 2021, 15:11 Uhr   |  Rudolf Sosnowsky

Interne Display-Schnittstellen
© Aris Suwanmalee

Displays legen an Farbtiefe, Auflösung und Größe zu. Dementsprechend haben sich viele Schnittstellen für unterschiedliche Einsatzgebiete entwickelt. Welche Display-Schnittstellen sind derzeit im Einsatz und wodurch zeichnen sie sich aus?

Der Traum von der einheitlichen Schnittstelle für alle Displays wird sich wohl niemals erfüllen, denn es gibt viele Gründe, warum unterschiedliche Schnittstellen erforderlich sind: Der Aufwand für die Hardware soll so gering wie möglich sein, die Kosten niedrig, die Auflösung und die damit verbundene Bandbreite hoch genug, um auch noch Displays der nächsten Generation anschließen zu können, die EMV sehr gut sein, um die Grenzwerte nicht zu überschreiten, das Kabel möglichst dünn und flexibel sein, um auch durch Scharniere und bewegliche Gehäuseteile geführt werden zu können. Es gibt also zu viele Randbedingungen, die nicht alle unter einen Hut zu bringen sind.

Intern Extern
SPI Video (FBAS/CVBS)
I2C S-Video (Y/C)
CPU-Bus VGA
CMOS/parallel/RGB DVI
LVDS HDMI
eDP DisplayPort
V-by-One HDBaseT
MIPI ThunderBolt
  USB Type-C

 

Welche Schnittstellen werden überhaupt eingesetzt? Es gibt externe Schnittstellen, die eine Bildquelle, zum Beispiel einen PC, mit einer Bildsenke, zum Beispiel einem Monitor, verbinden. Eine Auswahl davon ist in Tabelle 1 zusammengestellt. Zunächst ist zwischen externen und internen Schnittstellen zu unterscheiden. Externe Schnittstellen sind von außen zugänglich und verbinden Geräte. Interne Schnittstellen werden innerhalb von Geräten eingesetzt und verbinden Baugruppen miteinander, etwa das Scaler-Board mit dem Display (Bild 1).

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Bild 1: Interne und externe Schnittstellen.

Tabelle 2 stellt Werte für Speicherbedarf und (Netto-)Datenrate zusammen. Es ist offensichtlich, dass es nicht eine einzige Schnittstelle geben kann, die ökonomisch alle Anforderungen abdeckt. Für monochrome Displays ohne Graustufendarstellung können acht Bildpunkte in ein Byte gepackt werden. Für Graustufen steigt der Aufwand logarithmisch an: 16 Graustufen werden durch 4 Bits repräsentiert, für 64 braucht man sechs, und für Vollfarbdisplays stellen 8 Bits pro Pixel und pro Primärfarbe die Information bereit. Ebenso steigt der Speicherbedarf, um einen Frame (Bildinhalt) zwischenspeichern zu können. Er berechnet sich aus dem Produkt von Bildbreite und Bildhöhe, multipliziert mit der Farbtiefe in Bits. Für die flackerfreie Wahrnehmung muss der Bildcontroller diesen Speicherinhalt 60 Mal pro Sekunde an das Display übertragen.

           
Display Breite Höhe Bits
pro
Pixel
Speicher
[KByte]
Datenrate
[MByte/s]
Monochrom 128 × 64 128 64 1 1  
QVGA Mono (5,7”) 320 240 1 x 8 75 4
QVGA Colour (5,7”) 320 240 3 x 8 225 13
WVGA (7”) 800 480 3 x 8 1125 66
XGA (15”) 1024 768 3 x 8 2304 135
SXGA (19”) 1280 1024 3 x 8 3840 225
Full HD (1920 × 1080) 1920 1080 3 x 8 6075 356
QHD (2560 × 1600) 2560 1600 3 x 8 12 000 703
UHD (3840 × 2160) 3840 2160 3 x 8 24 300 1424
UHD HDR (10 Bit) 3840 2160 3 x 8 30 375 1780

 

Speicher [KByte] = Breite × Höhe × Bits pro Pixel / 8 / 1 024
Datenrate [MByte/s] = Speicher [KB] × 60/s / 1 024

Tabelle 2: Bedarf an Speicher und Bandbreite.

Interne Schnittstellen

Die einfachsten Schnittstellen verbinden Mikrocontroller mit Displays niedriger Komplexität. Die Datenraten sind gering und können zum Teil ohne spezielle Hardware-Unterstützung realisiert werden. Allen gemeinsam ist, dass der Bildinhalt einmalig und dann nur bei Änderungen wieder in den Bildspeicher geschrieben wird. Dazu gehört der CPU-Bus, bei dem das Display ein weiterer Teilnehmer ist, mit dem die CPU in Wortbreite kommuniziert. Bei I2C hängt das Display an einem Zweidrahtbus, der die Teilnehmer mit ihrer Adresse anspricht. Das SPI – Serial Peripheral Interface – bietet die Möglichkeit, eine oder mehrere Leitungen für die Datenkommunikation zu verwenden, und Befehle von Daten über eine Steuerleitung zu trennen. Da diese Busse sehr hardware-spezifisch sind, ist die Beschreibung in den Datenblättern der Mikrocontroller und Display-Controller sehr ausführlich und wird hier nicht weiter vertieft.

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© Data Image

Bild 2: Serialisierte LVDS-Übertragung.

CMOS, parallel RGB

Das Signalformat dieser Schnittstelle wurde in ähnlicher Form bereits für Passiv-Matrix-Displays verwendet. Je Farbe werden sechs oder acht Bits parallel auf den Bus des Moduls gelegt und mit einem Taktsignal in den Treiber übernommen. Für die Synchronisation auf den Zeilen- oder den Bildschirminhalt gibt es separate Signale. Durch die parallele Übertragung der Bilddaten ist der Leitungsaufwand hoch. Typische Stecker haben 30 Kontakte. Da die elektrischen Eigenschaften der Leitung zwischen Controller und Display nicht näher spezifiziert sind, können nur kurze Distanzen von 30 bis 50 cm überbrückt werden. Darüber hinaus wurde bei der Definition der Schnittstelle keine Rücksicht auf abgestrahlte elektromagnetische Störungen genommen. Die Ausgangsstufen schalten die Pegel mit hoher Flankensteilheit. Tabelle 3 zeigt die Signale anhand der Steckerbelegung eines TFT-Moduls.

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Bild 3: Common Mode-Unterdrückung.

LVDS

Die praktische Grenze für Displays mit CMOS-Schnittstelle liegt bei ungefähr WVGA (800 × 480 Bildpunkte). Doch bereits bei 320 × 240 Bildpunkten beginnt die Domäne der LVDS-Schnittstelle. Bei ihrer Definition wurden einige Schwachpunkte der parallelen Schnittstelle vermieden. Der Begriff LVDS steht für Low-Voltage-Differential-Signalling. Signale werden hier serialisiert auf wenige Leitungen übertragen (Bild 2), dabei ist der Pegel reduziert. Um die Störsicherheit bei kleineren Pegeln nicht nur zu gewährleisten, sondern die der Vorgänger noch zu übertreffen, wird jedes Signal in positiver und negativer Logik gleichzeitig übertragen, wobei die Leitungen durch Verdrillung in enger räumlicher Nähe liegen. Der Vorteil davon ist, dass Störsignale in gleicher Weise und Polarität auf die Leitungen einwirken und im Receiver durch Differenzbildung eliminiert werden. Diese Funktion differentieller Leitungen ist auch als »Common-Mode-Unterdrückung« bekannt (Bild 3). Darüber hinaus gibt der Sender die Signale mit kontrollierter Steilheit der Flanken aus, sodass abgestrahlte Störungen minimiert werden. Wie bei der Übertragung hochfrequenter Signale über Leitungen üblich, sind die Enden mit Widerständen terminiert. Dadurch können höhere Datenraten bei gleichzeitig weiteren Distanzen erzielt werden. Dass die Leistungsaufnahme für Sender und Empfänger gegenüber vergleichbaren Technologien geringer ist, ist nicht nur für tragbare Geräte mit Batteriebetrieb ein Vorteil.

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© Hy-Line

Bild 4: AC-Kopplung bei DisplayPort (VESA).

Durch die serialisierte Übertragung entstehen Vorteile wie eine geringere Anzahl erforderlicher Verbindungen, wodurch die Leitung flexibler wird, aber auch Kosten für Kabel und Steckverbinder eingespart werden. Durch die Serialisierung ist auch das Problem des Skew, also des gleichzeitigen Eintreffens aller Signale, minimiert. Bei LVDS sind die Steuersignale für die Synchronisation des Bildschirms in den Datenstrom integriert. LVDS ist skalierbar; für sechs Bit pro Farbe reichen drei Paare aus, für acht Bits werden vier Paare benötigt. Bei Auflösungen bis XGA (1024 × 768) reicht ein Kanal, bei höherer Auflösung werden zwei oder noch mehr Kanäle eingesetzt. Mit LVDS lassen sich Auflösungen von bis zu UHD/4k ansteuern. Tabelle 4 zeigt, wie sich ein LVDS-Interface einschließlich Backlight-Ansteuerung mit einem 20-poligen Stecker realisieren lässt.

Embedded DisplayPort (eDP)

Embedded-DisplayPort ist eine Variante des DisplayPorts (siehe weiter unten). Das DisplayPort ist eine relativ neue Schnittstelle, die einen neuartigen Übertragungskanal definiert, siehe Tabelle 5. Die Videodaten werden serialisiert und als Datenpaket übertragen. Der Takt ist in das Datensignal eingebettet. Diese Schnittstelle ist extrem skalierbar und kann an vielfältige Anforderungen angepasst werden: Die Zahl der verwendeten Leitungspaare, hier Lanes genannt, kann zwischen eins und vier liegen, die Übertragungsrate der Videodaten kann verschiedene Werte annehmen. Zudem wurden die Möglichkeiten der Seitenbandkommunikation über den so genannten Aux-Kanal erheblich erweitert (siehe DVI: DDC). Die Bildquelle kann sich Informationen über den Status der Bildsenke und auch der Übertragungsstrecke verschaffen. Mit der Hot-Plug-Leitung kann sich die Bildsenke an der Quelle an- und abmelden. Die Bildquelle kann entsprechend darauf reagieren und zum Beispiel andere Quellen adressieren. Ein Beispiel dafür ist das Anstecken eines externen Monitors an einen Notebook-Computer. Elektrisch gesehen ist die DisplayPort-Schnittstelle wechselspannungsmäßíg entkoppelt (siehe Bild 4) , sodass Potentialunterschiede zwischen Quelle und Senke keine Rolle spielen. Außerdem wird dadurch die gleichspannungsfreie Übertragung über Medien wie Glasfaser erst ermöglicht.

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Bild 5: Notebook-Display über eDP angebunden mit flexibler Kabelverbindung über das Scharnier.

Eine interessante Applikation für eDP findet sich in vielen Notebook-Computern. Der Deckel mit dem Display muss gegenüber dem Grundgerät beweglich sein. Im Beispiel (Bild 5) benötigt eine konventionelle Verbindung mit 18 LVDS-Signalleitungen, eDP hingegen lediglich fünf. Das verwendete Display hat eine Auflösung von 1680 × 1050 und eine Farbtiefe von sechs Bits. Die Stromversorgung und das Backlight sind nicht berücksichtigt.

V-by-One

V-by-One ist eine von der THine Corporation entwickelte interne Schnittstelle für hochauflösende Displays. Die Motivation für die Entwicklung war, auch Displays mit großen Diagonalen, hoher Auflösung und Farbtiefe zuverlässig mit nur wenigen Leitungen ansteuern zu können. Dafür setzt V-by-One ähnlich wie Embedded-DisplayPort auf die Übertragung serialisierter Signale mit eingebettetem Takt und Datenpakete, die mit bis zu 16 Mbps gesendet werden. Die Zahl der Lanes kann den Anforderungen gemäß angepasst werden; im Vergleich zu LVDS sind nur 1/6 der Leitungen nötig. Auch hier spielt die geringe Abstrahlung eine Rolle: Die Ausgangsstufen des Transmitters sind optimiert, und das Nutzsignal wird verwürfelt und im Spread-Spectrum-Verfahren übertragen. Dank der Wechselspannungskopplung spielen Potentialdifferenzen keine Rolle, bis zu 10 m können so überbrückt werden. Tabelle 6 zeigt die Steckerbelegung eines Displays, das eine Auflösung von 4k = 3840 × 2160 Bildpunkten bei 10 Bit Farbtiefe hat. Gemäß Tabelle 2 fällt hier eine Netto-Datenrate von 1,7 Gigabyte pro Sekunde = 13,6 Gbit/s an.

MIPI

Die Abkürzung »MIPI« steht für Mobile-Industry-Processor-Interface und ist spe-ziell für den Einsatz innerhalb mobiler Geräte gedacht. Sie bindet nicht nur Displays an den Prozessor an, sondern auch Kameras. Wie einige andere bereits vorgestellte Schnittstellen arbeitet sie mit differentiellen serialisierten Signalen. Die Datenübertragung verläuft auf einem Bus, dessen Teilnehmer adressierbar sind. Dementsprechend ist die Schnittstelle bidirektional, der Prozessor kann also sowohl Informationen an Displays übertragen als auch von Kameras entgegennehmen. Die Zahl der Lanes ist nicht begrenzt, es können zur Steigerung der Bandbreite mehrere parallelgeschaltet werden. Der Einsatz in mobilen Geräten erfordert besondere Maßnahmen zur Einhaltung der EMV-Richtlinien und bietet bei beschränktem Leistungsbudget in batteriebetriebenen Geräten eine hohe Bandbreite. MIPI ist nur für kurze Distanzen geeignet, wie sie in mobilen Geräten vorzufinden sind. Tabelle 7 zeigt die Belegung eines typischen MIPI-Displays.

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