Шмаков 3 сем / Лекции / Шмаков_ЭВМиВС. Курс Лекций

не подключать, а графический адаптер все равно будет сканировать память, но логически вся конструкция строится исходя именно из поведения монитора. Эта постоянно циклически сканируемая (с кадровой частотой) память называется видеопамятью (video memory). Процесс постоянного сканирования видеопамяти называется регенерацией изображения.

Всимвольном, или текстовом, режиме формирование изображения происходит несколько иначе. Если в графическом режиме каждой точке экрана соответствует своя ячейка видеопамяти, то в текстовом режиме ячейка видеопамяти хранит информацию о символе, занимающем на экране знакоместо определенного формата. Знакоместо представляет собой матрицу точек, в которой может быть отображен один из символов определенного набора. Здесь умышленно применяется слово «точка», а не «пиксел», поскольку пиксел является сознательно используемым элементом изображения, в то время как точки разложения символа в общем случае программиста не интересуют. В ячейке видеопамяти хранятся код символа, определяющий его индекс

втаблице символов, и атрибуты символа, определяющие способ его отображения. К атрибутам относятся цвет фона, цвет символа, инверсия, мигание и подчеркивание символа.

Втекстовом режиме экран организуется в виде матрицы знакомест, образованной горизонтальными линиями (Line, LIN) и вертикальными колонками (Column, COL). Этой матрице соответствует аналогичным образом организованная видеопамять. Адаптер, работающий в текстовом режиме, имеет дополнительный блок — знакогенератор. Во время сканирования экрана выборка данных из очередной ячейки видеопамяти происходит при подходе к соответствующему знакоместу, причем одна и та же ячейка видеопамяти выбирается при проходе по всем строкам растра, образующим линию знакомест. Считанные данные попадают в знакогенератор, который вырабатывает построчную развертку соответствующего символа — его изображение на экране. Знакогенератор представляет собой запоминающее устройство – ОЗУ или ПЗУ.

131

8.2. Видеоадаптер

Схема видеоадаптера изображена на рис.8.2.

Рис. 8.2. Схема видеоадаптера 1 — монтажная печатная плата с элементами крепления; 2 — графический кон-

троллер; 3 — видеопамять; 4 — система ввода/вывода устройства (BIOS); 5 — разъем для подключения адаптера к системной шине; 6 — разъем подключения монитора; 7 — разъемы расширения видеопамяти

Рассмотрим подробнее основные элементы.

Графический контроллер — устройство, которое отвечает за обмен данными между CPU и видеопамятью, регенерацию ее содержимого, и обработку запросов центрального процессора. Для исключения конфликтов при обращении к памяти со стороны видеоконтроллера и центрального процессора первый имеет отдельный буфер, который в свободное от обращений ЦП время заполняется данными из видеопамяти. Если конфликта избежать не удается — видеоконтроллеру приходится задерживать обращение ЦП к видеопамяти, что снижает производительность системы. Для исключения подобных конфликтов в ряде карт применялась так называемая двухпортовая память, допускающая одновременные обращения со стороны двух устройств.

Последовательный преобразователь выбирает данные из памя-

ти и преобразует их в поток битов.

Синхронизатор — обеспечивает синхронную работу всех узлов адаптера, задает временные параметры и управляет доступом CPU к видеопамяти.

132

Цифро-аналоговый преобразователь служит для преобразова-

ния результирующего потока данных, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на монитор. Все современные мониторы используют аналоговый видеосигнал, поэтому возможный диапазон цветности изображения ограничен только соображениями целесообразности. Большинство ЦАП имеют разрядность по 8 бит на каждый из трех каналов основных цветов (красный, синий, зеленый — RGB), по 256 уровней яркости на каждый цвет, что в сумме дает 16,7 млн. цветов. Обычно ЦАП совмещен на одном кристалле с видеоконтроллером.

Видеопамять используется как буфер видеоконтроллера для промежуточного хранения и модификации изображения.

Связь между графическим адаптером и ядром компьютера осуществляется посредством шины PCI–Express 16x.

Одним из решений для ускорения работы графической системы стало применение технологии MMX (Multi Media Extension), разработанной фирмой Intel. Дальнейшим развитием расширения возможностей графики, интегрированной в центральный процессор, явилась разработка фирмой AMD технологии 3Dnow!, а затем разработка фирмой Intel технологии SSE (Streaming SIMD Extensions

Для ускорения разработки 3D-приложений используются специализированные прикладные программные (графические) библиотеки. Эти библиотеки могут быть как стандартными (разработанными лидерами 3D-индустрии), так и фирменными (разработанными производителями 3D-ускорителей). Функции библиотеки доступны через соответствующий API (Application programming interface) – программ-

ный интерфейс разработчика. Можно приближенно сказать, что API - язык описания трехмерной графики. Соответственно, каждое 3Dприложение написано с использованием некоторого API и соответственно будет работать в системе только в том случае, если видеочип поддерживает соответствующий API. От самого API во многом зависит качество и производительность работы видеоадаптера

8.3. Мониторы.

CRT мониторы

В основе CRT (Cathode Ray Tube) мониторов лежит электроннолучевая трубка (ЭЛТ). Используемая в этом типе мониторов технология изобретена много лет назад и первоначально создавалась в качест-

133

ве специального инструментария для измерения переменного тока, проще говоря, для осциллографа. На рис. 8.3 показан разрез типичного электронно-лучевого монитора.

Рис. 8.3. Типичный электронно-лучевой монитор

Рассмотрим принципы работы CRT мониторов. CRT или ЭЛТ монитор имеет стеклянную трубку, внутри которой находится вакуум. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором (Luminofor). В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов иттрия, эрбия и т. п. Люминофор – это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами. Для создания изображения в CRT мониторе используется электронная пушка, которая испускает поток электронов сквозь металлическую маску или решетку на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точками. Поток электронов на пути к фронтальной части трубки проходит

134

через модулятор интенсивности и ускоряющую систему, работающие по принципу разности потенциалов. В результате электроны приобретают большую энергию, часть из которой расходуется на свечение люминофора. Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, т. е. поток электронов заставляет точки люминофора светиться. Эти светящиеся точки люминофора формируют изображение на мониторе. Как правило, в цветном CRT мониторе используется три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах.

Люминофорный слой, покрывающий фронтальную часть элек- тронно-лучевой трубки, состоит из очень маленьких элементов (настолько маленьких, что человеческий глаз их не всегда может различить). Эти люминофорные элементы воспроизводят основные цвета, фактически имеются три типа разноцветных частиц, чьи цвета соответствуют основным цветам RGB.

Люминофор начинает светиться под воздействием ускореных электронов, которые создаются тремя электронными пушками. Каждая из трех пушек соответствует одному из основных цветов и посылает пучок электронов на различные частицы люминофор, чье свечение основными цветами с различной интенсивностью комбинируется и в результате формируется изображение с требуемым цветом. Например, если активировать красную, зеленую и синюю люминофорные частицы, то их комбинация сформирует белый цвет.

Для управления электронно-лучевой трубкой необходима управляющая электроника, качество которой во многом определяет и качество монитора.

Различные типы CRT – трубок Теневая маска (Shadow Mask)

В данной технологии цветной элемент состоит из трех зерен, расположенных в вершинах правильного треугольника. Резкость изображения определяется расстоянием между геометрическими центрами соседних элементов.

Основное достоинство дельтовидной технологии – точная четкая картинка, диагональные линии не имеют зазубрин. Основным же недостатком считается большое расстояние между зернами, отчего такие трубки имеют не слишком насыщенный цвет.

Теневая маска (shadow mask) – это самый распространенный тип масок для CRT-мониторов (рис. 8.4). Теневая маска состоит из ме-

135

таллической сетки перед частью стеклянной трубки с люминофорным слоем. Как правило, большинство современных теневых масок изготавливают из инвара (invar, сплав железа и никеля). Отверстия в металлической сетке работают, как прицел (хотя и не точный), именно этим обеспечивается то, что электронный луч попадает только на требуемые люминофорные элементы, и только в определенных областях.

Минимальное расстояние между люминофорными элементами одинакового цвета называется dot pitch (шаг точки) и является важным параметром качества изображения. Шаг точки обычно измеряется мм. Чем меньше значение шага точки, тем выше качество воспроизводимого на мониторе изображения.

а

б

в

Рис.8.4. Теневая маска (Shadow Mask):

а – маска; б – прохождение луча через маску; в – расположение пикселов на экране монитора

Щелевая маска (slot mask)

Щелевая маска изображена на рис.8.5. В данном случае люминофорные элементы расположены в вертикальных эллиптических ячейках, а маска сделана из вертикальных линий. Преимущества щелевой маски в передаче более насыщенного цвета, нежели при использовании теневой маски, за счет большей площади светящегося люминофора, однако такая маска несколько проигрывает в четкости наклонных линий.

а

б

Рис. 8.5. Щелевая маска (slot mask):

а – маска; б – прохождение луча через маску

136

Апертурная решетка(Aperture Grill)

Есть и еще один вид трубок, в которых используется «Aperture Grill» (апертурная, или теневая решетка).

Апертурная решетка не включает в себя металлическую решетку с отверстиями, как в случае с теневой маской, а имеет решетку из вертикальных линий. Вместо точек с люминофорными элементами трех основных цветов апертурная решетка содержит серию нитей, состоящих из люминофорных элементов, выстроенных в виде вертикальных полос трех основных цветов.

Рис.8.6. Апертурная решетка (показан размер шага)

Такая система обеспечивает высокую контрастность изображения и хорошую насыщенность цветов, что вместе обеспечивает высокое качество мониторов с трубками на основе этой технологии.

Как у любой другой технологии, у апертурной решетки есть свои достоинства и недостатки. Основное достоинство этой технологии – великолепные по насыщенности цвета, кроме того, экран таких мониторов гораздо менее выпуклый, чем при применении теневых масок и щелевых масок, так как в принципе не имеет причин быть искривлен по вертикали. Основной же недостаток – ступенчатость и нечеткость диагональных линий, отчего проектировщики не любят мониторы с применением апертурной решетки.

Нельзя напрямую сравнивать размер шага для трубок разных типов: шаг точек (или триад) трубки с теневой маской измеряется по диагонали, в то время как шаг апертурной решетки, иначе называемый горизонтальным шагом точек, - по горизонтали. Поэтому при одинаковом шаге точек трубка с теневой маской имеет большую плотность точек, чем трубка с апертурной решеткой. Для примера: 0.25 мм strip pitch (для апертурной решетки) приблизительно эквивалентно 0.27 мм dot pitch.

Оба типа трубок имеют свои преимущества и своих сторонников. Трубки с теневой маской дают более точное и детализированное изображение, поскольку свет проходит через отверстия в маске с четкими краями. Поэтому мониторы с такими CRT хорошо использовать

137

при интенсивной и длительной работе с текстами и мелкими элементами графики. Трубки с апертурной решеткой имеют более ажурную маску, она меньше заслоняет экран, и позволяет получить более яркое, контрастное изображение в насыщенных цветах. Мониторы с такими трубками хорошо подходят для настольных издательских систем и других приложений, ориентированных на работу с цветными изображениями.

Кроме электронно-лучевой трубки внутри монитора есть еще и управляющая электроника, которая обрабатывает сигнал, поступающий напрямую от видеокарты PC. Эта электроника должна оптимизировать усиление сигнала и управлять работой электронных пушек, которые инициируют свечение люминофора, создающего изображение на экране.

Выводимое на экране монитора изображение выглядит стабильным, хотя на самом деле таковым не является. Изображение на экране воспроизводится в результате процесса, в ходе которого свечение люминофорных элементов инициируется электронным лучом, проходящим последовательно по строкам слева направо и сверху вниз на экране монитора. Этот процесс происходит очень быстро, поэтому нам кажется, что экран светится постоянно. В сетчатке глаз изображение хранится около 1/20 секунды. Это означает, что если электронный луч будет двигаться по экрану медленно, можно видеть это движение как отдельную движущуюся яркую точку, но когда луч начинает двигаться, быстро прочерчивая на экране строку хотя бы 20 раз в секунду, наши глаза не увидят движущейся точки, а увидят лишь равномерную линию на экране. Если теперь заставить луч последовательно пробегать по многим горизонтальным линиям сверху вниз за время меньшее 1/25 секунды, мы увидим равномерно освещенный экран с небольшим мерцанием. Движение самого луча будет происходить настолько быстро, что глаз не будет в состоянии его заметить. Чем быстрее электронный луч проходит по всему экрану, тем меньше будет заметно и мерцание картинки. Считается, что такое мерцание становится практически незаметным при частоте повторения кадров (проходов луча по всем элементам изображения) примерно 75 в секунду. Однако эта величина в некоторой степени зависит от размера монитора. Дело в том, что периферийные области сетчатки глаза содержат светочувствительные элементы с меньшей инерционностью. Поэтому мерцание мониторов с большими углами обзора становится заметным при больших частотах кадров.

138

Способность управляющей электроники формировать на экране мелкие элементы изображения зависит от ширины полосы пропускания (bandwidth). Ширина полосы пропускания монитора пропорциональна числу пикселей, из которых формирует изображение видеокарта.

Основные параметры монитора – размер, разрешение и час-

тота обновления.

В случае с мониторами, размер – один из ключевых параметров. Под размером обычно понимают размер диагонали монитора. Монитор требует пространства для своей установки, а пользователь хочет комфортно работать с требуемым разрешением. Кроме этого, необходимо, чтобы монитор поддерживал приемлемую частоту регенерации или обновления экрана (refresh rate). При этом все три параметра – размер (size), разрешение (resolution) и частота регенерации (refresh rate) - должны всегда рассматриваться вместе, если вы хотите убедиться в качестве монитора, потому что все эти параметры жестко связаны между собой, и их значения должны соответствовать друг другу.

Разрешение монитора (или разрешающая способность) связана с размером отображаемого изображения и выражается в количестве точек по ширине (по горизонтали) и высоте (по вертикали) отображаемого изображения. Например, если говорят, что монитор имеет разрешение 640·480, это означает, что изображение состоит из 640·480=307200 точек в прямоугольнике, чьи стороны соответствуют 640 точкам по ширине и 480 точкам по высоте. Это объясняет, почему более высокое разрешение соответствует отображению более содержательного (детального) изображения на экране. Понятно, что разрешение должно соответствовать размеру монитора, иначе изображение будет слишком маленьким, чтобы его разглядеть. Возможность использования конкретного разрешения зависит от различных факторов, среди которых возможности самого монитора, возможности видеокарты и объем доступной видеопамяти, которая ограничивает число отображаемых цветов.

Максимальная разрешающая способность – одна из основных характеристик монитора, которую указывает каждый изготовитель. Однако реальную максимальную разрешающую способность монитора можно определить самостоятельно. Для этого надо иметь три числа: шаг точки (шаг триад для трубок с теневой маской или горизон-

139

тальный шаг полосок для трубок с апертурной решеткой) и размеры используемой области экрана в мм. Последние можно узнать из описания устройства либо измерить самостоятельно.

Так, для 17-дюймового монитора с трубкой, использующей апертурную решетку, и шагом полосок 0,25 мм по горизонтали и размером используемой области экрана 320·240 мм получается максимальная действительная разрешающая способность 1280·600 точек. Апертурная решетка не имеет шага по вертикали, и разрешающая способность по вертикали такой трубки ограничена только фокусировкой луча.

Частота регенерации, или обновления (кадровой развертки для

CRT мониторов) экрана, — это параметр, определяющий как часто изображение на экране заново перерисовывается. Частота регенерации измеряется в Герцах, (Гц), где один Гц соответствует одному циклу в секунду. Например, частота регенерации монитора в 100 Гц означает, что изображение обновляется 100 раз в секунду. В случае с традиционными CRT-мониторами время свечения люминофорных элементов очень мало, поэтому электронный луч должен проходить через каждый элемент люминофорного слоя достаточно часто, чтобы не было заметно мерцания изображения. Если частота такого обхода экрана становится меньше 70 Гц, то инерционности зрительного восприятия будет недостаточно для того, чтобы изображение не мерцало. Чем выше частота регенерации, тем более устойчивым выглядит изображение на экране. Мерцание изображения (flicker) приводит к утомлению глаз, головным болям и даже к ухудшению зрения. Чем больше экран монитора, тем более заметно мерцание, особенно периферийным (боковым) зрением, так как угол обзора изображения увеличивается. Значение частоты регенерации зависит от используемого разрешения, от электрических параметров монитора и от возможностей видеоадаптера. Минимально безопасной частотой кадров считается 75 Гц, при этом существуют стандарты, определяющие значение минимально допустимой частоты регенерации. Считается, что чем выше значение частоты регенерации, тем лучше, однако исследования показали, что при частоте вертикальной развертки выше 100 Гц глаз человека уже не может заметить никакого мерцания. Частота 100 Гц является рекомендуемой для любых разрешений, однако порогом безопасности считается частота 85 Гц.

140