DisplayPort - digitální přenos obrazu v novém

21. 5. 2008 07:00    Rubrika: Technologie    Autor: Aleš Lalík

Digitální obrazový výstup není u notebooků příliš často zastoupen, to by ovšem mohla změnit příchozí technologie DisplayPort. V letošním roce se začínají objevovat první zařízení s tímto nejnovějším rozhraním, které by mělo postupně dle svých tvůrců nahradit DVI i HDMI. Pojďme si ho proto představit blíže a probrat si jeho výhody a případné nedostatky.

LCD monitory zaznamenaly během posledních let opravdu výrazný pokles cen a s tím také masové rozšíření do firem a domácností, kde nahradily své postarší CRT protějšky. Jak si povíme níže, pro ideální obraz u LCD je zapotřebí digitálního přenosu signálu, který může v současnosti zabezpečit buď rozhraní DVI nebo HDMI.

V případě notebooků jsou tato rozhraní i u posledních modelů trestuhodně málo rozšířena, takže si můžeme externí monitor připojit pouze přes analogové rozhraní VGA - to má navíc často velmi pochybnou kvalitu výstupu. Důvodů absence DVI/HDMI je několik, od finanční náročnosti implementace digitálního výstupu, marketingové strategie výrobce u jednotlivých notebooků až po nedostatek místa pro konektor na samotném přístroji - poslední nedostatek sice řeší dokovací stanice, zde ale opět promluví finanční stránka a cílení notebooku. Tuto situaci se bude snažit změnit právě příchozí technologie digitálního přenosu obrazových dat nazvaná DisplayPort. K úspěchu by ji měla dopomoci nejen řada technologických výhod oproti starším rozhraním, ale z nich také plynoucí nižší finanční náklady.

Proč přenášet obraz digitálně?

V dřívějších dobách, kdy interně pracovala všechna zobrazovací zařízení na analogovém principu, vystačilo také použití analogového přenosu videosignálu. Jeho princip spočívá v přenášení různých úrovní signálu představovaných úrovněmi napětí, které v CRT (Cathode Ray Tube) monitoru následně patřičně urychlovaly proud elektronů vystřelovaného z elektronového děla. Jednou z nevýhodou CRT technologie je nutnost vysoké obnovovací frekvence, typicky 75 Hz a výše pro stabilní obraz. Analogový výstup je u počítačů dodnes zastoupen VGA neboli 15-pin Mini D-Sub konektorem.

Po nástupu LCD panelů a dalších technologií, zpracovávajících obrazová data uvnitř monitoru digitálně, však přestal být analogový přenos dostačující. Na vině byla dvojí konverze přenášených dat - z digitální na analogovou podobu (DAC převodník) v grafické kartě počítače a následně z analogové zpět na digitální (ADC převodník) v monitoru. Tento zbytečný převod způsoboval nepříjemnou degradaci kvality signálu a vznik šumu, obojí závislé na kvalitě převodníků (u notebooků bohužel často mizerných). Navíc nutnost používání ADC převodníků v monitoru zvyšovala jejich výrobní náklady, což pocítil koncový zákazník. Naopak LCD si oproti CRT monitorům vystačí s nižší obnovovací frekvencí (typicky 60 Hz). Proto byla průmyslovými giganty vytvořena asociace Digital Display Working Group (DDWG), jejíž cílem bylo vyvinout nové rozhraní umožňující digitální přenos obrazových dat. Snažení DDWG přineslo výsledek vývoje v květnu roku 1999, kdy byla představena finální verzi rozhraní Digital Visual Interface (DVI).

Počítačové DVI...

Aby byla zajištěna snadná zpětná kompatibilita s CRT monitory, disponovalo DVI celkem pěticí možných konektorů. DVI-Integrated (DVI-I) obsahuje 18 pinů přenášejících digitální obrazovou informací, doplněných o 5 pinů s analogovým přenosem. DVI-Digital, zkráceně DVI-D, je ochuzen o analogové piny a slouží pouze k digitálnímu přenosu signálu. Poslední verzí je DVI-Analog (DVI-A) přenášející naopak jen analogová data. Konektory DVI-I a DVI-D existují také v dual-link variantě, která namísto 18 pinů disponuje 24 piny.

Zvídavý čtenář se jistě zarazí, jaký je rozdíl mezi normálním (nazývaným také single-link) a dual-link DVI. Kromě fyzicky rozdílného konektoru jde také o výkonnost - dual-link DVI je schopno přenést více dat a tím pádem „obsloužit“ monitor s vyšším rozlišením. Data se přes DVI přenáší využitím techniky TMDS (Transition Minimized Differential Signaling). U single-link DVI je trojice TMDS datových spojů, doplněná o vodič přenášející hodinový signál (clock) a další datové signály. Přenos je synchronizován pomocí hodinového signálu vysílaného z grafické karty. V konkrétní řeči čísel se za jednu dobu „trvání“ pixelu (1/pixel clock) přenese každým TMDS spojem 10 bitů. Přitom maximální pixel clock přípustný pro DVI je stanoven specifikací na 165 MHz. Single-link DVI je tak schopen přenést 165 x 10 x 3 = 4,95 Gbps, což vystačí na rozlišení 1920x1200 (typicky 24" monitor) při obnovovací frekvenci 60Hz a barevné hloubce 8bitů (24bitů na pixel; 6bitů vyhrazeno řídícím informacím). Při potřebě vyšší obnovovací frekvence je potřeba snížit rozlišení, nebo naopak při vyšším rozlišení snížit obnovovací frekvenci pod přijatelnou úroveň.

Doba však pokročila a postupně se objevily i 30" monitory s rozlišením 2560x1600, na které již single-link DVI nestačilo. Proto byla uvedena inovovaná verze dual-link DVI, obsahující 6 TMDS spojů, opět doplněné o clock a další datové signály. S přenosem 9,9 Gbps zvládla i vysoké rozlišení 2560x1600 při obnovovací frekvenci 60 Hz a 8bit barvě, ale dále již bohužel z technických důvodů u DVI není možné jít. Toto rozlišení se přesto může zdát jako dostatečné na dlouhou dobu, opak je však pravdou. Už snad během příštího roku se objeví první vlaštovky na poli monitorů s rozlišením dosud nevídaných 3840x2400 (jejich případnou cenu ponechme stranou). Výrobci proto vzali tuto skutečnost na vědomí a v čele s asociací Video Electronics Standards Association (VESA) začali spolupracovat na vývoji nového přenosového rozhraní.

Jeden z mnoha USB-DVI adaptérů

... a multimediální HDMI

V oblasti spotřební elektroniky začala být aktuální potřeba digitálního přenosu dat zejména s nástupem plasmových obrazovek. Jenže zde byl vyžadován kromě obrazu také přenos zvuku, čehož DVI nebylo schopné. Výrobci tudíž zavedli nový standard High-Definition Multimedia Interface neboli HDMI. Ten používá pro obrazová data stejnou specifikaci jako DVI, a tak je zajištěna zpětná kompatibilita. V době, kdy se nepřenáší obrazová data, je přenosové pásmo využito pro přenos zvuku. Přes jeden výrazně menší konektor je tak možno propojit například televizi s DVD přehrávačem a přenášet zvuk i obraz zároveň.

HDMI se rovněž vyskytuje ve verzích single-link (3x TMDS spoje, CLK, CEC a přídavné signály) využívající konektor typu A nebo dual-link (6x TMDS spoje, CLK, CEC a přídavné signály) používající konektor typu B. Přenosová rychlost je odvislá od použití stejné technologie jako DVI, a tudíž i možné přenášené rozlišení u single-link a dual-link jsou stejná. Určitý odklon od předchozího umožnilo HDMI 1.3, které je schopno přenést vyšší barevnou hloubku - až 16bitů pro každou barevnou složku, tedy maximálně 48bitů na pixel. Tento režim, nazvaný „Deep Color“, si vyžádal zvýšení rychlosti TMDS spojů včetně hodinového signálu. Narozdíl od DVI už proto neplatí, že pixel clock a TMDS jsou stejné. Pixel clock však nadále zůstává stejný, bez ohledu na použitou barevnou hloubku.

Nástup nového rozhraní

Za vývojem DisplayPortu nestojí pouze samotná VESA. Bez příslušné podpory největších společností působících v oblasti počítačové techniky a spotřební elektroniky by se nepodařilo prosadit jakýkoliv nový standard. O tom se ostatně přesvědčil rival DisplayPortu, pojmenovaný Unified Display Interface (UDI). Jak už to v této oblasti bývá, zpočátku se objevili dva adepti na titul „budoucí digitální přenosové rozhraní obrazu“. Dne 20. prosince 2005 byla oznámena skupina UDI Special Interest Group (UDI SIG), jejímiž členy byli mimo jiné Apple, Intel, LG, NVIDIA, Silicon Image Inc nebo Samsung. Finální specifikace UDI byla dokončena již v červenci 2006 a k jejímu rozšíření do jednotlivých zařízení mělo dojít během roku 2007, na jeho začátku však společnosti Intel a Samsung odstoupily od podpory UDI a přidaly se na stranu DisplayPortu, což znamenalo jeho konečné vítězství.

DisplayPort v současnosti podporují společnosti AMD, Dell, HP, Intel, NVIDIA, Samsung a další. Velikou výhodou je otevřenost tohoto formátu, tudíž v budoucnu dále dojde k jeho rozvoji, a hlavně - při jeho použití není nutno platit licenční poplatky (ačkoliv u některých licencovaných prvků DisplayPortu je možnost změny, samotné technologii by to spíše uškodilo). To je významný rozdíl oproti HDMI, a tak je o jednu velkou překážku méně na cestě k masovému rozšíření DisplayPortu. Jeho první verzi přitom představila VESA již v květnu 2006, k použití v jednotlivých zařízeních však dochází až během letošního roku. V současnosti je dostupná verze DisplayPort 1.1, přinášející oproti své první specifikaci několik změn.

Lepší, přesto kompatibilní

DisplayPort využívá pro přenos dat mikro-paketovou architekturu, což je zásadní rozdíl oproti DVI/HDMI. Tento způsob přenosu je velmi flexibilní z pohledu implementace nových vlastností tak, aby po připojení stále bez problémů fungoval i starší hardware. Výrobci tudíž budou moci využívat dosud nevídané možnosti jako adresování přenosu jednotlivým monitorům a více přenosů zároveň. Filmový průmysl zase potěší volitelná HDCP ochrana přenášených dat.

Nespornou výhodou je možnost použít architekturu DisplayPort k vnějšímu i vnitřnímu přenosu signálu. Co je tím míněno? Displej notebooku je připojen pomocí zvláštní technologie LVDS (Low Voltage Differential Signalling) nebo jednou z jejich mutací, přenášející nízkonapěťové signály velkou rychlostí pomocí obyčejných vodičů. Výhodou je relativně levné použití, nevýhodou je nutnost většího počtu vodičů pro vysoká rozlišení obrazovky. DisplayPort díky své architektuře může sloužit také jako náhrada LVDS, navíc s větší odolností proti okolnímu rušení, kterého je v dnešních noteboocích více než dost (několik antén bezdrátových adaptérů atd.).

Další klíčovou vlastností je možnost zpětné kompatibility s DVI/HDMI přenosy - taková zařízení budou pojmenována „Dual-mode Devices“ a budou schopna vysílat/přijímat přenos ve formátu DisplayPort i DVI/HDMI. Po propojení zařízení se nejdříve prozkoumá, jaký typ byl připojen - pokud bude např. ke grafické kartě s DisplayPort konektorem připojen monitor s DVI/HDMI vstupem (samozřejmě patřičnou redukcí), automaticky se výstup na kartě přepne na příslušný přenosový režim a zařízení budou bez problému fungovat. Stejně tak bude funkční monitor s DisplayPort vstupem na DVI/HDMI výstupu. Dual-mode zařízení mají pro snadné rozeznání i vlastní logo.

Specifikace DisplayPortu

Po technické stránce obsahuje DisplayPort tři hlavní přenosové kanály - MainLink, AUX CH a Hot Plug Detect. Jak vidno, použitím mikro-paketové architektury odpadla nutnost používat samostatný vodič pro přenos hodinového signálu (clock u DVI), protože časování začleněné do paketů přenosu je v cílovém zařízení extrahováno ze samotných přenosových dat. Main Link může tvořit 1 až 4 páry kabelů nazývaných „lane“ (dále používán výraz „trasa“), kolik jich nakonec bude implementováno je na volbě výrobce. Každá trasa může přenášet nejen obrazová, ale také zvuková data celkovou rychlostí buď 1,6 Gbps nebo 2,7 Gbps. Rychlost bude záležet nejen na schopnostech vysílače/přijímače, ale také na kvalitě použitého kabelu.

Maximální přenosová rychlost při plném využití všech čtyř tras je 10,8 Gbps, tedy mírné navýšení oproti dual-link DVI (9,9Gbps). Nejvyšší rozlišení při 8bitové barevné hloubce (24bit na pixel) a frekvenci 60 Hz se také zvedlo z 2560x1600 na 2560x2048. Zajímavější je možnost použít u režimu 2560x1600 vyšší barevnou hloubku 10bit (30bit na pixel). Krom RGB je rovněž podporován barevný prostor YCbCr444/422. Zvuk lze přenášet v chvílích nevyužití tras pro obrazová data. Nejvyšší datový tok je stanoven na zhruba 6 MB/s, což by mělo vystačit bez problémů i pro přenos osmikanálového zvuku. Naproti tomu na dnes nejpoužívanější rozlišení 1680x1050 při 6bitové barevné hloubce (tu používají levné monitory) si vystačí DisplayPort pouze s jednou trasou, což znamená příjemné finanční úspory. Zda-li se tyto uspořené finance nakonec skutečně promítnou do cen monitorů využívajících DisplayPort je otázkou.

AUX CH (auxiliary channel - pomocný kanál) slouží k přenosu dodatečných informací mezi přijímačem a vysílačem, např. monitorem a grafickou kartou. Je tedy obousměrný a využívá poloviční duplex (half-duplex - v každý okamžik je možný přenos pouze jedním směrem). U DisplayPortu specifikace 1.1 je rychlost pomocného kanálu stanovena na 1Mbit/s, což lze využít třeba pro přenos dat z USB hubu monitoru (vystačí propojení DisplayLink kabelem), k němu připojené webkamery a další. Primární účel je samozřejmě přenášet údaje o monitoru a jeho případné příkazy.

Poslední přenosový kanál Hot Plug Detect slouží k detekci připojení zařízení. Jedná se o jednosměrný přenos z připojeného zařízení (monitor) do zdroje dat (grafická karta). Slouží také k vyžádání přerušení pro přenos signálu přenos pomocný kanál ze strany monitoru.

Jak probíhá spojení

Propojení je na první pohled proces velmi jednoduchý, přesto se během něj odehraje mnoho důležitých událostí. Celá architektury DisplayPortu se skládá z několika vrstev. Údaje o stavech přenosu jsou ukládána do čipu DPCD (DisplayPort Configuration Data), zatímco v čipu EDID (Extended Display Identification Data) jsou uložena vlastnosti daného zařízení. Link a Stream Policy Makers („Tvůrce spojovacího postupu“ a „Tvůrce proudového postupu“) zajišťující hladké spojení a přenos. Pod nimi se nachází Link Layer („Spojovací vrstva“) a Physical Layer („Fyzická vrstva“).

Spojovací vrstva zajišťuje izochronní přenos (Isochronous Service; stejně trvající) ze zdrojového zařízení, který posílá přes MainLink audio a video signál zpracovaný podle určitého souboru pravidel tak, aby ho bylo možné na cílovém zařízení opět zpracovat do původní podoby. Úkolem zbývajících položek Link a Device Service („Spojovací služba“ a „Služba zařízení“) je nastavení a udržování spojení doplněné o přenos dat z připojeného zařízení, to vše přes pomocný kanál. Poslední, fyzická vrstva zajišťuje za/dekódování přenášených dat a kontrolu chyb vzniklých při přenosu. Díky jednoduššímu provedení emituje architektura DisplayPortu během přenosu mnohem méně elektromagnetického záření, a tím méně ovlivňuje nežádoucím způsobem okolí.

Propojení zdroje dat (grafická karta) s koncovým zařízením (monitor) je zjištěno pomocí Hot Plug Detect a dojde nejdříve k tzv. „Link Training“ („Příprava spojení“). Během tohoto úkonu je aktivován příslušný počet tras na příslušné rychlosti, které jsou schopna zpracovat obě zařízení. Nastaveny jsou rovněž další parametry přenosu, to vše pomocný přenosový kanál během velmi krátkého času okolo 10ms.

Zleva: DisplayPort, HDMI, DVI-D

Kabely, konektory a vše okolo

Nový standard si samozřejmě přináší také nové propojovací konektory. Dobrou zprávou budiž, že konektor DisplayPortu je velmi kompaktní, dá se přirovnat k současnému USB konektoru. Díky tomu se bez problémů vtěsná i na subnotebooky, kde není nikdy místa nazbyt. Konektor může volitelně obsahovat háčky zajišťující ho v zasunuté poloze, takže už není nutné se obávat nechtěného vytažení kabelu. Externí konektor obsahuje 20 pinů, z čehož jeden je napájecí s napětím +3 V až +12 V a proudem min. 500 mA pro aktivaci externích redukcí. Interní 26-pinový konektor podporuje nanejvýše rovněž 4 trasy, na rozdíl od externího propojení není nutné propojit všechny.

Jak již bylo řečeno, možnost přenosu signálu ve starším formátu vyhovujícímu DVI přinese také spoustu příslušných redukcí Displayport-DVI/HDMI. Může se jednat o redukce v jednom kuse, s krátkým kabelem nebo s DisplayPort konektorem, ke kterému se připojí běžný kabel sloužící k propojení dvou zařízení. Volba záleží pouze na výrobci příslušné redukce.

Pozitivní je rovněž maximální délka kabelu - na vzdálenost 3 metry je DisplayPort schopen přenést rozlišení až 2560x1600, a SXGA+ rozlišení (1400x1050) dokonce až na vzdálenost 15 metrů. V přípravě je také použití optického kabelu namísto klasického měděného, který by podstatně prodloužil použitelnou délku kabelu bez nutnosti implementovat mezi jednotlivé kabely zesilovače signálu.

Co nás čeká v budoucnu

VESA již nyní počítá, že v průběhu roku 2009 by se mohla objevit specifikace DisplayPort 2.0, přinášející rychlejší přenosy nejen na MainLinku - což vyústí v podporu rozlišení až 3840x2400 při 60 Hz a 24bit barevné hloubce - ale také u pomocného kanálu. Samozřejmě s každou další verzí hrozí matení uživatelů a také fakt, že nový monitor využívající poslední specifikaci DisplayPortu nepoběží „na plný plyn“ na starém grafickém adaptéru.

Dále je v plánu bezproblémová implementace podpory několika monitorů přes jeden konektor - použitím rozdvojky bude možné k notebooku připojit použitím jednoho DisplayPortu dva a více monitorů, a pomocí adresování je používat jako samostatné jednotky. Pro použití v ultramobilních zařízeních typu UMPC bude uveden mini konektor, který bude splňovat specifikace svého „dospělého“ protějšku. K získání konektoru běžné velikosti bude stačit použití pasivní redukce.

Postupem času se objeví také více samotného hardwaru podporujícího DisplayPort, v současnosti se jedná pouze o grafické karty řady AMD/ATI HD 3x00 nebo příchozí integrovanou grafiku Intel GMA X4500. Zde ale záleží na uvážení každého výrobce notebooku, jestli při použití příslušné grafiky obdaří notebook taky DisplayPort konektorem nebo nikoliv. Nejdále je s uváděním těchto zařízení na trh společnost Dell - momentálně nabízí již nějakou dobu monitory 2408WFP a 3008WFP vybavené tímto rozhraním, od června by se k nim měly přidat také první notebooky řady Latitude E s DisplayPort výstupem. Zatím se tedy zdá, že DisplayPort je krok správným směrem. Jak to bude ve skutečnosti ukáže až čas a samotná reakce trhu.

Zdroje: www.ddwg.org, www.hdmi.org, www.vesa.org, www.displayport.org