Differenze tre le interfacce per display

Qua'è la differenza tra le interfacce SPI, I2C, RGB, LVDS, MIPI? Sono tutti acronimi utilizzati per identificare il tipo di interfaccia per pilotare un display. In questo articolo farò un po' di chiarezza per capirne le differenze

La dimensione del display, la risoluzione, il numero di colori, luminosità, contrasto e potenza sono fattori chiavi per la scelta di tecnologica del display. Allo stesso modo è importante scegliere come fornire le informazioni al display.

La scelta di utilizzare un'interfaccia piuttosto che un'altra spesso è una scelta obbligata dal tipo di display. Spesso però alcuni modelli consentono di scegliere.

Come funziona un display a cristalli liquidi?

Generic TFT display

Dimentichiamo i vecchi CRT!

Tutti i display funzionano in modo simile. Semplificando al massimo, tutti hanno righe e colonne di pixel. Un controller ha l'incarico di controllare ogni singolo pixel per emettere il colore e la luminosità necessari a visualizzare un'immagine. In alcuni dispositivi i pixel sono dei diodi che si accendono al passaggio di corrente (PMOLEDs e AMOLEDs), il altri display il pixel è di fatto "un otturatore" della luce che sta sul retro del display (display retroilluminati o a retroilluminazione). In tutti i casi, un array in memoria memorizza le informazioni sull'immagine che vanno al display attraverso l'interfaccia.

L'interfaccia di un display

L'interfaccia è il punto di confine, di contatto, tra il dispositivo e il mondo esterno. L'interfaccia può essere software o hardware (pensa al touch screen, al mouse o alla tastiera, ai comandi vocali ecc ). In poche parole l'interfaccia è qualcosa che semplifica la comunicazione tra due sistemi.

Sebbene le interfacce di visualizzazione abbiano uno scopo simile, il modo in cui avviene la comunicazione varia ampiamente.

Serial Peripheral Interface (SPI)

Display SPI

SPI è l'acronimo di Serial Peripheral Interface. SPI è un'interfaccia di comunicazione seriale sincrona più adatta per brevi distanze. È stata sviluppata da Motorola per consentire ai componenti di condividere dati come memoria flash, sensori, orologi in tempo reale, convertitori analogico-digitali e altro ancora. Poiché non vi è alcun sovraccarico dovuto dal protocollo, la trasmissione viene eseguita a velocità relativamente elevate. SPI gira su un master (il lato che genera il segnale di clock) e uno o più slave, solitamente i dispositivi esterni al sistema centrale. Uno svantaggio di SPI è il numero di pin richiesti tra i dispositivi. Per ogni slave che viene aggiunto al sistema, il master necessita di un pin di I/O che ha il compito di "selezionare" un particolare slave . SPI è un'ottima opzione per display piccoli e/o a bassa risoluzione, inclusi PMOLED e LCD più piccoli.

Vantaggi SPI:

 

  • Facilità di installazione
  • Più veloce di I2C
  • Capacità di larghezza di banda fino a ~ 10 MB / sec

Inter-integrated Circuit (I2C)

Display i2c

Philips Semiconductors ha inventato I2C (Inter-integrated Circuit) o I-quadro-C nel 1982. Utilizza un sistema a bus e possiede almeno un master e uno slave. Gli ingegneri hanno sviluppato I2C per semplici periferiche su PC, come tastiere e mouse, per poi applicarlo ai display. Come SPI, funziona solo per brevi distanze all'interno di un dispositivo e utilizza una porta seriale asincrona. Ciò che distingue I2C da SPI è che può supportare fino a 1008 slave e richiede solo due fili, clock seriale (SCL) e dati seriali (SDA). Come SPI, anche I2C funziona bene con PMOLED e LCD più piccoli. Molti sistemi di visualizzazione trasferiscono i dati del sensore touchscreen tramite I2C.


Vantaggi di I2C:

  • Basso consumo energetico
  • Resistenza al rumore
  • Gestisce un'ampia gamma di temperature di esercizio
  • Facilità di utilizzo e risoluzione dei problemi
  • Larghezza di banda fino a 1 MB / sec

RGB (Red Green Blue)

RGB viene utilizzato per interfacciarsi con display a colori di grandi dimensioni. Invia 8 bit di dati per ciascuno dei tre colori, rosso verde e blu ogni ciclo di clock. Poiché ci sono 24 bit di dati trasmessi a ogni ciclo di clock, a frequenze di clock fino a 50 MHz, questa interfaccia può gestire schermi molto più grandi a frame rate video di 60Hz e superiori.

Vantaggi RGB:

  • Basso costo grazie alla maturità tecnologica
  • Alte prestazioni
  • Funziona con display medio-grandi
  • Capacità di larghezza di banda fino a 1,2 GB / sec

Svantaggi RGB:

  • Richiede un ampio spazio per i pin (fino a 29 pin) con connettori costosi
  • Alte frequenze su più fili possono creare rumore elettrico, che è particolarmente preoccupante nei molti sistemi che includono moduli wireless

Low-voltage Differential Signaling (LVDS)

LVDS cable

La comunicazione seriale di tipo differenziale (LVDS) è stata sviluppata nel 1994 ed è una scelta popolare per i grandi LCD e quelle periferiche che necessitano di un'elevata larghezza di banda, come la grafica ad alta definizione e la velocità dei fotogrammi elevata. È un'ottima soluzione per la sua alta velocità di trasmissione dei dati durante l'utilizzo di bassa tensione. Due fili trasportano il segnale, con un filo che trasporta l'esatto contrario dell'altro. Il campo elettrico generato da un filo viene accuratamente nascosto dall'altro, creando molte meno interferenze ai sistemi wireless vicini. All'estremità del ricevitore, un circuito legge la differenza (da qui il termine "differenziale" nel nome) di tensione tra i fili. Di conseguenza, questo schema non genera interferenze ed è abbastanza immune al rumore esterno. L'interfaccia è composta da quattro, sei o otto coppie di fili, più una coppia che trasporta il segnale di clock e alcuni fili di terra. Le informazioni sul colore a 24 bit all'estremità del trasmettitore vengono convertite in informazioni seriali, trasmesse rapidamente su queste coppie di cavi, quindi riconvertite in parallelo a 24 bit nel ricevitore, ottenendo un'interfaccia molto veloce per gestire display di grandi dimensioni ed è parecchio immune alle interferenze.

Vantaggi LVDS:

 

  • Ideale per sistemi che integrano trasmettitori wireless, poiché genera poca interferenza
  • Funziona per schermi più grandi
  • Capacità di larghezza di banda fino a 3,125 GB / sec

Mobile Industry Processor Interface (MIPI)

Mobile Industry Processor Interface (MIPI) è una tecnologia più recente gestita da MIPI Alliance ed è diventata una scelta popolare per dispositivi indossabili e mobili. MIPI utilizza una segnalazione differenziale simile a LVDS utilizzando una coppia di clock e da una a otto coppie di dati chiamate corsie. MIPI supporta un protocollo complesso che consente modalità ad alta velocità e bassa potenza, nonché la capacità di leggere i dati dal display a velocità inferiori. Esistono diverse versioni di MIPI per diverse applicazioni, MIPI DSI è quella per i display.

MIPI interface

Svantaggi MIPI

  • Protocollo complesso e driver software
  • Inizialmente disponibile principalmente su display delle dimensioni di un cellulare
  • Richiede un'attenta disposizione della scheda (layout del circuito stampato) per funzionare ad alta velocità
  • MIPI può essere adattato per soddisfare le esigenze di qualsiasi settore come telefoni cellulari, PC o una varietà di altre applicazioni di consumo.

Tabella di comparazione delle interfacce

Tecnologia # di connessioni (pins)Larghezza di banda massimaApplicazioniClock
SPI5~10MB/sec

Piccoli display

8 bits/10 clocks
I2C4400KB/sec or 1MB/secPiccoli displayN/A
RGB29 for 8 bits/color24 bits X 50MHz = 1.2Gb/SecGrandi displayMax clock 50MHz
LVDS4, 6, o 8 coppie; 8, 12, or 16 + coppia per Clock + massa +3 = 256 x 300MHz x 2 = 2.4 GB/sec; Up to 3.125 GB/secGrandi display, Ambienti criticiMax clock 300MHz
MIPI DSI4 o 8 coppie più coppia per clock, 10 or 184 x 1.5GB/sec = 6GB/secCellulari


La larghezza di banda è importante

I componenti del display estendono i limiti della larghezza di banda. In prospettiva, la larghezza di banda Internet più comune in una casa residenziale è in media di circa 20 megabit al secondo  (20 miliardi di 1 e 0 al secondo). Anche i display di piccole dimensioni possono richiedere 4 MB al secondo, che è una mole di dati abbastanza grande in quello che spesso è uno spazio fisico strettamente limitato.

Calcolare la larghezza di banda

Giusto per fare un esempio, un piccolo PMOLED monocromatico con una risoluzione di 128 x 128 contiene 16.384 singoli diodi. Un'immagine fissa è composta da diversi pixel e rappresenta un frame. La frequenza dei fotogrammi è il numero di volte in cui un'immagine deve essere aggiornata. La maggior parte dei video ha una frequenza di 60 fps (fotogrammi al secondo), il che significa che viene aggiornata 60 volte al secondo.

Questo numero è importante perché è la velocità con cui l'occhio umano medio non nota lo sfarfallio causato dalla transizione tra i fotogrammi.

Consideriamo lo stesso display PMOLED con la risoluzione 128 x 128 e 16.384 diodi (pixel); ogni singolo diodo (pixel) richiede informazioni su quando e quanto intensamente deve essere illuminato. Per un display con solo 16 gradazioni di grigio, sono necessari 4 bit di dati. 128 x 128 x 4 = 65.536 bit per un frame. Ora moltiplichiamolo per 60Hz ottenendo una larghezza di banda di 4 megabit / secondo! E menomale che è  "un piccolo display monocromatico"...

Di seguito è riportata la versione semplificata di come calcolare la larghezza di banda per un display.

I dati necessari sono:

  • Risoluzione (pixel²)
  • Luminosità / Pixel (Pixel Ram)
  • Frequenza fotogrammi (Hz)
  • Numero di colori

Passaggi per il calcolo:

  1. Risoluzione x Pixel Ram (Luminosità / Pixel) = Fotogramma singolo
  2. Frequenza fotogrammi x fotogramma singolo = bit / secondo
  3. Bit / secondo x colori (RGB) = larghezza di banda
Dimensione (pollici)Risoluzione (bits)Pixel RamFrame Rate (Hz)ColoriLarghezza di banda per canale
1.5" PMOLED128 x 128 = 16,38446013.9 (MB/sec)
12.3" TFT LCD1920 x 720 = 1,382,40086031,991 (2 gigabits/sec)


Conclusioni

Spero di aver fatto chiarezza su le varie modalità di pilotaggio di un display