Настольный Змей Горыныч, или Как подключить много мониторов - Multihead in Linux

В своё время автор этих строк купил себе новый ноутбук, водрузил на него Debian и воткнул внешний монитор. Казалось бы, ну и всё - что ещё надо джигиту для счастья? Одна голова — хорошо, а две — лучше, подумал автор, глядя на ещё одну электродырку в ноутбуке под названием DisplayPort. И подумалось мне: это ж можно задаром ещё и третий монитор прицепить, и будет неземное счастье. Но счастье обломилось (о чём ниже), а обзорчик от поисков решения остался ...

Зачем нужно несколько мониторов?

Наличие по крайней мере одного внешнего монитора гарантированно повысит продуктивность работы. Не знаю, как насчёт трёх мониторов, но два точно меняют жизнь к лучшему, и вот почему:

• очень удобно работать с LaTeX: на одном мониторе пишем сам код, на второй выводим что-то типа Kdvi и видим непосредственно результат;
• хорошо вывести на внешний монитор справочную информацию или документацию (например, MATLAB Help висит на внешнем мониторе, а на основном мы пишем код);

Вместо переключений между виртуальными рабочими столами можно просто посмотреть на внешний монитор. И это в самом деле удобно.

Программные решения: Что есть в Linux для Multihead?

Программные решения это когда либо не хочется тратиться на нормальное железо, либо есть желание использовать уже имеющееся. Особенно актуально на ноутбуках: если есть выход на VGA/HDMI/DisplayPort, почему бы его не использовать?

XrandR

На данный момент - самое простое и рабочее решение. XRandR позволяет изменять конфигурацию мониторов "на лету" (без перезагрузки X-server) и поддерживает аппаратное ускорение через OpenGL. Конфигурирование xrandr возможно через консольные команды, или через удобную графическую оболочку типа arandr.

 Собственно, история автора этих строк и началась с того, что был куплен адаптер DisplayPort2VGA для подключения третьего монитора к ноутбуку Lenovo T420. Всё шло очень хорошо и xrandr даже написал то, что третий монитор виден:

 xrandr

Screen 0: minimum 320 x 200, current 2646 x 1024, maximum 8192 x 8192

LVDS1 connected 1366x768+0+0 (normal left inverted right x axis y axis) 310mm x 174mm

   1366x768       60.0*+
   1360x768       59.8     60.0
   1024x768       60.0
   800x600        60.3     56.2
   640x480        59.9

VGA1 connected (normal left inverted right x axis y axis)

   1680x1050      60.0 +
   1600x1200      60.0
   1280x1024      75.0     60.0
   1440x900       59.9
   1280x960       60.0
   1152x864       75.0
   1024x768       75.1     70.1     60.0
   832x624        74.6
   800x600        72.2     75.0     60.3     56.2
   640x480        72.8     75.0     66.7     60.0
   720x400        70.1

HDMI1 disconnected (normal left inverted right x axis y axis)

DP1 connected 1280x1024+1366+0 (normal left inverted right x axis y axis) 376mm x 301mm

   1280x1024      60.0*+   76.0     75.0     72.0
   1152x864       75.0
   1024x768       75.1     70.1     60.0
   832x624        74.6
   800x600        72.2     75.0     60.3
   640x480        72.8     75.0     66.7     60.0
   720x400        70.1
   640x350        70.1

То есть мониторы видятся оба, но при попытке задействовать все три приводит к ошибке:

xrandr: cannot find crtc for output VGA1

Что бы это всё значило? - спросил я себя, усиленно почёсывая затылок. А значит это вот что:

CRTC это Cathode Ray Tube Controller, который аппаратно считывает кадры из framebuffer из видеопамяти и выводит изображение на экран. В понимании Xrandr, для каждого внешнего монитора должен быть свой аппаратный CRTC. На ноутбуках их обычно два: 0 и 1, то есть для встроенного монитора и внешнего. Это позволяет сделать полноценный dualhead, то есть два монитора соединить в один. Если же прицепить монитор третий монитор к уже существующему CRTC, то мы получим тоже изображение (clone mode).

Но не всё так грустно: есть попытки надурить видеоадаптер и сделать Virtual CRTC.

Virtual CRTC (VCRTC) is a new (and experimental) mechanism for redirecting pixels from a GPU's frame buffer to some other device. This code allows virtual CRTCs to be created in the kernel drivers so that they can be used for a variety of tasks. A virtual CRTC with this code is treated just like a real hardware CRTC. This experimental code allows these virtual CRTCs to be attached to "CTD devices" (Compression Transmission and Display). Then finishing off the equation is a new kernel module, the VCRTCM (Virtual CRTC Manager), that bridges the traffic between GPUs and CTDs.

И хотя нынешние иксы (Xorg) поддерживают максимум 16 дисплеев, ограничения чаще всего упираются в видеокарту и наличие аппаратных CRTC не более 2. Остаётся надеяться на Virtual CRTC или отдавать кровные килодоллары за аппаратные многоголовые решения (о чём ниже).

Плюсы Xrandr:

• использование возможностей видеокарты и аппаратное ускорение графики на внешнем мониторе
• гибкое изменение параметров на лету, особенно при использовании arandr.

Минусы Xrandr:

• количество прицепляемых независимых мониторов ограничено числом CRTC.

Xinerama

Xinerama представляет собой расширение X Window System, которое позволяет приложениям и оконным менеджерам использовать два и более физических монитора как один большой. Это исторически был первый способ вообще получать объединённый монитор в иксах, и в Сети огромное количество рецептов на эту тему.

Плюсы Xinerama:

• рабочее решение, поддерживает большинство графических карт

Минусы Xinerama:

• требует, чтобы на всех мониторах была одна глубина цвета;
• вы теряете аппаратное ускорение на всех экранах, кроме одного.
• на дополнительных мониторах окна с 3D графикой могут выглядеть чёрными; 

В общем, старуха-ксинерама это последнее, что стоит пробовать, когда ничто другое не работает или слишком дорого, чтобы покупать.

 

Xdmx - Distributed Multihead X

DMX расшифровывается как Distributed Multihead X. Обычно Xinerama или Xrandr позволяют делать multi-head, сшивая несколько мониторов в один, подключённых к одной и той же машине.

С другой стороны,  Xdmx это такой прокси сервер для X-ов, который позволяет объединять мониторы на разных машинах. Каждый компьютер, который вы хотите объединить с помощью Xdmx, запускает обычный X-сервер, а Xdmx сшивает эти иксы через прокси по сети Ethernet, и мы получим объединённый монитор из рядом стоящих ноутбуков через Ethernet.

Пример посложнее - объединение четырёх соединённых по сети ноутбуков в один монитор. Настройка Xdmx несколько нетривиальна, но есть отличное руководство от IBM.

Но основное применение Xdmx это создание огромных систем отображения данных для университетов и исследовательских центров. В основном это Diplay Walls с общим разрешением типа 16000x4800:

Такое есть, например, в Университете Северной Каролины и в Университете Иллинойса в Чикаго.

Прочая экзотика

Есть и другие методы получения нескольких мониторов в Linux.

TwinView

Позволяет "сшивать" два монитора в один с аппаратным ускорением, при этом иксы думают, что это просто один монитор. Предназначен для карт Nvidia, и реализован только бинарными драйверами - фактически, только Nvidia карты и поддерживаются.

Merged Framebuffer

Позволяет получать аппаратное ускорение графики на двух мониторах в режиме dualheaded для карт Radeon. Очень похоже на TwinView, но работает только с открытыми драйверами (mga, ati), в которых поддержка direct rendering часто не реализована. Кроме того, MergedFB ограничивает размер максимального экрана до 2048x2048.

Аппаратные решения

Как правило, это проще в настройке и добавляет меньше головной боли. Самый правильный и лёгкий способ - Matrox TrippleHead2Go, но он стоит денег. Если начать жадничать, то можно остановиться на решении USB2VGA, но оно грузит процессор и требует драйвер.

USB2VGA

Да, бывает и такое. Плюс - сравнительно простой (если драйвер в ядре есть) способ получить дополнительный монитор (в зависимости от чипсета - и не один). Но всё это ложится тяжким грузом на CPU, ибо именно процессор сжимает видео и передаёт его через USB2VGA адаптер на другой монитор. Цена вопроса в районе $70:

Здесь всё зависит от того, кто сделал адаптер и на каком чипе он работает. Простые и дешёвые адаптеры могут и не иметь поддержки в Linux, или работать через драйвер udlfb. Последнее предпочтительно, так как имеется в ядре Linux начиная с 2.6.35. Простые видеоадаптеры USB2VGA, например от StarTech, позволят подключить один дополнительный монитор с разрешением до 1920x1200. Таких адаптеров можно воткнуть до пяти (5) штук.

Другой пример - адаптеры от Displaylink типа DL-125, DL-165 и DL-195 которые поддерживают до шести мониторов и разрешение 1440х1050, 1920х1080 и 2048х1152 соответственно. Компания выкладывает исходники драйверов к ядру.

Matrox TrippleHead2Go

Вот именно так и делается нормальная, честная аппаратная многоголовость (multihead). Matrox TrippleHead2Go представляет собой навороченную внешнюю видеокарту в компактном корпусе, в которую втыкается несколько мониторов (два или три).

Разрешение воткнутых в TrippleHead2Go мониторов суммируется, а при работе - аппаратно разделяется на разные физические мониторы (сжатие видео не используется). При этом видеокарта вашего ноутбука или десктопа думает, что это один огромный монитор (и не подозревает, что её надурили). В результате вы получаете вожделенное Dual/Tripple Head с аппаратным ускорением и всеми плюшками без геморроя с настройкой:

Один минус - стоит это удовольствие около $400.

И кроме того, не стоит подключать его через дополнительные адаптеры - в сети огромное количество полных горя отзывов персонажей, пытавшихся использовать этот TrippleHead2Go через дешёвые адаптеры.

 

Заключение

Этот пост был навеян тем, что автор внезапно обнаружил новую электрическую дырку под названием DisplayPort на борту своего ноутбука. Справедливо решив, что Ленова просто так порты не втыкает, возжелал извлечь из этого профит в виде третьего монитора. Но не получилось, и Xrandr мне выдал всю горькую правду: нет дополнительного контроллера CRTC у видеокарты - нет третьего монитора.

Поиск облегчений не принёс, но в процессе гуглежа автор открыл для себя много нового, и чтоб оно не забылось, решил выложить в бложик.
Всё имеет свои плюсы и минусы:

• Аппаратное решение от Matrox хорошо и просто, но стоит денег и не мобильно (питание от сети).
• Игрушки типа USB2VGA это multihead, конечно, но вы получите нагрузку на процессор - чем больше мониторов, тем хуже. Плюс игрища с драйверами в Linux.
• Программные решения чреваты осложнениями: xrandr это самый лёгкий способ, но честный: нет crtc - нет внешнего монитора. Хотя есть попытки его надурить и сделать Virtual CRTC.