Компьютеры -> Видео -> Digital Video Interface ( DVI )

Digital Video Interface ( DVI )

Согласно концепции Джона фон Неймана, компьютер должен обладать устройством вывода. Единственным представлением информации, которое компьютер может легко производить, а человек воспринимать без дополнительной обработки, является визуальное представление. Компьютер может данные распечатать или вывести на экран. Второй вариант предпочтительнее, поскольку он имеет значительно большую скорость обновления и не требует дополнительных расходных материалов. Именно он, собственно говоря, и победил. Печатать-то мы, конечно, печатаем, да вот только намного меньше, чем смотрим в монитор. Да и их число значительно превосходит количество принтеров, плоттеров и других подобных устройств.

Долгое время мониторы были только электронно-лучевыми. Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) является уже очень хорошо отработанной технологией. Однако у ЭЛТ есть свои недостатки. Самыми заметными из них являются большие размеры, энергопотребление и электромагнитное излучение. И если с излучением еще можно бороться, например, посредством экранирования, то проблемы размеров (а с увеличением диагонали мониторы стали просто монструозными) и энергопотребления вытекают из сути технологии. Кроме этого, по той причине, что ЭЛТ аналоговые, а вот компьютеры, наоборот, цифровые, приходится производить постоянные цифро-аналоговые преобразования (ЦАП). Из-за этого, а также из-за влияния помех на сигнал во время передачи, картинка получается несколько искаженной. И если при отображении объектов реального мира искажения малозаметны, то в случае геометрических тел и текста происходит потеря четкости границ.

С течением времени развитие науки позволило создать дисплеи на основе другой технологии: технологии жидких кристаллов (ЖК). ЖК-мониторы отличаются от ЭЛТ значительно меньшими размерами, энергопотреблением и излучением. Конечно, качество картинки LCD-панелей не достигает уровня фотореалистичности, как у ЭЛТ-мониторов, но оно постоянно улучшается, поскольку эта технология еще позволяет производить доработки. Да и цены на ЖК все еще немалые. Однако у них есть еще одно преимущество: они дискретные, т.е. цифровые. Это, правда, приводит к одному недостатку: ограниченному числу поддерживаемых разрешений, из которых наиболее предпочтительно родное. Но зато это роднит ЖК-монитор и сам компьютер. К тому же данные, передаваемые в дискретном виде, менее подвержены искажению помехами.

Однако полностью насладиться прелестями последствий исключительно цифрового взаимодействия монитора и компьютера было невозможно по той причине, что не существовало стандартов цифрового интерфейса. При передаче данных от одного цифрового устройства к другому использовался аналоговый интерфейс, и приходилось производить не только ЦАП в компьютере, но и аналого-цифровое преобразование (АЦП) - в мониторе.

Разумеется, вскоре стали появляться различные спецификации цифровых интерфейсов. Это были Plug&Display (P&D) и Digital Flat Panel (DFT). Но, к сожалению, эти стандарты оказались короткоживущими.

P&D, основанный на технологии SiliconImage PanelLink TMDS (Transition Minimized Differential Signaling), поддерживал протоколы USB и IEEE 1394, а также аналоговую передачу данных. Он разрабатывался под началом ассоциации по стандартизации в области видеотехники (Video Electronics Standards Association, VESA). P&D применялся один канал TMDS, предельная частота обмена данными устанавливалась на пороге 165 МГц. Это обеспечивает работу в разрешении 1280х1024 при частоте обновления 85 Гц и интервале гашения, соответствующем VESA Generalized Timing Formula Specification (VESA GTF). Но по причине применения дорогостоящего разъема, отсутствия интереса рынка к USB и IEEE1394 этот стандарт был обречен.

Спецификация DFT разрабатывалась с учетом ошибок P&D и была принята VESA в качестве стандарта. Он также основан на одноканальном SiliconImage PanelLink TMDS, и в этом стандарте применяется малозатратный разъем. Однако он не поддерживает аналоговый сигнал и не предусматривает путей увеличения производительности.

Но есть такая разновидность компьютеров, как ноутбуки. В них изначально применялись ЖК мониторы, не было груза видеокарт с аналоговым выходом, да и использование ЦАП-АЦП немыслимо при постоянном стремлении к снижению габаритов, массы и энергопотребления. В этой сфере был разработан цифровой стандарт Low Voltage Differential Signaling (LVDC). Однако у него есть два серьезных недостатка: скорость передачи данных (а, значит, и поддерживаемые разрешения) зависит от длины кабеля, отсутствует универсальный разъем, т.к. для различных разрешений применяются разные разъемы.

Таким образом, явно видна необходимость нового цифрового стандарта для связи монитора и компьютера. Им стал Digital Video Interface (DVI).

Digital Video Interface

В 1998 году была образована группа Digital Display Work Group (DDWG), перед которой  поставили задачу по созданию нового цифрового стандарта. В 1999 году была опубликована первая (и единственная на тот момент) версия спецификации Digital Video Interface (DVI).

DVI также основан на технологии SiliconImage PanelLink TMDS. Однако, в отличие от P&D и DFT, в нем предусмотрена возможность использования не одного, а двух каналов TMDS. Причем DVI не просто использует два канала, но и в двухканальном режиме допускает значения частоты передачи данных на каждом из них свыше 165 МГц. Это дает возможность обеспечить работу в высоких разрешениях. По причине единой электрической основы DVI обладает обратной совместимостью с P&D и DFT посредством переходников. В DVI также есть поддержка аналоговых мониторов. Максимальная глубина цвета составляет 24 бита. Кроме того, DVI также принят VESA в качестве стандарта для цифрового интерфейса.

Логическая схема двухканальной TMDS представлена на рис.1.

Plug&Play

При загрузке компьютера графический адаптер должен определить VGA-совместимый монитор. Для работы в режимах загрузки и отладки DVI-совместимый монитор должен поддерживать разрешение 640x480 при частоте 60 Гц. И BIOS POST, и операционная система предполагают использование протокола DDC2B для обращения к монитору за данными о поддерживаемых разрешениях и интерфейсах. Для идентификации типа дисплея и его возможностей DVI использует VESA Extended Display Identification Data (EDID). Совокупность разрешений, поддерживаемых монитором и графической подсистемой компьютера, и определенных пользователем, определяет используемое разрешение.

Если на начальном этапе загрузки определяется подключение цифрового монитора, то активным может быть только первичный канал TMDS, вторичный канал может быть подключен только после идентификации графическим адаптером поддержки монитором двухканальной работы. Если подключается аналоговый монитор, то система должна рассматривать это подключение как D-SUB-подключение.

Если же в процессе загрузки DVI-совместимый монитор не был найден, то включается механизм Hot Plug Detection, позволяющий системе определить факт подключения DVI-устройства. После получения события Hot Plug-In система запросит данные по протоколу DDC2B и, если потребуется, активизирует первичный канал TMDS.

Кроме разрешения и частоты обновления, есть еще два параметра, влияющих на качество изображения: показатель гамма и масштабирование. Первый зависит от технологии дисплея и используется в DVI для компенсации различий в экранных технологиях. Если монитор определяется как устройство с фиксированным набором разрешений, поддерживающее более одного разрешения, то в нем должен быть реализован блок масштабирования изображения в родное разрешение.

Каналы TMDS

Для поддержки структуры данных EDID DVI должен уметь переключать число каналов, исходя только из разрешения и частоты обновления. Система должна достаточно просто определять совместимость с режимами отображения (в данном случае это совокупность разрешения и частоты обновления) монитора и сообщать результат пользователю. Минимальная частота первичного канала равна 25 МГц (640х480, 60 Гц). Для обеспечения уверенности в том, что режимы поддерживаются системой и монитором единообразно, первичный канал TMDS должен использоваться для работы с режимами, требующими от TMDS частоты вплоть до 165 МГц. Более высокие режимы должны поддерживаться уже с помощью двух каналов. В двухканальном режиме нагрузка поровну распределяется между каналами. Таким образом, минимальная частота вторичного канала равна 82.5 МГц. Система должна учитывать ограничения, накладываемых как графическим адаптером, так и монитором и передатчиком TMDS, и не позволять пользователю пытаться активировать режимы, неподдерживаемые хотя бы одним их этих компонентов. Максимальная частота передачи данных в двухканальном режиме не ограничена 330 МГЦ (т.е. 2х165 МГц) и не задана в спецификации.

DVI-совместимые системы должны обладать, как минимум, одним каналом TMDS и поддерживать минимальный режим отображения. Двухканальные системы должны быть способны выполнить динамическое переключение между режимами отображения, включая переключение между одно- и двухканальным режимами работы. При работе двухканальной системы в одноканальном режиме второй канал нужно выключить.

В DVI-совместимом мониторе должен быть реализован, как минимум, один канал TMDS. Также он обязан поддерживать минимальный режим отображения. Если монитор поддерживает режимы отображения, требующие от TMDS частот более 165 МГц, в нем должен быть реализован второй канал TMDS. Двухканальные мониторы должны поддерживать динамическое переключение между различными режимами отображения, включая переключение между одно- и двухканальным режимами работы.

Поддержка High Color

Реализация режимов поддержки глубины цвета более 24 бит возможна посредством использования вторичного канала. Реализация таких режимов предполагается в последующих версиях стандарта, которые не будут обладать обратной совместимостью с текущей. Цвет каждого пикселя может быть составлен из старших бит, получаемых с первичного канала, и младших бит со вторичного канала. В случае реализации старший бит данных вторичного канала должен быть смещен на 24 бита относительно данных первичного канала. Таким образом, будет достигнута 48-битная глубина цвета. Система должна определять поддержку монитором глубины цвета High Color, прежде чем включить ее. Если High Color не поддерживается, то система должна работать в необходимом 24- битном формате.

Поддержка низкого разрешения

Низкое разрешение используется в качестве режима по умолчанию, который позволяет пользователю видеть разборчивые отображения сообщений BIOS и операционной системы (ОС) во время загрузки. Изображение необязательно должно быть полноэкранным или центрированным. После загрузки ОС драйвер графического адаптера может переключиться в другой режим отображения. Видео-BIOS должен отвечать на все существующие вызовы VESA BIOS и прерывание за номером 10, впрочем, возможна эмуляция нужного режима аппаратным обеспечением.

Индустриальным стандартом для режима 640х480 является частота обновления 60 Гц. Система должна переназначить режим 3 10-го прерывания в режим, соответствующий требуемым условиям.

EDID

DVI-совместимая система должна поддерживать структуру данных EDID. Никаких иных требований, кроме поддержки минимального разрешения, нет. Система должна считывать данные в формате EDID для определения режимов, поддерживаемых монитором. Цифровые мониторы могут использовать различные версии EDID (например, 1.2 и 2.0), поэтому системы обязаны иметь поддержку всех этих версий, если необходимо поддерживать все существующие мониторы. DVI-совместимые мониторы должны обладать поддержкой структур данных EDID. Поддержку минимального разрешения необязательно указывать в EDID, но монитор обязан давать нормальное изображение. Если монитор имеет фиксированное разрешение, то бит "Preferred Timing Mode" должен быть установлен, а родное разрешение указано первым в списке поддерживаемых разрешений.

DDC

DDC - Display Data Channel, канал отображения данных, позволяет видеоадаптеру и монитору автоматически подстраиваться друг к другу для работы при наилучших комбинациях разрешения и частоты развертки.

Для совместимости с DVI требуется поддержка спецификации DDC2B. DVI-совместимая система должна поддерживать сигнал DDC +5В. В течение 250 мс с момента поступления сигнала DDC +5В DVI-монитор должен быть готов передать по каналу DDC2B данные в формате EDID. DVI-совместимый монитор не может поддерживать транзакции DDC1.

Питающий контакт +5 В должен обеспечивать минимум в 55 мА. Если монитор выключен, он не может выдать более 50 мА, если включен - не более 10 мА.

Показатель гамма

ЭЛТ-мониторы (и ТВ-экраны) применяют нелинейную передаточную функцию цвета, требующую предварительной коррекции входных данных для получения нормализованного изображения. Но графические данные, генерируемые компьютерно, имеют линейное цветовое пространство. Из-за того, что эти данные обычно отображаются с помощью ЭЛТ-мониторов, графическому адаптеру приходится применять функцию, известную как гамма-коррекция. Обычное значение показателя гаммы для ЭЛТ равно 2.2.

Масштабирование

Мониторы с фиксированным разрешением имеют два режима отображения:

1. отображение в родном разрешении;
2. отображение данных, масштабированных в родное разрешение монитора. Масштабирование в родное разрешение - обязанность монитора.

Система должна предполагать поддержку монитором минимального разрешения, даже если он не указан в данных формата EDID. Если монитор не поддерживает необходимое разрешение, то графический адаптер может: 1. Масштабировать изображение в родное разрешение монитора. 2. Центрировать изображение. 3. Уведомить пользователя об отсутствии поддержки монитором этого разрешения.

Система может позволять пользователю выбирать, чьими силами производить масштабирование изображения: системы и монитора (если у него есть такая возможность). По умолчанию, если это возможно, изображение масштабируется монитором.

Если монитор с фиксированным разрешением поддерживает более одного разрешения, то он должен уметь масштабировать изображение в поддерживаемые разрешения. Блок масштабирования должен поддерживать все стандартные режимы в интервале от минимального до максимального поддерживаемых монитором разрешений. Монитор обязан указывать поддержку (в данных формата EDID) только тех разрешений, которые может отображать полноэкранно хотя бы по одному измерению.

Если в мониторе отсутствует блок масштабирования, он должен сообщать в структуре EDID поддержку только родного разрешения, но также предоставлять разборчивое изображение в минимальном разрешении.

Если DVI-совместимый монитор поддерживает только родное разрешение (как минимум, в одном измерении на полный экран) и минимальное разрешение в неполно-экранном режиме, он должен сообщать в структуре данных EDID поддержку только родного разрешения. Если же минимальное разрешение поддерживается полно-экранно хотя бы в одном измерении, оно может указываться в структуре данных EDID.

Горячее подключение

Определение горячего подключения (подключения "на лету", "по-горячему") - Hot Plug Detection, HPD - системная функция, требующая соответствия индустриальным стандартам как монитора, так и системы. События горячего подключения:

• присоединение монитора. Когда фиксируется это событие, графическая подсистема должна сгенерировать системное событие (зависит от ОС), позволяющее ОС считать данные формата EDID. Если графическая подсистема и монитор поддерживают совместимые разрешения, ОС должна включить монитор и, если необходимо, канал TMDS;
• отсоединение монитора. Когда фиксируется это событие, графическая подсистема должна сгенерировать системное событие (зависит от ОС), уведомляющее ОС. Если используемый DVI-совместимый монитор цифровой, то графическая подсистема должна отключить передатчик TMDS в течение 1 сек.

Любые специфические реакции на HPD определяются ОС.

Монитор должен выдавать более +2.4 В на контакт HPD только когда структура EDID готова для чтения системой. Если структура EDID не может быть считана, напряжение на контакте HPD должно быть ниже +0.4В.

Горизонтальная и вертикальная синхронизации, флаг передачи данных

Предполагается, что цифровыми будут не только ЖК, но и ЭЛТ-мониторы. Для обеспечения независимости от дисплейной технологии цифровая система должна отдельно кодировать в канале TMDS параметры вертикальной и горизонтальной синхронизаций. Также необходимо отдельно кодировать флаг передачи данных (Data Enable, DE). Флаг DE должен показываться высоким уровнем сигнала.

Форматы данных

И система, и монитор должны поддерживать, как минимум, 24-битный, выровненный по старшему биту формат данных RGB TFT. Этот формат данных, а также форматы с меньшей глубиной цвета описаны в версии 3.0 спецификации VESA EDID. Если монитор использует EDID 1.2, система должна предполагать поддержку им 24-битного формата. При использовании EDID более новых версий монитор должен указывать все поддерживаемые форматы, которые могут быть указаны в используемой структуре EDID.

Совместимость с другими спецификациями, основанными на TMDS

На электрическом уровне спецификация DVI основана на SiliconImage TMDS. Каждая разработка должна обеспечивать совместимость с существующими спецификациями на основе TMDS. VESA DFP и VESA P&D могут быть подсоединены к DVI через переходники. Функции других спецификаций, реализованные не через TMDS, не будут работать.

DVI-совместимые системы могут быть двухканальными. Монитор, использующий отличную от DVI спецификацию, основанную на TMDS, не должен иметь возможности задействовать пропускную способность второго канала.

В целях обеспечения сохранности передатчика и совместимости с P&D переходники для соединения P&D монитора и DVI системы должны удовлетворять указанным ранее требованиям для HPD.

Полоса пропускания интерфейса

Минимальная частота TMDS определяется исходя из необходимости канала различать режим минимального разрешения и режим отключения канала. Так как минимальный режим отображения для DVI - 680х480@60Гц (частота 25.175 МГц). Канал DVI должен выходить из активного состояния, если частота TMDS будет не больше 22.5 МГц более одной секунды.

Протокол передачи TMDS предполагает возможность передачи данных по оптическому кабелю. Оптические реализации могут считать DVI-совместимыми при условии удовлетворения требованиям по Plug&Play. Для альтернативных сред передачи данных предполагается реализация подключения через переходник.

Управление питанием цифрового монитора

В англоязычной литературе именуется Digital Monitor Power Management (DMPM). Данное описание предполагает управление питанием любого монитора посредством каналов TMDS. Описание управления питанием аналоговых мониторов будет дано при описании аналоговой части DVI. Задано 6 режимов управления питанием для программируемого контроля над питанием монитора и обеспечением доступности идентификационных данных монитора. Для полноты изложения указаны режимы, обеспечиваемые посредством кнопки включения питания.

Режим включенного монитора (Monitor On Power State)

Канал TMDS активен. Передатчик TMDS запитан и активен. Приемник TMDS запитан и активен. Этот режим соответствует режиму "On" в Display Power Management System (DPMS). Данные EDID гарантированно доступны. Сигнал DDC +5 В в наличии, монитор выдает на него менее 10 мА.

Монитор выходит из этого режима, если:

1. канал TMDS стал неактивен;
2. пропал сигнал DDC +5 В;
3. монитор выключен кнопкой питания. 

Промежуточный режим (Intermediate Power State)

Канал TMDS неактивен. Передатчик обесточен. Приемник запитан, но может быть неактивен. Передатчик должен быть способен определить факт активизации канала TMDS и перевести монитор в состояние включения. Продолжительность нахождения монитора в данном режиме определятся таймером. Данный режим близок к DPMS "Suspend". Данные EDID гарантированно доступны. Сигнал DDC +5В в наличии, монитор выдает на него менее 10 мА.

Монитор выходит из этого режима, если:

1. канал TMDS стал неактивен;
2. пропал сигнал DDC +5В;
3. монитор выключен кнопкой питания.

Активный режим выключенного монитора (Active-Off Power State)

Канал TMDS неактивен. Передатчик обесточен. Приемник запитан, но может быть не активен. Приемник должен быть способен определить факт активизации канала TMDS и перевести монитор в состояние включения. Данный режим соответствует режиму DPMS "Off" ("Active-Off" в структуре EDID 2.0). Сигнал DDC +5 В в наличии, монитор выдает на него менее 50 мА.

Монитор выходит из этого режима, если:

1. канал TMDS стал активен;
2. пропал сигнал DDC +5 В;
3. монитор выключен кнопкой питания.

Режим выключенного монитора, невосстановимый каналом (Non-Link Recoverable Off Power State)

Канал TMDS неактивен. Передатчик обесточен. Приемник обесточен. Монитор переводится в это состояние при отсутствии сигнала DDC +5В. Данные EDID недоступны. Из этого режима нельзя выйти посредством управления с канала TMDS. Режим соответствует DPMS "Off (with No DPMS Recovery)" ("Active-Off" в структуре EDID 2.0).

Монитор выходит из этого режима, если:

1. появился сигнал DDC +5В;
2. монитор выключен кнопкой питания.

Режим отключенного питания (Monitor Power Switch Off Power State)

Монитор входит в этот режим только при отключении питания. Он имеет два подрежима в зависимости от наличия сигнала DDC +5В. Данные EDID гарантированно доступны, только если этот сигнал в наличии. Монитор выходит из этого состояния только при включении питания.

Канал TMDS считается неактивным, если не происходит логических переключений DE более одной секунды. Монитор может считать канал неактивным, если частота TMDS не поддерживается монитором.

DVI-совместимая система должна уметь отключать TMDS канал для ввода монитора в режим низкого потребления.

DVI-совместимый цифровой монитор обязан поддерживать два режима питания:

1. Monitor On Power State;
2. Active-Off Power State.

Автор: Kto Источник: www.techlabs.by