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VGA - VIDEO GRAPHICS ARRAY

Inhaltsverzeichnis

1. Der Begriff "VGA"

Die für Video Graphics Array" stehende Abkürzung VGA wird im technischen Sprachgebrauch auf drei Dinge angewendet:

  • In erster Linie bezieht sich die Bezeichnung VGA auf eine von IBM für ihre PS/2-Reihe (1987) entwickelte Display-Hardware für Personal Computer. Diese auch als Grafikkarte bezeichnete Hardware war zumeist auf einem Modul in einem ISA-Steckplatz untergebracht.
    IBM war zu der Zeit die die Standards für die PC-Technik vorgebende Institution. Viele von IBM geschaffene Begriffe gingen als Synonyme in die Computertechnik ein.ch die die Bildschirmauflösung von 640 x 480 Pixel bezeichnet.
  • Die VGA-Schnittstelle, ein 15-Pin Sub-D-Verbinder, ist eine universelle analoge Grafikschnittstelle, über die nicht nur Videosignale in Computerauflösungen, sondern auch TV- und HDTV-Auflösungen übertragen werden können. Deshalb sind ab Ende der 1990er Jahre viele High End-TV-Geräte und praktisch alle Flachbildschirme mit einem VGA-Anschluss ausgestattet.

2. Eigenschaften einer VGA-Grafikkarte

Die große Neuerung bei der Einführung von VGA, war, neben den verbesserten Leistungsdaten, die Verwendung von nur einem spezialisierten Chip (ASIC) als Grafikprozessor, der etliche Grafikberechnungen selbst durchführt und somit die CPU entlastete. Die als Grafikadapter bezeichneten Vorgänger (CGA, EGA, usw.) waren mit diskreten Bausteinen (siehe z.B. EGA-Grafikadapter auf Wikipedia) bestückt. Die stark reduzierte Anzahl von Komponenten bei VGA erlaubte es auch erstmalig die Grafikfunktionen direkt auf dem Mainboard des PCs zu integrieren, was schlankere Gehäuse ermöglichte.
Eine einfache VGA-kompatible Grafikkarte weist mindestens 256kByte eigenen Speicher auf und verfügt über zwei Betriebsarten. Im Grafikmodus war eine Auflösung von 640 x 480 Pixel mit 16 Farben oder 320 x 200 Pixel mit 256 Farben aus einer Palette von über 260.000 Farben möglich. Im Textmodus liefert eine VGA-Karte eine Auflösung von 720 X 400 Pixeln. Die Text-Fonts (Zeichensätze) sind in mehreren Auflösungen (Größen) in einem ROM fest installiert Es können aber auch Software-Fonts geladen werden.

2.1. Physikalische Schnittstelle und Ausgangssignale

Als Schnittstelle zum Monitor dient eine 15-polige Sub-D Buchse. Ein VGA-Verbindungskabel hat an beiden Enden einen entsprechenden Stecker. Das Videosignal wird als RGB-Signal mit 0,7Vss über dünne Koaxialkabel (75Ω)übertragen. Die Synchronisation der Ablenkstufen im Monitor erfolgt über auf zwei Leitungen separat übertragene Horizontal- und Vertikal-Synchronimpulse.

Abb. 1: VGA-Stecker
Abb. 1: VGA-Stecker

Der ursprüngliche VGA-Standard reservierte vier Kontakte des VGA-Verbinders (ID0, ID1, ID2 und ID3 (Pins 11, 12, 4 und 15)) zur Identifikation des Monitortyps, was sich allerdings bei den Monitorherstellern nicht durchsetzte.
Als Mitte der 1990er Jahre statt dessen EDID (Extended Display Identification Data) bzw. der DDC (Display Data Channel) eingeführt wurde, änderte man die Funktion dieser Leitungen. Pin 12 und Pin 15 wurden DATA und CLOCK eines I2C-Busses.
 

     Pin 
Signal  Pin 
Signal
Abb. 2: VGA-Buchse

 

Pinbelegung

1
2
3
4
5
6
7
8
  Video ROT
  Video GRÜN
  Video BLAU
  früher ID2, jetzt reserviert
  digitale Masse DCC
  analoge Masse ROT
  analoge Masse GRÜN
  analoge Masse BLAU
 9
10
11
12
13
14
15
  +5V für EDID-EEPROM
  analoge Masse SYNCs
  früher ID0
  früher ID1, jetzt DCC-SDA
  H-SYNC/Composite SYNC
  V-SYNC
  DCC-CLK (Clock)

Abb. 2 u. 3: VGA-Buchse

Abb. 4: BNC-Kabel
Abb. 4: BNC-Kabel

Eine weitere Methode ein VGA-Signal zu übertragen ist über BNC-Verbinder. Koaxialkabel mit BNC-Verbinder haben im Allgemeinen weniger Dämpfung und sind besser abgeschirmt als normale VGA-Kabel. BNC-Kabel wurden daher meist dann eingesetzt, wenn PC und Monitor weiter auseinander stehen. Weil die Übertragung fünf separate Leitungen erfordert sind BNC-Kabel dicker, steifer und unhandlicher.
Eine automatische Erkennung des Monitors und seiner Eigenschaften durch den PC ist bei Verwendung von BNC-Kabeln nicht möglich.

2.2. Signal Timing

Die Horizontal(ablenk)frequenz (Zeilenfrequenz) der VGA-Standardauflösung (640 x  480 Pixel) von 31,4686 kHz entspricht exakt dem Doppelten der Horizontalfrequenz des NTSC-M TV-Standards (15,73426 kHz). Dieses sollte ursprünglich den Einsatz von TV-Out-Ausgängen von Computern und VGA-TV-Konvertern erleichtern. Die Horizontalfrequenzen aller anderen VGA-Auflösungen werden durch Teilen oder Vervielfachen dieser Frequenz abgeleitet.
Die Vertikal(ablenk)frequenz der VGA-Standardauflösung ist mit 60Hz (genau 59,94 Hz) ebenfalls an die NTSC-Norm angelehnt. Durch die Reduzierung der Anzahl der sichtbaren Zeilen auf 400 kann die Vertikalfrequenz auf 70 Hz erhöht werden, was einen ruhigeren Bildeindruck ( vermindertes Flimmern) bewirkt.
Das gleiche Timing wie beim 620 x 400 @ 70 Hz wird auch im 320 x 200 Pixel-Modus verwendet. So können, durch Zeilenverdopplung bei halbierten Pixeltakt, 256 Farben dargestellt werden. Dieser Modus war zu der Zeit der Standard für PC-Spiele.

VGA-Monitore müssen in der Lage sein den Videomodus zu erkennen um die Bildlage und Bildgeometrie automatisch anpassen zu können. Die Information über den Videomodus liefert die Grafikkarte über eine unterschiedliche Polarisierung der Sync-Signale.

Standard-VGA Horizontal Timing  Vertikal Timing
 Standard-VGA Horizontal Timing  Standard-VGA Vertikal Timing
Abb. 5/Tab 1:
Standard-VGA Horizontal Timing
Abb. 6/Tab 2:
Standard-VGA Vertikal Timing

3. Von VGA zu Super VGA

(SVGA) und XGA Schon bald nach Einführung von VGA durch IBM brachten andere Grafikkartenhersteller Konkurrenzprodukte mit zusätzlichen Video- bzw. Grafikmodi auf den Markt. Diese neuen Modi werden im Allgemeinen kollektiv als " Super VGA" oder SVGA bezeichnet. Die bei SVGA verwendeten Auflösungen und Timing-Parameter sind durch keine Standards definiert und jeder Hersteller kann (und hat es auch) nach Gutdünken eigene Grafikmodi schaffen. Einzig die VESA (Video Electronics Standards Association), ein offener Interessenverband von Herstellern, hat Empfehlungen geschaffen, in denen einige Grafikmodi und deren Parameter beschrieben sind.
XGA (Extended Graphics Array) war ursprünglich eine IBM-Weiterentwicklung und als VGA-Nachfolge gedacht. Die (wichtigsten) zwei neuen Grafikmodi (800 x 600 Pixel mit 65.536 Farben und 1024 x 768 mit 256 Farben) ähnelten sehr einigen Super VGA-Grafikmodi. So kann XGA als Teilmenge von Super VGA (oder auch umgekehrt) betrachtet werden.
Tabelle 3 zeigt eine Aufstellung der gängigsten SVGA-Auflösungen und deren Kurzbezeichnungen. Ein "W" ( = Wide) in der Kurzbezeichnung weist auf ein Breitbildformat hin, ein "S" (= Super) auf ein besonders großes Bildformat. Die meisten von den aufgeführten Auflösungen wurden von der VESA definiert. Die Auflösungen SD (Standard Definition), HD (High Definition) und Full HD sind normalerweise keine von Computern verwendete Formate. Erst aufgrund des Zusammenfließens ("Konvergenz") von Informationstechnik und Unterhaltungselektronik in den letzten Jahren wurden diese Auflösungen auch in PC-Grafikkarten implementiert.

Tabelle 3: Wichtige XGA/SVGA-Auflösungen
Tabelle 3: Wichtige XGA/SVGA-Auflösungen

4. Automatische Konfiguration (Plug 'n Play) von Videoquelle und Display

Um den Benutzer eine möglichst einfache Inbetriebnahme und Nutzung über VGA verbundenen Systemen zu ermöglichen und die Hardware vor Schäden durch eine falsche Konfiguration zu schützen, wurden im Laufe der Jahre mehrere Verfahren eingeführt bzw. weiterentwickelt.
Bis die ersten Geräte mit VGA-Karte in den Markt eingeführt wurden, waren die Situation eindeutig: Es gab MDA/CGA-Monitore und EGA-Monitore, die zwar gleiche Steckverbinder, aber eine unterschiedliche Pinbelegung hatten. Eine folgenschwere Verwechslung beim Anschluss der Geräte war nicht möglich.
VGA-taugliche Monitore mussten jedoch neben den VGA-Auflösungen auch die älteren MDA/CGA und EGA-Auflösungen emulieren können. Wird ein im CGA- oder EGA-Modus (17,75 kHz bzw. 21,85 kHz Horizontalablenkfrequenz) befindlicher Monitor mit einem VGA-Signal (31,77 kHz) angesteuert, versucht die Horizontalablenkstufe des Monitors auf die weitaus höhere VGA-Horizontalfrequenz zu synchronisieren, was auch immer wieder für eine kurze Zeit gelingt. Dabei steigt die Hochspannung für die Anodenspannung, die aus den Ablenkstrom in der Horizontalablenkstufe gewonnen wird, proportional mit an (Induktionsgesetz!). Dies führt zu Hochspannungsüberschlägen im Zeilentrafo, in der Monitorröhre und zwischen den Komponenten in der Horizontalendstufe. Die Schwere der dabei entstehenden Schäden machten eine Reparatur des Monitors oftmals unwirtschaftlich.

4.1. Monitor ID-Pins

Um die zuvor beschriebenen Probleme zu vermeiden, wurden mit dem VGA-Verbinder die Monitor ID-Pins/Bits eingeführt. Hierzu wurden die Pins 11, 12, 4 und 15 (ID0 bis ID3) des VGA-Verbinders im Monitor reserviert. Mittels einer Kodierung (Pins über Pull Down-Widerstände auf Masse oder offen) war es vorgesehen bis zu sieben unterschiedliche Monitortypen zu unterscheiden. Diese Empfehlung setzte sich in der Industrie jedoch wegen Inflexibilität nicht durch und tatsächlich wurden in der Praxis nur drei Monitortypen definiert: monochrom mit weniger als 1024 x 768 Pixel Auflösung, farbig mit weniger als 1024 x 768 Pixel Auflösung und farbig mit mit 1024 x 768 Pixel.
Die Anfang der 1990er aufkommenden Multisync-Monitore detektierten Polarisation und Timing der Synchronsignale und stellten die Frequenzen für die Ablenkstufen und die Bildgeometrie entsprechend ein. Videosignale mit unbekannten Werten wurden ignoriert und nicht angezeigt. Mit den vielen neuen Videoformaten, die in den folgenden Jahren geschaffen wurden, waren Multisync-Monitore überfordert. Die VESA führte daher 1994 einen neuen Standard ein, der über Protokolle verfügte, über die ein Monitor/Display seine Eigenschaften an die Grafikkarte bzw. den Grafikprozessor melden kann: den DDC (Display Data Channel) 

4.2.  DDC (Display Data Channel) und Extended Display Identification Data (EDID)

Vom DDC gibt es mehrere Varianten, von denen die einfachste DDC1 hier nicht näher beschrieben werden soll, denn es war nichts weiter als eine Datenleitung, über die der Monitor zyklisch seine Eigenschaften an den Grafikadapter sendete. Als Clocksignal diente der Vertikal-Sync. DDC1 ist kaum in Monitore implementiert worden.
Der am weitesten verbreitete DCC2 (aktuell DDC2B) basiert auf einem I2C-Bus über den Videoquelle und Display miteinander verbunden sind. Clock (DSCL) und Datenleitung (DSDA) des DDC2 belegen Pin 15 und Pin 12 des VGA-Verbinders. Im Display ist der DDC an das EDID-ROM angeschlossen. Das EDID-ROM ist meist ein (schreibgeschütztes) EEPROM direkt an der VGA-Eingangsbuchse. In dem EEPROM sind in 256 Byte alle Bildauflösungen und Refresh-Raten aufgelistet, die das Display darstellen kann. Über die ebenfalls gespeicherten Gammawerte und Farbraumwerte kann die Videoquelle-Quelle ihr Videoausgangssignal optimal an die Eigenschaften des Display anpassen. Daneben sind im EDID-EEPROM auch Typenbezeichnung und Seriennummer und manchmal sogar die Betriebsdauer des Displays gespeichert, die eine eindeutige Identifikation des Displays in Multidisplay-Systemen ermöglicht. Die Angabe der Latenzzeit zwischen Audio- und Videosignalverarbeitung u. a. erweitern die Angaben.
Zum DCC gehört eine separate 5V-Betriebsspannung (hier 5V_DDC), die es ermöglicht, das EDID-ROM auch dann auszulesen, wenn das Anzeigegerät ausgeschaltet ist.
Eine neuere Variante vom DDC ist E-DDC. Die früheren DDC-Varianten verwenden ein sehr einfaches Speicherschema, das die Größe des EDID-Datenblocks auf 256 Byte begrenzt. E-DDC verwendet ein komplexeres Speicherschema mit dem sich nacheinander mehrere 256 Byte-Segmente, insgesamt bis zu 32KBytes, übertragen lassen.
E-DDC wird auch beim DVI, HDMI und DisplayPort eingesetzt.
 

Abb. 7: Prinzipbild DDC
Abb. 7: Prinzipbild DDC

4.3. Auslesen des EDID-EEPROMs

Das EDID-EEPROM eines über VGA-Kabel angeschlossenen Displays wird normalerweise beim Booten des Computers bzw. beim Einschalten der Videoquelle ausgelesen. Während des Bootvorganges, wenn der Grafikprozessor die Eigenschaften des Displays noch nicht kennt, wird ein Startbildschirm (Boot Screen, Splash Screen) mit der niedrigsten VGA-Auflösung angezeigt. Diese Auflösung ist der "kleinste gemeinsame Nenner", den alle Monitore und Displays gemein haben. Erst wenn das Betriebssystem geladen ist und alle Treiber funktionieren schaltet der Grafikprozessor auf die vom Benutzer eingestellten, von der Anwendung geforderten oder der bestmöglichen Auflösung um.

Gelegentlich kann es vorkommen, dass ein Display eine gewünschte Auflösung nicht anzeigen will. Besonders bei neuen Modellen kann es durchaus vorkommen, dass die eine oder andere Auflösung, die das Display zwar darstellen kann, aber nicht in das EDID-EEPROM eingetragen ist. Um einen solchen Fehler lokalisieren zu können, muss das EEPROM ausgelesen und interpretiert werden. Hierfür gibt es mehrere Softwaretools, die dieses über den VGA-Anschluss ermöglichen. Ein sehr beliebtes und für den privaten Gebrauch kostenloses Programm ist "MonInfo" oder "Monitor Asset Manager" von EnTech, Taiwan. Es liest die EDID-Daten des/der angeschlossenen Monitore direkt aus, kann aber auch auf die in der Registrierungsdatenbank z.B. von Windows gespeicherten Daten von ehemals an den PC angeschlossenen Monitoren zugreifen. Dargestellt werden die Informationen als Rohdaten (Raw Data) in hexadezimal und in einem für Menschen lesbaren, interpretierten Klartext (Asset Information).

Abb. 8: Bedienoberfläche von MonInfo.exe
Abb. 8: Bedienoberfläche von MonInfo.exe
Abb. 9: Die verfügbaren Videoauflösungen eines Monitors (ausgelesen mit MonInfo.exe)
Abb. 9: Die verfügbaren Videoauflösungen eines Monitors (ausgelesen mit MonInfo.exe)

5. Die VGA-Schnittstelle in der Unterhaltungs-    elektronik

Bis zum Ende des letzten Jahrtausend waren die Unterhaltungselektronik und die Informationstechnik zwei völlig voneinander getrennte Bereiche. Durch die immense Steigerung der Leistungsfähigkeit der Hardware und Software der PCs und  der Zunahme von Funktionen der Geräte in der CE verwischten die Grenzen langsam. Aufgrund der Tatsache, dass die sogenannten "100 Hz-Fernseher" mit ihrer Zeilenfrequenz von 31,25 kHz ganz nahe an der von VGA-Monitoren mit 31,4 kHz liegen, sind auch sehr bald Röhren-TV-Geräte mit VGA-Anschluss erschienen. Diese konnten allerdings nur die VGA-Standard-Auflösungen von 640 x 400 und 640 x 480 Pixel darstellen. Die Umschaltung zwischen den VGA-Modi erfolgte automatisch durch eine Detektorschaltung, die die Polarisation der Synchronsignale erkannte (siehe auch Tabellen 1 und 2). So wurden aus TV-Geräten große Computermonitore.
Der Einsatz von verbesserten Ablenkprozessoren und die Vergrößerung der Bandbreite in den Videosignalstufen in den TV-Geräten waren die nächsten Schritte in Richtung HDTV.

Da der VGA-Stecker bei Verwendung von DDC zur automatischen Konfiguration zwei freie Pins aufweist, werden diese (oder sogar der DDC) von vielen UE-Herstellern für andere Zwecke genutzt: z.B. zum Firmware-Update des TV-Gerätes. Mittels eines emulierten RS232-Busses werden die Daten von einem PC in das FLASHRAM des TV-Gerätes übertragen. Lediglich ein Programmieradapter ("Jig") zur Pegelanpassung wird benötigt.

 

Abb. 10: Firmware-Update eines LCD-TV über die VGA-Buchse
Abb. 10: Firmware-Update eines LCD-TV über die VGA-Buchse

REFERENZEN

Weblinks

1. http://www.vesa.org/vesa-standards/free-standards/ (Registrierung erforderlich)

Rechtshinweis

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