4. Видеоадаптер (видеокарта)

Основная его функция: преобразование цифровых сигналов в аналоговые, подаваемые на модулятор и отклоняющие системы монитора, то есть выполнение роли интерфейса между CPU и монитором.

Определяет характеристики видеосистемы:

- разрешение и частоту разверток

- число цветовых оттенков (палитру)

- скорость обработки и передачи информации межу CPU и монитором.

Включает в себя основные узлы:

- видеопамять,

- Chipset, реализующий функции изображения,

- схемы интерфейса ввода/вывода на монитор,

- ROM VIDEO BIOS – базовая система ввода вывода для управления видеосистемой (в адаптерах EGA, VGA и SVGA),

- ЦАП – для VGA и SVGA,

- тактовые генераторы.

- адаптер формирует сигналы горизонтальной (строчной: H-Sync) и вертикальной (кадровой V-Sync) синхронизации.

Совокупность всех параметров, определяющих режим работы адаптера (разрешение, палитра, частота, способ адресации участков экрана и т.д.) называют видеорежимом адаптера.

Различие графического и текстового режима существенно только для адаптера, поскольку в каждом из них используются разные механизмы формирования видеосигнала.

В графическом минимальным элементом изображения является пиксел, поэтому режим еще называют: все точки адресуемые (All Point Addressable), разрядность слова называют глубиной цвета.

В текстовом может использоваться ПЗУ (или ОЗУ) где адресом ячейки символа является его порядковый номер.

Символ кодируется 2-мя байтами: 1-й байт – номер символа, 2-й – его атрибуты: цвет, подчеркивание, мигание и т.д.

Главная особенность текстового режима – адремуется на экране не пиксел, а знакоместо.

Адаптер VGA (основные принципы его работы сохранены и в SVGA).

Главное его отличие от предыдущих адаптеров – наличие специальной микросхемы памяти RAM DAC и 3-х канального ЦАП.

VGA совместим с предыдущими, поддерживает до 15 режимов работы, характеризующихся разными разрешениями, числом знакомест, наличием символьных оттенков, аналоговым управлением модулятора.

С появлением расширения VGA оформился SVGA, который и стал стандартом, дающим разрешение 1600х1200.

Структурная схема и особенности VGA

Большинство указанных на схеме узлов содержит 8-разрядные RG, доступные CPU для чтения/записи. Модифицируя их содержимое CPU управляет работой видеоадаптера. Адаптер также содержит также, не указанных на схеме:

1. Многоцелевой выходной RG для задания адресов портов ввода вывода, начального адреса кадрового буфера и выбора тактового генератора.

2. RG состояния адаптера для чтения, используемого для синхронизации процесса обновления кадрового буфера с обратным ходом луча кадровой развертки.

Конструктивно основные узлы VGA за исключением узлов: видеопамяти, ROM Video BIOS, ГТИ и схемы интерфейса (AGP) реализованы в одной микросхеме.

Основные узлы VGA

1. Видеопамять – специализированное ОЗУ для хранения цифрового образа изображения. Ее емкость определяет разрешение и число цветовых оттенков. Видеопамять еще называют локальной, поскольку современные адаптеры с интерфейсом AGP имеют доступ и к основной памяти ЭВМ.

Часть видеопамяти, используемая для хранения кадра изображения, называется кадровым буфером (frame buffer). В видеопамяти могут храниться шрифты и другие данные.

Основными характеристиками памяти являются емкость и ее пропускная способность, определяемая как произведение разрядности шины памяти на ее тактовую частоту. Измеряется числом Мегабайт передаваемым за 1 секунду.

В VGA применялись шины: 8,16,32, 64, 128 – разрядные. Уже применяется 256 разрядные, у которых пропускная способность превышает пропускную способность шины AGP. Это стимулирует рост емкости памяти.

2. ROM Video BIOS реализация любой графической операции: смена видеорежима, обмен с кадровым буфером, управление курсором, требует от CPU длинной последовательности команд, поэтому набор таких команд был помещен в специальное ПЗУ на плате адаптера, которое было названо Video BIOS. Кроме того в это ПЗУ поместили много различных констант, сведения о производителе и о возможностях видеоадаптера.

Обычно емкость ROM Video BIOS составляет от 32 Кбайт, 8-ми разрядных слов.

Альтернативным и более быстрым способом вывода информации на экран является изменение состояния регистров адаптера прикладной программой, но создание которой требует от программиста детального знания аппаратных особенностей адаптера: адресов портов ввода вывода, назначения и структуры данных в управляющих регистрах и т.д.

3. Контроллер ЭЛТ

Формирует сигналы горизонтальной (строчной) (H-Sync) и вертикальной (кадровой – V-Sync) разверток, сигналы подавления луча при обратном ходе строки – H-Blank и кадра – V-Blank, сигналы инкремента счетчика адреса ячеек памяти в которой хранится изображение, стробы чтения/записи памяти.

Перечисленные сигналы обеспечивают синхронность сканирования ячеек памяти с движением луча.

Работа контроллера синхронизируется одним из 2-х ГТИ.

Контроллер имеет 26 регистров, доступных процессору, которые полностью определяют параметры растра на экране

4. Графический контроллер.

Управляет обменом между процессором и видеопамятью, выполняет элементарные преобразования данных, в частности при выполнении записи/считывания данных пиксела по заданному адресу, при модификации цвета. Является прообразом графического акселератора в современных SVGA, о котором будет сказано ниже.

5. Секвенсер – указатель последовательности, генерирует сигналы, необходимые при сканировании видеопамяти для обеспечения последовательной адресации и считывания содержимого ячеек, передачи его в контроллер атрибутов и далее в RAM DAC сам секвенсер синхронизируется сигналами из контроллера ЭЛТ.

6. Контроллер атрибутов – управляет цветом изображения

В текстовом режиме – задает цвет пикселов в пределах знакомства на основании байта атрибутов символа, задает мигание, регулирует яркость символа и т.д.

В графическом режиме (16-ти цветном) контроллер преобразует 4-х разрядный условный номер цвета пиксела в 8-ми разрядный номер регистра RAM DAC, содержащего 18-ти разрядный код цвета (по 6 разрядов на цвета R, G и B.

С выхода контроллера данные поступают на RAM DAC.

7. RAM DAC (Random Access Memory Digital – to Analog Converter) – цифроаналоговый преобразователь данных хранимых в ОЗУ.

Содержит:

- схему адресации,

- 256 – 18-ти разрядных RG цвета (эти RG и образуют JPE под названием RAM),

- 3х –канальный 6ти разрядный ЦАП (DAC),

- выходной 18ти- разрядный RG цвета, выходы которого связаны со входами ЦАП:

Разрядность ЦАП (6ти разр.) определяет число цветовых оттенков. Очевидно, что палитра составит : (2⁶)³ = 2¹⁸ = 262144 оттенка.

Фактически это число меньше, так как кодов оттенков текущего пиксела, хранящихся в RG цветов всего 256, что не позволяет подать на входы АЦП произвольное значение цвета.

Содержимое RG^ов цвета можно менять программно, и менять палитру по командам процессора, что несколько увеличит палитру. Однако написание такой программы требует от программиста детального знания аппаратного устройства адаптера.

В адаптерах SVGA используется прямое кодирование цвета (8-ми разрядное). Коды хранятся в видеопамяти и загружаются прямо в выходной (уже 24х-разрядный) регистр цвета, что дает

2²⁴ =16,7 млн. цветовых оттенков.

8. Синхронизатор управляет доступом процессора к кадровому буферу, точнее разрешает обновление буфера во время обратного хода луча.

9. Интерфейс с шиной ввода/вывода (PCI) а ранее с шиной ISA. VGA вставляется в слот шины ISA или PCI. Интерфейс выполняет функции:

- согласование внутренней 8ми разрядной шины адаптера с 16-разнядной шиной ISA или 32-разрядной PCI.

- согласование тактовых сигналов обеих шин.

4. Основные функции видеоадаптера и направление его развития.

1. Прорисовка графических примитивов. В командах прорисовки параметры задаются в векторном виде: координаты точек и атрибуты, что значительно разгружает процессор и уменьшает передаваемый поток данных.

2. Перенос блоков изображений, то есть перемещение блока битов из одной области памяти в другую. Например: окон изображения, ярлыков при прокрутке экрана, при редактировании.

3. Аппаратная поддержка окон, заключается в том, что для окна каждой программы в памяти выделяется своя область, акселератор (графический контроллер) запоминает порядок наложения окон друг на друга и сканирует ячейки не последовательно по все памяти, а по кадровым буферам каждого окна в порядке наложения.

Это увеличивает скорость.

4. Аппаратный курсор. Процессор, через COM-порт считывает координаты курсора, передает их акселератору, а он уже формирует его изображение в указанном месте.

5. Масштабирование растрового изображения (изменение номера изображения).

Громоздкая операция, часто выполняемая, особенно при просмотра например, видеофильма.

Существует 2 метода масштабирования:

- дублирование (репликация), когда изменение размера изображения сводится к увеличению размера пикселов. Сопровождается появлением зазубрин на линиях изображения.

- интерполяция, когда значение каждого нового пиксела определяется расчетным путем как средневзвешенное значение нескольких соседних пикселов.

Качество гораздо выше.

6. Панорамирование. При превышении изображения емкости кадрового буфера, для просмотра всего изображения используется функция панорамирования, сходная с функцией прокрутки. В этом случае используется начальный адрес той области памяти, в которой записана видимая в заданный момент часть изображения.

7. Преобразование цветового пространства, используется в основном в мультимедийных приложениях, связанных с обработкой видеоинформации: телевидения, цифрового видео и т.д., то есть динамических изображений.

Видеоинформация при вводе в ЭВМ может быть представлена только в цифровом виде. Представление например телевизионного изображения при кодировании цветов в соотношении 8:8:8 бит представляет собой большой объем информации. Поэтому в современной аппаратуре принято такие изображения представлять в формате YUV, в котором изображение основано на замене 3-х основных цветов сигналами яркости и цветности. Цветность представляет собой 2 так называемых цветоразностных сигнала, связанных с цветами R, G и B определенными соотношениями. При этом в формате YUV соотношение дискретизации сигнала яркости и цветоразностных сигналов отражается формулой оцифровки 1 пиксела: 4:2:2 (1 байт – яркость и по 4 бита на сигналы цветоразностные, что позволяет уменьшить объем информации на кадр).

Плюс к этому изображение подвергается сжатию (в соотношении примерно 15:1) по методу MPEG (экспертная группа по видео). При выводе на монитор акселератор осуществляет обратные преобразования декомпрессию и формат YUV в формат RGB.

Пути улучшения видеоадаптеров

У VGA основные недостатки:

1. Недостаточное число цветовых оттенков и малое разрешение например для графики.

2. Высокая загрузка центрального процессора при формировании изображения.

3. Недостаточное быстродействие для быстро меняющихся изображений.

Первый недостаток был устранении в SVGA увеличением емкости видеопамяти, использованием 8ми битного кодирования каждого цвета, повышением разрядности RAM DAC и как следствие – загрузкой выходного RG ЦАП (уже 24х или даже 32х разрядного) прямо из видеопамяти. Все это решило проблему цветов (стало 16,7 млн. оттенков).

Проблему загрузки центрального процессора и недостаточного быстродействия видеоадаптера решило включение в состав адаптера вместо графического контроллера – графического ускорителя – акселератора.

Акселератор стал выполнять множество элементарных операций графики, освободив от этого CPU.

Например, в среде Windows построение графических примитивов: дуг, отрезков, прямоугольников и т.д. для чего теперь CPU достаточно послать команду построения примитива с указанием его параметров: радиуса, цвета, координат.

Это резко уменьшило занятость CPU и поток передаваемых данных. Акселератор стал оперировать объектами более высокого уровня, причем, современный адаптер уже может формировать 3х мерные изображения и стал называться 3D – акселератором.

Дальнейшее развитие 3-х мерной графики привело к появлению видеоадаптеров, включающих в себя не только акселератор, но и мощный процессор (графический сопроцессор).

Для того, чтобы лучше понять суть решаемых задач при построении 3-х мерного графика рассмотрим восприятие человеком 3-х мерного изображения.