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EDP e LVDS

EDP e LVDS

Una delle principali innovazioni introdotte nei display dei notebook ha riguardato l’adozione di un’interfaccia standard per la comunicazione dei dati dal chip grafico al pannello LCD, che ha consentito di adattare a un computer vari tipi di schermo; questa interfaccia passa sotto il nome di LVDS (Low Voltage Differential Signaling) perché sfrutta linee differenziali (bilanciate) ed è stata adottata inizialmente nei monitor con retroilluminazione a lampada e poi rivisitata nei più recenti LCD con retroilluminazione a LED. In questi ultimi il connettore, che tipicamente ha 40 contatti, trasporta, oltre ai dati e all’alimentazione per la logica di controllo della matrice LCD, l’alimentazione per la retroilluminazione.

Sia EDP che LVDS sono interfacce per segnali video, utilizzate nei computer industriali per connettere touch screen o display. L'interfaccia LVDS utilizza uno swing a bassissima tensione (circa 350 mV) per la trasmissione differenziale dei dati su due tracce PCB o una coppia di cavi bilanciati, ovvero segnali di differenziale a bassa tensione. Si tratta di un metodo di trasmissione del segnale video digitale sviluppato per superare gli svantaggi di un grande consumo di energia, di grandi interferenze elettromagnetiche EMI e simili durante la trasmissione di dati a banda larga ad alta velocità in modalità TTL. I PC industriali utilizzano un'interfaccia di uscita LVDS che consente la trasmissione di segnali a MPR differenziali su linee differenziali PCB o cavi bilanciati. I bassi livelli di rumorosità e il basso consumo energetico sono raggiunti dalla guida a bassa e bassa tensione.

                                                             

L'interfaccia EDP è un'interfaccia completamente digitale basata sull'architettura e il protocollo DisplayPort. Può trasmettere segnali ad alta risoluzione con connettori più semplici e un numero inferiore di pin e può trasmettere più dati contemporaneamente. Pertanto, la velocità di trasmissione è molto più alta su LVDS.

Nei monitor LCD più recenti viene utilizzata una connessione semplificata ma più prestante, chiamata eDP, che si sta affacciando prepotentemente sul mondo di notebook, netbook, tablet, PC all-in-one e simili: si tratta della Embedded DisplayPort (eDP) sviluppata dalla VESA (Video Electronics Standards Association) e basata sullo standard VESA DisplayPort. Il relativo connettore è più piccolo: appena 30 contatti.

Sul piano elettrico, l’interfaccia è similare per quanto riguarda i livelli di tensione e compatibile con la Video Port delle GPU; va però detto che non è intercambiabile, nel senso che cambia la disposizione dei contatti e qualcos’altro che verrà spiegato di seguito.

Secondo gli esperti e per quanto sta succedendo sul mercato, la eDP sostituirà negli anni a venire l’LVDS, perché rispetto a quest’ultima presenta alcuni vantaggi che si traducono il risparmio di energia e spazio, ma anche di costi.

Per quanto la eDP condivida il protocollo digitale di base, presenta alcune differenze che è il caso di analizzare per poter fare un confronto tra le due interfacce e capire come mai i costruttori vanno nella direzione dell’eDP.

Partiamo dalla considerazione che, sul piano elettrico, l’eDP è sempre un LVDS, perché i segnali dati vengono trasportati da canali differenziali; infatti è questa l’unica soluzione per far viaggiare dati a bassa tensione all’alta velocità richiesta dalla composizione di immagini animate come è richiesto oggi nei PC e tablet, alle risoluzioni anche Full HD 8k dei più raffinati standard video multimediali.

Ma che cosa significa LVDS?

Poco fa è stata data la definizione, ossia Low Voltage Differential Signaling, che significa linea a segnali differenziali a bassa tensione; ciò si comprende considerando che per trasportare segnali elettrici di solito bastano due fili e il segnale viaggia riferito al filo di massa (negativo) che ne è il riferimento. In presenza di segnali di disturbo come le interferenze elettriche presenti nell’ambiente, bisogna lavorare ad alta tensione, ma nei notebook e in generale nei computer, che si basano su dispositivi logici, bisogna restare sui 5 volt o addirittura sui 3 volt. Per “immunizzare” le linee dati nei confronti dei disturbi (che sovrapposti al segnale lo renderebbero indecifrabile causando vari problemi,che nel video si traducono in immagini alterate, contenenti dei vuoti o con colori sfalsati) si può ricorrere allora a soluzioni come le linee dati differenziali; in queste, che sono composte da tre fili, il segnale viaggia bilanciato, nel senso che su un filo c’è un segnale e sull’altro lo stesso segnale ma opposto di polarità. I due segnali di polarità opposta (specchiati) sono riferiti alla massa comune, che è il terzo filo, e nell’unità che deve ricevere i dati vengono fatti passare da un comparatore di tensione (se sono dati, altrimenti entrano in un amplificatore differenziale), del quale raggiungono uno l’ingresso invertente e l’altro il non-invertente; con questo tipo di collegamento, siccome il convertitore commuta la propria uscita a livello logico alto quando la tensione sul non-invertente supera quella dell’invertente e viceversa, i segnali si sommano. Invece gli eventuali disturbi, che vanno a sovrapporsi ai segnali dei due fili in egual misura, rappresentando un segnale uguale vengono sottratti dal comparatore e non danno origine ad alcun segnale, perché si annullano. Ne risulta che rimangono i dati puliti.

Questa tecnica consente di trasferire dati a velocità molto elevate anche usando tensioni molto basse come quelle della logica dei chip video (GPU) dei computer.

Questa è in sintesi una linea LVDS.

Nella comunicazione tra GPU e pannello LCD, oltre alle linee dati c’è il clock, anche questo differenziale e con una propria linea.

Nei monitor a interfaccia LVDS, per accelerare al massimo il trasferimento dei dati si spezzettano le informazioni dirette dalla GPU al pannello LCD in pacchetti che viaggiano su più linee (fino a 4) LVDS in parallelo.

Nell’interfaccia degli LCD LVDS ci sono quindi 3 fili per canale dati, ovvero fino a 12, nel caso di quattro linee differenziali. Oltre a questi, vanno aggiunti i fili di alimentazione e massa della logica di controllo della matrice e quelli dell’eventuale retroilluminatore a LED, più i segnali di controllo dell’accensione della retroilluminazione a LED come il PWM (BKLT_PWM_DIM), l’Enable (BKLT_ENABLE) ecc.

Di seguito è illustrato il tipico connettore LVDS 40 contatti con la relativa piedinatura.

LVDS connector

In questo caso si tratta di una connessione LVDS piena, con quattro canali (Lane).

Per quanto riguarda la eDP, è un’interfaccia concettualmente simile perché basata su link LVDS, solo che differisce per protocollo e grazie all’adozione di speciali accorgimenti, consente di raggiungere su un singolo canale velocità di comunicazione più elevate di quelle delle linee LVDS.

DisplayPort DevCon Presentation, eDP, Dec 2010 v3.ppt

Schematizzazione dell’interfaccia eDP e della connessione tra computer e pannello LCD.

L’interfaccia eDP trasporta tipicamente questi segnali nel canale dati principale (Lane 0):

dati sul contenuto dei pixel componenti l’immagine;

informazioni di temporizzazione del video;

Pixel Clock, Hsync, Vsync (sincronismi);

informazioni sul rapporto d’immagine (16:9, 24:9 ecc.);

bit per pixel (profondità di colore);

video data error correction;

audio digitalizzato (opzionale).

L’audio viene generato da alcune schede madri e affiancato all’eDP per i dispositivi con monitor multimediale o separato; di norma nei notebook non è previsto.

Al canale dati principali, nell’eDP si affianca un eventuale canale AUX (Lane 1) che contiene queste informazioni:




dati EDID dal display (informazioni sul formato del display);

Link Training protocol;

Display Control (eDP versione 1.2);

frequenza e controllo luminosità della retroilluminazione;

controllo potenziato del backlight e del colore;

dithering e FRC (Frame Rate Control);

power management

Error checking del canale dati principale (protocollo CRC).

La tabella di seguito mostra i segnali contenuti in una connessione eDP: a parte i 10 contatti in meno, si nota che i canali dati sono al massimo due e che manca il clock, perché è integrato nel canale (la connessione è di tipo seriale asincrono).

pin out eDP

Piedinatura del connettore dei monitor LCD a interfaccia eDP.

In virtù del minor numero di canali dati presente, la porta eDP richiede 6 fili in meno (tre per ciascun canale in meno) e altri collegamenti per il clock.

Inoltre i segnali dati sono più adatti a quelli generati dai recenti chip video (l’eDP può utilizzare l’interfaccia DisplayPort della GPU). Essendoci meno canali dati, si riduce la dimensione della scheda madre del notebook, ma anche la potenza consumata, a tutto vantaggio dell’autonomia del computer quando funziona a batteria; meno canali dati significano anche meno problemi di schermatura dai disturbi prodotti, per esempio dal clock ad alta frequenza.

Per avere un’idea di quanto l’interfaccia eDP sia più semplice della tradizionale LVDS a 40 contatti, si può dare uno sguardo alla figura seguente, che confronta le due interfacce per uno stesso monitor con risoluzione di 1.680×1.050 pixel con profondità del colore di 18 bit (le connessioni di alimentazione e massa per backlight e logica non sono comprese).

DisplayPort DevCon Presentation, eDP, Dec 2010 v3.ppt

D’altra parte, i connettori hanno misure differenti perché le linee utilizzate per i segnali (comprendendo clock e dati) sono di meno: tipicamente 20 in una LVDS a 40 poli e solo 4 in una eDP semplice a due linee. Non si contano, in questo caso, i comandi della retroilluminazione.

DisplayPort DevCon Presentation, eDP, Dec 2010 v3.ppt

Connettori su scheda madre per l’LVDS a 40 contatti e l’eDP a 30.

La tabella seguente propone invece un confronto tra le caratteristiche delle due interfacce supponendo di dover governare uno stesso monitor Full HD da 1.080 linee con un refresh di 60 Hz e profondità di colore di 24 bit: come si vede, la velocità dati dei canali raggiunge 5,4 Gbps nell’eDp contro i 945 Mbps dell’LVDS. Il massimo transfer-rate con 2 canali (Lane) impiegati raggiunge 21,6 Gbps per l’eDP, contro i 7,56 Gbps dell’LVDS.

DisplayPort DevCon Presentation, eDP, Dec 2010 v3.ppt

LVDS e eDP: caratteristiche a confronto.

L’interfaccia eDP è indubbiamente migliore della LVDS a 40 contatti ed è proprio per questo che i costruttori di notebook, tablet, netbook stanno puntando su di essa; lo stesso fanno i produttori di pannelli LCD. Per venire incontro alle esigenze tecniche dei prodotti di questi anni e di quelli a venire, la VESA migliora periodicamente l’interfaccia aggiungendole nuove funzioni; alla versione iniziale eDP v1.0 (la cui prima implementazione risale al 2009) è presto seguita la v1.1, sostanzialmente identica, e poi la v1.2 (utilizzata in pratica nel 2011) nella quale è stato aggiunto il canale AUX. La versione attualmente utilizzata è la eDP v1.3, cui è stata aggiunta la modalità Panel Self-Refresh (PSR) e implementata in un computer per la prima volta nel 2012. La PSR consente di aggiornare nei cambi di scena soltanto i pixel che subiscono cambiamenti tra un frame e l’altro lasciando inalterati i rimanenti; tutto ciò si traduce in una notevole riduzione del carico di lavoro svolto dalla GPU e, quindi, minori consumi energetici.

Alla v1.3 è succeduta, un paio d’anni fa, la v1.4.

Oggi, per venire incontro alle esigenze sempre crescenti di prestazioni determinate dagli schermi Full HD da 8k la Video Electronics Standards Association ha pubblicato (la notizia è di febbraio 2015) le specifiche del nuovo standard Embedded DisplayPort (eDP) versione 1.4a.

Il nuovo standard va a sostituire la versione 1.4 eDP e consente una maggiore velocità di trasferimento di dati video allo scopo di aumentare la risoluzione dei pannelli, avere una maggiore profondità di colore e frequenze di refresh più elevate.

EDP_1_4a

La velocità del collegamento HBR3 è stata aumentata a 8,1 Gbps, il che significa che l’interfaccia, utilizzando quattro linee, può raggiungere un data-rate totale di 32,4 Gbps.

Oltre ad un miglioramento della qualità di immagine, l’eDP 1.4a implementa la versione 1.1 del protocollo Display Stream Compression, che consente di ridurre il data-rate richiesto all’interfaccia video o il numero di collegamenti, oltre che contenere la dimensione del frame buffer in modo da abbassare i consumi del sistema e aumentarne, conseguentemente, l’autonomia.

L’utilizzo congiunto di HBR3 e DSC v1.1 consentirà al nuovo standard eDP 1.4a di supportare pannelli integrati con risoluzioni fino a 7680×4320 pixel (8K) a 60Hz e 4K a 120Hz con profondità di colore a 10 bit.

Altra novità portata dallo standard è la tecnologia “Multi-SST Operation”, o MSO, che supporta un nuovo tipo di architettura di visualizzazione a segmenti che permette di incrementare l’efficienza energetica (anche a risoluzioni più basse) e di produrre display più sottili.

L’Embedded DisplayPort 1.4a migliora ulteriormente la tecnologia Panel Self Refresh.