5.2. Устройства вывода информации

5.2.1. Графические дисплеи

Совокупность устройств связи, обработки, отображения графической информации и устройств интерактивного взаимодействия называют графическим дисплеем (ГД) или просто дисплеем. Традиционно дисплеи выполнены в виде конструктивно законченного устройства с блоком питания, интерфейсными разъемами для связи с центральным процессором (ЦП) и разъемами, обеспечивающими диалог с пользователем. Удаление от ЦП может достигать несколько сотен метров и даже километров. Первоначально дисплеи были прерогативой больших ЭВМ или графических станций и стоили десятки тысяч долларов.

По принципу сканирования экрана ГД подразделяются на дисплеи с произвольным сканированием (функциональные) и растровые.

При произвольном сканировании изображение формируется путем перемещения светового пятна электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) по контуру изображаемого объекта. В растровых дисплеях электронный луч независимо от вида изображения перемещается по одному и тому же закону, а само изображение формируется путем управления интенсивностью луча.

По типу применяемых индикаторов выделяются дисплеи с ЭЛТ и с плоскими матричными экранами. ЭЛТ бывают с малым временем послесвечения и запоминающие ЭЛТ (ЗЭЛТ) [ 2 ]. В настоящее время получили распространение жидкокристаллические (ЖК), плазменные панели, матричные светодиодные структуры и тонкопленочные панели на базе органических светодиодных структур (OLED).

С появлением персональных компьютеров (ПК) стала актуальной задача удешевления дисплеев. При этом конструктивное исполнение дисплеев видоизменилось. Средства отображения стали выполнять в виде мониторов, а средства связи с монитором и обработки графической информации переместились в системный блок ПК. Интерфейсы для средств интерактивного взаимодействия размещают на системной плате ПК. C появлением ЖК - мониторов стало возможным вернуться к архитектуре классических дисплеев, когда связь центрального процессора с дисплеями осуществлялась посредством цифровых интерфейсов. В этом случае упрощается процедура преобразования формы информации, повышается производительность средств визуализации и качество отображения графической информации. Рассмотрим схему функционирования средств связи с монитором и обработки графической информации, которые конструктивно выполнены в виде графической карты или интегрированы на системной плате ПК. Эти устройства называются видеокартами или видеоадаптерами.

5.2.1.1.Устройство современных видеокарт

Любая современная видеокарта состоит из следующих модулей (рис.5.24):

Графического процессора (GPU), видеоконтроллера с одним или двумя RAMDAC, , контроллеров управления внутренней шиной, монитором и внешним интерфейсом, видеопамяти и видео-ПЗУ с записанной в нее базовой (главной) системой ввода вывода (Basic Input/Output System –BIOS).

Эффективное управление работой видеокарты осуществляет видеодрайвер.

Рис. 5.24. Блок-схема графической видеокарты

Графический процессор (Graphics processing unit, GPU) –управляет расчётами выводимого изображения, производит обработку команд трёхмерной графики. Этот модуль – основа графической платы, и он определяет быстродействие и возможности всей платы. Современные графические процессоры по сложности не уступают ЦП компьютера, а зачастую превосходят его и по мощности и по числу транзисторов. Микроархитектура современного графического процессора (GPU) представлена на рис.5.25 .

Рис.5.25. Микроархитектура графического процессора (GPU)

Современная GPU – архитектура обычно предполагает наличие нескольких блоков обработки информации, а именно: блоки обработки 2D – графики, блоки обработки 3D – графики, в свою очередь, обычно разделяющиеся на геометрическое ядро (включая кэш вершин) и блок растеризации (включая кэш текстур). Суммарное количество структурированных блоков обработки (потоковых процессоров) доходит до 800 и более. На схеме GPU имеет 8 SIMD – ядер. Эти вычислительные блоки включают по 16 универсальных суперскалярных потоковых процессоров, состоящих, в свою очередь, скалярных процессоров. Каждое SIMD – ядро имеет свою локальную память и блок управления потоками, который эффективно распределяет задачи между вычислительными ячейками.. Кэш – память L1 и L 2 уровня обеспечивает эффективное распределение потоков данных и управление обработкой благодаря наличию своих контроллеров памяти. Каждому SIMD – блоку придается по восемь текстурных блоков. Через Кэш – память L 2 и шину памяти FB осуществляется обмен данными с видеопамятью.

Видеоконтроллер – формирует изображение в видеопамяти, выдаёт команды RAMDAC на формирование сигналов развёртки для монитора и обрабатывает запросы центрального процессора. Во многие видеоконтроллеры RAMDAC встраивается. Современные графические адаптеры (ATI, nVidia) обычно имеют как минимум два видеоконтроллера, которые работают независимо друг от друга и управляют одновременно одним или несколькими мониторами каждый.

Цифро–аналоговый преобразователь (ЦАП) или RAMDAC – (Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) – используется для преобразования изображения, которое формирует видеоконтроллер, в уровни интенсивности цвета, посылаемые на аналоговый монитор. Допустимый диапазон цветности изображения характеризуется лишь параметрами RAMDAC. Обычно RAMDAC имеет четыре основных блока – три ЦАП, по одному на каждый цветовой канал (красный, зелёный, синий, RGB), и SRAM для хранения данных о гамма-коррекции. Большинство ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал — это 256 уровней яркости на каждый основной цвет, что в сумме дает 16,7 млн. цветов, а за счёт гамма-коррекции появляется возможность отобразить исходные 16,7 млн. цветов в большее цветовое пространство. Некоторые RAMDAC имеют разрядность по каждому каналу 10 бит (1024 уровня яркости), что позволяет сразу отображать более 1 млрд. цветов, однако эта возможность используется очень редко. Для поддержки второго монитора часто устанавливают второй RAMDAC. Отметим, что видеопроекторы и мониторы, подключаемые к цифровому DVI - входу видеокарты, для преобразования потока цифровых данных используют свои цифроаналоговые преобразователи и не зависят от характеристик ЦАП видеокарты.

В состав видеокарты входит контроллеры внешнего интерфейса (например, AGP или PCI –express), контроллеры внутренней шины данных и видеопамяти, контроллер управления монитором. Ширина шины видеопамяти и внутренней шины обычно больше, чем внешней (64, 128 или 256 разрядов против 32). Для самых дорогих High–End видеокарт ширина шины видеопамяти доходит до 512 бит. Выполняемые функции контроллера управления монитором зависят от типа монитора и , соответственно, интерфейса (аналоговый , например,VGA D – SUB или цифровой DVI, HDMI). Конструктивно контроллеры могут быть реализованы в виде одного блока (чипа).

Видеопамять – обеспечивает хранение изображения, генерируемого и постоянно изменяемого GPU и выводимое на экран монитора (или нескольких мониторов). В видеопамяти также хранятся промежуточные не отображаемые на экране фрагменты изображения и другие данные. Есть несколько типов памяти, различающейся по скорости доступа и рабочей частоте. Современные массовые видеокарты оснащаются памятью типа DDR, DDR2, GDDR3. Профессиональные высокопроизводительные видеокарты - памятью GDDR 4 или GDDR 5. На плате видеокарты размещается обычная и выделенная память. Выделенная память реализуется путем размещения на карте нескольких микросхем памяти. Такое решение удорожает изделие и предназначено для высокопроизводительных решений. Кроме видеопамяти, установленной на карте, современные графические процессоры, как правило, используют в своих нуждах часть общей памяти компьютера (выделяемая память), доступ к которой осуществляет драйвер видеоадаптера через шину PCI – express или AGP. Выделяемая память обычно не позволяет получить высокую производительность видеосистемы и используется в основном, в интегрированных и недорогих мобильных решениях, где вопросы экономичности выходят на первый план.

Видео-ПЗУ (Video ROM) – постоянное запоминающее устройство, в которое записаны видео – BIOS, экранные шрифты, служебные таблицы и

т. п. Видео – BIOS видеоадаптера подобна системной BIOS, но полностью независима от нее. Она содержит основные команды, которые реализуют интерфейс между оборудованием видеоадаптера и программным обеспечением. Программа, которая взаимодействует с функциями BIOS видеоадаптера, может быть автономным приложением, операционной системой или системной BIOS. Видеоконтроллер не использует ПЗУ напрямую - к нему обращается только центральный процессор. Видео –BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до загрузки операционной системы, а также содержит системные данные, читаемые и интерпретированные видеодрайвером в процессе работы (в зависимости от метода разделения ответственности между BIOS и драйвером). На большинстве современных видеокартах установлены электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEРROM, Flash ROM), которые допускают перезапись видео – BIOS пользователем с помощью специального программного обеспечения (ПО).

Полнофункциональную и правильную работу современного графического адаптера обеспечивает видеодрайвер – специальное программное обеспечение, поставляемое производителем видеокарты и загружаемое в процессе запуска операционной системы. Видеодрайвер используется для реализации интерфейса между видеоадаптером и операционной системой с запущенными в ней приложениями. Так же как и видео–BIOS, драйвер организует и программно контролирует работу всех модулей видеоадаптера используя специальные регистры управления, доступ к которым происходит через соответствующую шину. Взаимодействие компонентов программного обеспечения на примере видеокарты ATI под управлением ОС Vista приведены на рис.5.26 [33].

Рис.5.26. Взаимодействие компонентов программного обеспечения на примере видеокарты ATI и ОС Vista