Das Bild gibt den Takt vor

Bis einschließlich Version 2.0b orientierte sich HDMI noch an den Anforderungen des übertragenen Bildes. Das bedeutete, dass die Datenverbindungen nur so schnell getaktet wurden, wie es zur Übertragung der Bildinformation erforderlich war. Diese umfasst dabei nicht nur die Pixeldaten, sondern auch die horizontale Synchronisation zwischen zwei Bildzeilen sowie die vertikale zwischen zwei Bildern.

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Bei Röhrenmonitoren wurde in dieser Zeit der Elektronenstrahl ans andere Ende der Bildröhre bewegt. Aber auch bei Flüssigkristall-Bildschirmen sind gelegentliche Pausen unverzichtbar. Denn auch wenn es einen Referenztakt gibt (eine der vier Datenleitungen war bei HDMI vormals hierfür vorgesehen), muss der Empfänger die eingehenden Bitströme synchronisieren. Über den Referenztakt teilt die Grafikkarte dem Monitor die Frequenz mit, mit der Pixel übertragen werden.

Für jedes Pixel werden im einfachsten Fall pro Farbkomponente zehn Bit seriell übertragen. Aus dem Pixeltakt kann die Elektronik im Monitor also einfach den Bittakt der Datenleitungen erzeugen. Um den Beginn der Datensymbole sicher erkennen zu können, darf der Bittakt des Monitors allerdings nicht zu stark von dem der Grafikkarte abweichen.

Pausensymbole

Um sicherzustellen, dass Sender- und Empfängertakt nicht zu sehr abweichen - und um überhaupt erst einmal zu wissen, wo ein Datensymbol beginnt - werden regelmäßig Trainingssymbole in den Datenstrom eingefügt. Die haben einen festen Aufbau und machen auch bei DVI und HDMI längere Synchronisationspausen erforderlich. Ganz so lang wie beim älteren VGA-Standard müssten sie nicht sein, aber die Entwickler von HDMI und Displayport fanden eine sinnvolle Verwendung für die Synchronisationszeiten: Hier lassen sich Audiodaten übertragen.

  • Die Grafikkarte überträgt mehr als nur die Bilddaten - damit ergibt sich eine höhere Anzahl an Zeilen und Spalten. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
  • Am Anfang einer Bildzeile befindet sich der Colour Burst, hier bei PAL. Der Empfänger synchronisiert damit seinen Farbträger-Oszillator. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
  • Die verschiedenen Synchronisationspulse von PAL dauern unterschiedlich lang - bei NTSC sind sie fast identisch. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
  • Der Übergang zwischen zwei Halbbildern bei PAL: Fünf Serration Pulses werden von jeweils fünf Equalizing Pulses eingerahmt. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
Die Grafikkarte überträgt mehr als nur die Bilddaten - damit ergibt sich eine höhere Anzahl an Zeilen und Spalten. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
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Um die Logik der Grafikhardware einfach zu halten, sind die Synchronisationsintervalle ein Vielfaches der Pixel- bzw. Zeilendauer lang. Damit ergibt sich für jedes Bild eine virtuelle Auflösung, die größer ist als die auf dem Bildschirm dargestellte. Für die Hardware bedeutet das: Es genügen zwei Zähler für Zeile und Spalte sowie acht Komparatoren, die auf den Beginn des Synchronisationsbereichs und das Zeilen- oder Bildende testen. Vor und nach dem Synchronisationsbereich befindet sich noch eine Pause, die historische Gründe hat - wir kommen noch einmal darauf zurück. Daher werden Zeilen- und Spaltenindex insgesamt je viermal verglichen.

Das lange Erbe der Röhre

Die Synchronisationsintervalle haben zumindest bei HDMI eine lange Geschichte: Sie sind vom Vorgänger DVI geerbt - zu dem ist HDMI voll kompatibel. DVI wiederum übernahm sie unverändert von den Röhrenmonitoren. Das dürfte die Grafikkarten weniger verkompliziert haben, da ein VGA-Ausgang natürlich Pflicht blieb.

Dass HDMI- und DVI-Verbindungen relativ langsam takten, ist auch für ambitionierte Bastler interessant: Die Schnittstellen sind selbst mit einem Einsteiger-FPGA umzusetzen, da die normalen Ausgaberegister ausreichend schnell sind. Displayport hingegen ist auf schnelle serielle Transceiver - spezielle Hardwareblöcke - angewiesen, die günstigen FPGAs fehlen. Selbst für den Raspberry Pi Pico hat jemand eine HDMI-Ausgabe realisiert.

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Jeder Farbe ihren Link

Die Gemeinsamkeiten der älteren HDMI-Versionen mit VGA gehen sogar noch weiter: Jede der drei seriellen Datenverbindungen ist einer Farbkomponente zugeordnet - Rot, Grün und Blau. Während Displayport vier Pixel parallel überträgt (im einfachsten Fall je eine Folge von 24 Bit), ist bei HDMI jede Folge auf acht Bit begrenzt. Das ergibt eine wunderbar einfache Logik, da jedes übertragene 10-Bit-Symbol acht Bit an Daten enthält.

Ein wenig Logik ist noch für Codierung und Scrambling nötig. Letzteres sorgt für pseudo-zufällige Bitfolgen, was die elektromagnetische Abstrahlung minimiert. Das macht zum Ausprobieren einen FPGA erforderlich, ein VGA-Signal lässt sich aber sogar auf einem Steckbrett erzeugen.

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Crass Spektakel 18. Aug 2022 / Themenstart

Nein weil die im Amiga nicht beschaltet sind. Das waren die normalen analogen Leitungen...

Gokux 17. Aug 2022 / Themenstart

Danke. "Umfassend" war keine Übertreibung :D

rubberduck09 17. Aug 2022 / Themenstart

Ganz so passiv sind diese Adapter aber nicht. Es befindet sich da ein (relativ simpler...

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