Interne Display-Schnittstellen im Überblick

| Autor / Redakteur: Christian Forthuber * / Margit Kuther

Anschluss gesucht: Bei der Wahl eines Displays ist auch das Interface zu berücksichtigen.
Anschluss gesucht: Bei der Wahl eines Displays ist auch das Interface zu berücksichtigen. (Bild: gemeinfrei / CC0)

Größe, Auflösung und Helligkeit bestimmen vielfach die Display-Wahl. Doch letztlich entscheidet die Schnittstelle, wie effizient die Bilddaten vom Computer zur Anzeige übertragen werden.

Bei der Wahl der passenden Schnittstelle für eine Applikation kommt es einerseits darauf an, welche Interfaces die Hersteller der Panels anbieten, andererseits sind auch die Gegebenheiten der ansteuernden Recheneinheit zu berücksichtigen. Wir beschäftigen uns im Folgenden mit den, wie ich sie nenne, ‘internen Interfaces’. Darunter verstehe ich den direkten Anschluss eines Displays an einen Prozessor oder Controller, wobei meist beide auch im gleichen Gehäuse untergebracht sind.

Im Gegensatz dazu ist bei den ‘externen Interfaces’ eine Signalwandlung, unter Umständen auch von Digital zu Analog und umgekehrt, erforderlich. Diese Schnittstellen (VGA, Composite-Video, S-Video, DVI, HDMI oder DisplayPort) findet man bei Monitoren oder auch bei LCD-Projektoren, die an einen Rechner angeschlossen werden. Der Vorteil sind dabei die standardisierten Anschlüsse (Stecker, Belegung), sodass Geräte mit handelsüblichen Kabeln einfach verbunden werden können. Aber nun zu den Display-Schnittstellen und deren Vor- oder Nachteile:

I²C, einfache Kommunikation zwischen Peripherie und MCU

I²C (Inter-Integrated Circuit oder auch I-Quadrat-C oder I2C) wurde 1982 von Philips erfunden, die Markteinführung erfolgte aber durch Mitbewerber, allen voran Motorola, NEC, TI, Intersil und Siemens. Es wurde als Multi-Master, Multi-Slave, Single-Ended serielles Bussystem entwickelt, um eine einfache Kommunikation von Peripheriebauteilen wie EEPROMs, AD-/DA-Wandler, aber auch Tastaturen mit einem Microcontroller zu ermöglichen.

Das System benötigt nur zwei Leitungen, Serial Clock (SCL) und Serial Data (SDA). Es verwendet ein asynchrones Protokoll und funktioniert auf kurzen Distanzen auf einer Leiterplatte oder innerhalb eines Gerätes. Eingesetzt wird das Interface bei kleinen Displays mit geringer Auflösung, da die Datenrate bei der Übertragung der Bildinformation nicht so schnell sein muss. Naturgemäß sind das kleine TFTs mit bis zu 320 x 240 Pixeln, Graphik-LCDs oder PMOLED-Displays. I²C ist auch eines der meistverwendeten Interfaces für den Anschluss von projiziert-kapazitiven Touch-Sensoren.

Vorteile der I²C-Schnittstelle:

  • geringer Energieverbrauch
  • unempfindlich bei Störungen
  • einfache Anwendung und Fehlersuche
  • Bandbreite bis 1 Mbit/s

SPI für den Datenaustausch zwischen zwei Geräten

Das 1987 von Motorola entwickelte Bussystem SPI (Serial Peripheral Interface) ist eine synchrone serielle Schnittstelle für den Datenaustausch zwischen zwei Geräten wie Speicher, Sensoren, AD-Wandler oder Real Time Clocks. Das System arbeitet bidirektional im Full-Duplex-Mode, bei dem Daten auf einem Träger in beiden Richtungen gleichzeitig übertragen werden. Ein unabhängiger Master kommuniziert mit mehreren Slaves. Es können also nur Daten zum Display übertragen werden, aber nicht umgekehrt.

Ein kleiner Nachteil ist die Anzahl der benötigten Pins – jeder Slave braucht einen eigenen Chip-Select Pin am Master. Anwendung findet SPI ebenfalls bei kleinen Displays mit niedriger Auflösung. Um Displays mit höherer Auflösung mit SPI auszustatten, muss auf der Seite des Panels zusätzliche Intelligenz (Speicher, Controller) vorgesehen werden, da die Schnittstellengeschwindigkeit nicht für eine direkte Bildübertragung ausreicht. Die Daten müssen im Display zwischengespeichert werden, bevor sie angezeigt werden können.

Vorteile von SPI

  • Einfache Implementierung
  • Längere Leitungen möglich
  • Schneller als I²C
  • Bandbreite bis ca. 10 Mbit/sec

MCU (Micro-Controller Unit) für parallele Datenverarbeitung

Um den Anschluss eines Displays möglichst einfach zu halten, gleichzeitig aber die Geschwindigkeit bei der Datenübertragung zu erhöhen, wurde und wird auf parallele Schnittstellen zurückgegriffen. Ein 8(9)- oder 16(18)-Bit breiter Datenbus verbindet alle Peripherieeinheiten in einem Mikroprozessor-System mit der CPU. Das Display kann einfach eingebunden werden. Basierend auf den beiden ursprünglichen µC-Technologien, lassen sich die Interfaces meist sowohl im 8080- als auch im 6800-kompatiblen Modus betreiben. Dank paralleler Datenverarbeitung und dadurch höherer Bandbreite meistert die Micro-Controller Unit auch mittlere Displaygrößen und mittlere Farbtiefen.

Vorteile der MCU

  • Einfache Einbindung ins System
  • Geeignet auch für mittlere Displays
  • Bandbreite bis ca. 120 Mbit/s

RGB, geringe Kosten bei hoher Leistung

Die Schnittstelle RGB (Rot, Grün, Blau) ist ein Sonderfall einer parallelen Schnittstelle. Es ist kein Bildspeicher auf der Displayseite notwendig, die Ansteuerung erfolgt komplett vom Prozessor aus. Für jede Farbe (Rot, Grün und Blau) werden 6- oder 8-Bit breite Datenworte gesendet. Wesentlich größere Datenmengen können in kurzer Zeit zur Verfügung gestellt werden. Nachteil ist die große Anzahl der Leitungen, die teurere Stecker erfordert, und das damit verbundene schlechtere EMV-Verhalten. RGB ist bei kleinen und mittelgroßen Displays weit verbreitet.

Vorteile von RGB

  • Relativ geringe Kosten durch ausgereifte Technologie
  • Hohe Leistung
  • Bandbreite bis 1,2 Gbit/s

LVDS für hohe Bandbreiten bei reduzierten Störpegeln

LVDS (Low-Voltage Differential Signaling) wurde 1994 entwickelt und ist aktuell der am weitesten verbreitete Interface-Standard für Anzeigen. Er bietet die erforderliche hohe Bandbreite für hochaufgelöste Grafiken und Videos mit hohen Bildwiederholraten. Die 18- oder 24-Bit-Farbinformation wird in einen seriellen Datenstrom umgewandelt, mit hoher Geschwindigkeit (mit 7fach höherer Taktfrequenz als das Original) übertragen und anschließend wieder in die ursprüngliche Information rückgeführt. Die Schnittstelle arbeitet mit differentiellen Signalen, d.h. die Information wird vom Empfänger als Differenz der Spannungen auf dem Leitungspaar gelesen. Dies reduziert den Störpegel, verbessert das EMV-Verhalten und hält den Stromverbrauch gering. Die Übertragung ist daher auch immun gegen Störeinflüsse von außen. Eingesetzt wird LVDS bei mittleren und großen Displays. Sollte die Auflösung eine höhere Bandbreite erfordern (dies ist ab ca. 1,5 Millionen Pixel der Fall), kann das Interface problemlos auf zwei Ports (Dual-LVDS) oder vier Ports (Quad-LVDS) erweitert werden.

Vorteile von LVDS

  • Geringer Leistungsverbrauch
  • Sehr gutes EMV-Verhalten
  • Geringe Leitungsanzahl
  • Bandbreite bis 3,125 Gbit/sec

eDP, für hochauflösende, große Displays

Der embedded Display Port (eDP) ist ein von VESA (Video Electronics Standards Association) 2008 festgelegter Standard. Er nutzt eine LVDS-ähnliche Hardware, allerdings mit weniger Leitungspaaren bei einer höheren Geschwindigkeit. Anstoß war, die Limitierungen von LVDS bei großen, hochauflösenden Displays zu umgehen. INTEL hat als einer der ersten die Schnittstelle in die Atom-Prozessoren Bay Trail übernommen und plant in Zukunft nurmehr eDP zu unterstützen. In der Praxis findet man das Interface bei großen Monitor-Panels, in der Industrie ist es eher wenig anzutreffen.

Vorteile von eDP

  • Skalierbar
  • Einfache Integration
  • Geringe Systemkosten
  • Bandbreite 1,62 Gbit/s pro Lane

MIPI DSI, für Hochgeschwindigkeitsmodi

Die MIPI Allianz ist die Urheberin für eine ganze Reihe von Standards für mobile Geräte. Beeinflusst durch den Mobiltelefonmarkt wurde auch ein Interface für Displays entworfen. MIPI DSI (Mobile Industry Processor Interface – Display Serial Interface) ist ähnlich wie LVDS als differentielle Schnittstelle mit vier oder acht Leitungspaaren, sogenannten Lanes, sowie einem Taktleitungs-Paar aufgebaut. Nachteilig ist die komplexe Protokoll- und Treibersoftware. Diese unterstützt Hochgeschwindigkeits- sowie Energiesparmodi und bietet die Möglichkeit, vom Display auch Daten mit geringer Geschwindigkeit zurück zu lesen.

Die Anzahl, der für die Industrie verfügbaren Displays mit MIPI DSI, ist im Augenblick noch überschaubar. Auf dem Markt sind vor allem Displays, die aus dem Umfeld der Mobiltelefone oder der Tablets kommen, also meist mittlere Displaygrößen (5“, 10,1“) mit hoher Auflösung. Es zeichnet sich aber ab, dass das Angebot hier in Zukunft langsam steigen wird. Hersteller wie QUALCOMM haben das Interface in ihren Chipsets integriert und sehen den Markt dafür auch bei Industriekunden. Das MIPI-Konsortium ist ebenfalls bestrebt, das Interface auch anderen Bereichen, etwa Automotive oder Digital Signage, schmackhaft zu machen.

Vorteile von MIPI DSI

  • Niedriger Energieverbrauch
  • Großer Datendurchsatz
  • Geringe elektromagnetischen Interferenzen
  • Geringe Pin-Anzahl
  • Bandbreite bis 6/12 Gbit/s

Vx1 (V-by-One) mit Embedded Clock und 4 Gb/s per Lane

2007 entwickelte Thine Electronics ein Interface, das ebenfalls als Ersatz für LVDS bei großen Displays zur Verfügung stehen sollte. Vx1 (V-by-One) hat den Vorteil, dass sich bei ähnlichem Aufbau wie LVDS auch günstige Twisted-Pair-Kupferkabel (es muss nur die Impedanz 100 Ω betragen) einsetzen lassen - bei höherer erzielbarer Übertragungsgeschwindigkeit. Durchgesetzt hat sich diese Schnittstelle trotz des Vorteils günstiger Hardware jedoch (bis jetzt) nicht.

Vorteile von Vx1

  • Standardkabel können verwendet werden
  • Keine Softwareanpassung
  • Bandbreite bis 4 Gbit/s

* Christian Forthuber ist Produktmanager bei CODICO

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45626849 / HMI)