Відеоадаптери

Відеоадаптер

Що таке відеоадаптер і для чого він потрібен? Оскільки максимум інформації про зовнішній  світ більшість з нас отримує  візуально, ніхто не ризикне заперечувати, що відеопідсистема – один з найважливіших  компонентів персонального комп'ютера. Відеопідсистема, в свою чергу, складається з двох основних частин: монітора й відеоадаптера. Створенням зображення на моніторі управляє звичайно аналоговий відеосигнал, формований відеоадаптером.

А як виходить відеосигнал? Комп'ютер формує цифрові дані про  зображення, які з оперативної пам'яті поступають в спеціалізований процесор відеоплати, де обробляються і зберігаються у відеопам'яті Паралельно з накопиченням у відеопам'яті повного цифрового «зліпка» зображення на екрані дані прочитуються цифро-аналоговим перетворювачем (Digital Analog Converter, DAC). Оскільки DAC звичайно (хоч і не завжди) включає власну пам'ять довільного доступу (Random Access Memory, RAM) для зберігання палітри кольорів в 8-розрядних режимах, його ще називають RAMDAC. На останньому етапі DAC перетворює цифрові дані в аналогові і посилає їх на монітор. Ця операція виконується DAC декілька десятків разів за одну секунду; дана характеристика називається частотою оновлення (або регенерації) екрану.

Згідно сучасним ергономічним стандартам, частота оновлення екрану повинна складати не менше 85 Гц, інакше людське око помічає мерехтіння, що негативно впливає на зір. Навіть подібна спрощена схема, що описує механізм роботи універсального відеоадаптера, дозволяє зрозуміти, чим керуються розробники графічних прискорювачів і плат, коли приймають ті чи інші технологічні рішення. Очевидно, що тут, як і в будь-якій обчислювальній системі, є вузькі місця, що обмежують загальну продуктивність. Де вони і як їх намагаються усунути?

По-перше, продуктивність тракту передачі даних між пам'яттю на системній плат і графічним прискорювачем. Ця характеристика залежить в основному від розрядності, тактової частоти і організації роботи шини даних, що використовується для обміну між центральним процесором, розташованим на системній платі комп'ютера, і графічним прискорювачем, встановленим на платі відеоадаптера (втім, іноді графічний процесор інтегрується в системну плату). В даний час шина (а точніше, порт, оскільки до нього можна підключити тільки один пристрій) AGP забезпечує цілком достатню і навіть надмірну для більшості додатків продуктивність.

По-друге, обробка даних, що надходять, графічним прискорювачем. Підвищити швидкість цієї операції можна, вдосконалюючи архітектуру  графічного процесора, наприклад, упровадивши конвеєрну обробку, коли нова команда починає виконуватися ще до завершення виконання попередньої. Виробники збільшують розрядність процесорів і розширюють перелік функцій, підтримуваних на апаратному рівні; підвищують тактові частоти. Всі ці вдосконалення дозволяють значно прискорити заповнення відеопам'яті графічними даними, готовими для відображення на екрані.

І, по-третє, обмін даними в підсистемі «графічний процесор –  відеопам'ять – RAMDAC». Тут також  існує декілька шляхів розвитку.

Один з них – використання спеціальної двохпортової пам'яті, VRAM, до якої можна одночасно звертатися з двох пристроїв: записувати дані з графічного процесора і читати з RAMDAC. Пам'ять VRAM досить складна у виготовленні і, отже, дорожча за інші типи. (Є ще один варіант двохпортової пам'яті, вперше застосований компанією Matrox – Window RAM, WRAM, – що забезпечує дещо більш високу продуктивність при собівартості на 20% нижче.) Оскільки використання двохпортової пам'яті дає відчутний приріст продуктивності лише в режимах з високими дозволами (1600×1200 і вище), цей шлях можна вважати перспективним лише для відеоприскорювачів вищого класу.

Ще один спосіб – збільшити  розрядність шини даних. У більшості  виробників розрядність шини даних  досягла 128 біт, тобто за один раз по такій шині можна передати 16 байт даних. Ще одне, досить очевидне рішення, – підвищити частоту звернення до відеопам'яті. Стандартна для сучасних відеоадаптерів пам'ять SGRAM працює на тактовій частоті 100 Мгц, а у деяких виробників вже використовуються частоти 125 і навіть 133 Мгц. Для чого все це потрібно? Чим швидше підготовлені графічним процесором дані поступають в RAMDAC і перетворяться в аналоговий сигнал, тим більший їх об'єм за одиницю часу буде «конвертований» в зображення, що дозволяє підвищити його реалістичність і деталізацію.

Продуктивність відеоадаптера  характеризується багатьма показниками, серед яких можна виділити декілька груп:

• DOS реrformance – продуктивність виведення символів або пікселів. Використання локальних шин VLB, PCI і AGP, застосування спеціальної відеопам'яті великої розрядності, тіньової відеопам'яті і BIOS при високопродуктивному CPU забезпечують істотне підвищення продуктивності відеосистеми.
• GUI (Graphic User Interface) реrformance (2D або Windows реrformance) – продуктивність при виведенні примітивів Windows GUI. Окрім вищенаведених чинників, залежить і від ефективності акселератора (Video chipset).
• 3D реrfomance – продуктивність тривимірних побудов (швидкість обробки полігонів, з яких збираються тривимірні поверхні).
• Video Display реrformance – продуктивність виведення «живого» відео, підвищується застосуванням апаратних кодеків (MPEG та ін.). Підвищення продуктивності виражається в підвищенні якості декодування, зменшенні числа пропущених кадрів і зниженні завантаження процесора (актуально для багатозадачних ОС).

Продуктивність конкретного  адаптера залежить від вибраного  дозволу, кількості кольорів, частоти  і режиму розгортки. Вплив параметрів розгортки на продуктивність може й  не очевидний, але пригадаємо, що відеопам'ять сильно завантажена постійним зчитуванням даних для регенерації зображення. Доступ до неї для побудови зображень відбувається у вільний від регенерації час, і чим вище частота сканування, тим менше у відеопам'яті цього вільного часу і тим нижча продуктивність. Сучасні графічні чіпсети в поєднанні із застосуванням спеціалізованої відеопам'яті дозволяють зменшити цей вплив на продуктивність комп'ютера.

 

2. Будова, принцип організації,  функціонування

Між центральним процесором персонального комп'ютера і монітором розташований чіп (чіпсет), який перетворює машинні команди з даними про те, що повинно бути відображене на екрані, в три роздільні сигнали, несучі інформацію про яскравість і кольоровість кожної точки на екрані монітора. На цьому чіпові, в даний час званому відеопроцесором, який по складності і продуктивності мало поступається найпродуктивнішому процесору Pentium, створюються мультимедійні відеоадаптери, що дозволяють утілювати для людини віртуальну реальність.

Відеоадаптер частіше  за все виконується у вигляді окремої печатної плати, яка встановлюється в слот ISA, PCI або AGP, причому останній варіант став для сучасних комп'ютерів PC стандартним. Відмітимо, що в ряді материнських плат чіп відеопроцесора інтегрований безпосередньо на ній, дозволяючи відмовитися від установки окремого відеоадаптера.

На рис. 1 показаний  типовий представник сучасного  відеоадаптера, який може працювати  не тільки з традиційним монітором, але й має новий цифровий інтерфейс  для рідкокристалічного або плазмового монітора, а також роз'єм для з'єднання з побутовою відеоапаратурою. В якості приклад на рис. 3 показано, що можна підключити до відеоадаптера Abit Siluro GeForce 3. Відмітимо, що подібна плата коштує значно дорожче, ніж відеоадаптер для звичайного комп'ютера, призначеного для роботи в офісі.

Рис. 1. Відеоадаптер GeForce 4 Titanium 4600 виробництва компанії Chaintech

Традиційні ж для  архітектури IBM PC відеоадаптери, як це видно на рис. 2, завжди мали лише один роз'єм для підключення монітора (виключення були, але надто рідко). Відповідно до стандарту VGA через цей 15-контактний роз'єм подається аналоговий відеосигнал на монітор з електронно-вакуумною трубкою. В більш давніх відеоадаптерах, які іноді можна зустріти на ринках, використовувався 9-контактний роз'єм, до якого підключалися монітори MDA (Monochrome Display Adapter), Hercules1 (Hercules Graphics Card), CGA (Color Graphics Adapter) і EGA (Enhanced Graphics Adapter).

Рис. 2. Відеоадаптер 3D Prophet 4000XT виробництва компанії Hercules

Поширення рідкокристалічних  і газорозрядних плоских панелей  привело до тому, що в даний час  на відеоадаптерах почав з'являтися другий роз'єм, призначений для роботи з цифровими пристроями виведення  інформації. Внаслідок того, що плоскі монітори по самій суті є цифровими пристроями, на цей роз'єм виводиться інформація про яскравість і колір точки в двійковому форматі (приблизно так, як колись було в моніторах EGA). Таким чином, розробники відмовилися від двох зайвих перетворень відеосигналу - спочатку в відеоадаптері цифровий сигнал перетвориться в аналоговий, а потім в моніторі все робиться навпаки. На жаль, не дивлячись на зручності, які обіцяє новий варіант підключення моніторів, не обійшлося без великої ложки дьогтю - на відеоадаптері і плоскому моніторі можуть бути встановлені роз'єми різних стандартів, що зажадає пошуку перехідника.

Рис. 3. Підключення моніторів і відеоапаратури до відеоадаптера  
Abit Siluro GeForce 3

На відміну від процесорів і системної плати, відеоадаптери, з одного боку, більш універсальні пристрої, оскільки їх можна встановлювати на будь-яку системну плату, в якої є відповідний слот розширення, але, з другого боку, розробники безтрепетно змінюють архітектуру відеоадаптера, вводячи, наприклад, 128-розрядну шину відеопам'яті, і розробляють нові системи команд побудови зображень, для використання яких потрібні вже нові версії програм. Відповідно, кількість типів відеоадаптерів велика, а їх номенклатура щороку практично повністю замінюється. Для прикладу в табл. 1 наведені дані по виробників і типи відеоадаптерів, які в середині 2003 р. продавались в інтернет-магазині Amazon.com (http://www.amazon.com). Через деякий час список буде вже іншим, а самий "просунутий" відеоадаптер, швидше за все, стане "безнадійний застарілим".

Таблиця 1

Відеоадаптери, що продавались  в середині 2003 р. в магазині Amazon.corn

Компанія	Продукція
3Dfx	Voodoo3, Voodoo4
Abit	Geforce2, GeforceS, Geforce4
Aopen	Geforce2, GeforceS, Geforce4, TNT2
Asus	Geforce2, GeforceS, Geforce4
ATI	All In Wonder, Radeon, Xpert, Rage
Creative	Geforce2, Geforce4, TNT2
Hercules	3D Prophet 8500, 7500, 4500, 4000
Matrox	G200, G450, G550

 

Розглянемо функціональну  схему графічного адаптера (рис. 4), яка  з деякими добавками або винятками застосовна практично до всіх адаптерів, вживаних в PC.

Рис. 4. Функціональна схема графічного адаптера

Оскільки адаптер призначений  для підключення монітора, його обов'язковим  елементом буде контроллер ЕПТ (CRT Controller). В задачу цього контроллера входить злагоджене формування сигналів сканування відеопам'яті (адреса і строби читання) і сигналів вертикальної і горизонтальної синхронізації монітора. Контроллер ЕПТ повинен забезпечувати необхідні частоти розгортки і режими сканування відеопам'яті, які залежать від режиму відображення (графічний чи текстовий) і організації відеопам'яті. Опорною частотою для роботи контроллера є DotCLK – частота виведення пікселів у графічних режимах або точок розкладання символів в текстовому режимі. В самих перших моделях адаптерів в якості контроллера ЕПТ застосовувалася мікросхема Motorola 6845, і її регістрова модель підтримується сучасними адаптерами при емуляції адаптерів CGA і MDA. В текстовому режимі цей же вузол формує і апаратний курсор.

Відеопам'ять є спеціальною областю пам'яті, з якої контроллер ЕПТ організовує циклічне читання вмісту для регенерації зображення. Традиційно для відеопам'яті в карті розподілу пам'яті PC була виділена область адрес A0000-BFFFFh, безпосередньо доступна будь-якому процесору х86. Першим адаптерам (MDA, CGA) цієї області було більш, ніж достатньо. Адаптери EGA ці 128 Кбайт використовували вже повністю, а для подальшого збільшення об'єму, потрібного адаптерам VGA і SVGA, довелося застосовувати техніку перемикання банків. Цей вимушений захід ускладнює програмне формування зображення, яке в режимах високого дозволу з великою кількістю кольорів вже не поміщається в один банк. Сучасні графічні адаптери мають нагоду переадресації відеопам'яті в область старших адрес (вище за межу 16 Мбайт), що дозволяє в захищеному режимі процесорів 386+ працювати з суцільними образами екранів. Окрім апаратно-виділеної відеопам'яті, встановлюваної на графічних адаптерах, існує й архітектура уніфікованої пам'яті UMA (Unified Memory Architecture). При такому підході під відеобуфер виділяється область системного ОЗУ, що дозволяє дещо здешевити комп'ютер. Ця «економія на сірниках» приводить до зниження продуктивності як графічної підсистеми, так і комп'ютера в цілому, і перспективи розвитку UMA сумнівні. Діаметрально протилежним підходом, націленим на підвищення продуктивності, є не просто виділення відеопам'яті, а ще і використання в ній мікросхем зі спеціальною архітектурою – VRAM, WRAM, MDRAM, RDRAM, SGRAM.

Необхідний об'єм відеопам'яті визначається бажаним графічним режимом (в текстовому режимі буде потрібно всього декілька кілобайтів, які «погоду не роблять»). Необхідні об'єми для однієї сторінки різних відеорежимів наведені в табл. 2. Якщо взяти подвоєне значення цього об'єму, то багато адаптерів дозволять організувати двохсторінковий режим з перемиканням буферів, що іноді корисне для виведення динамічних зображень.

Таблиця 2

Дозвіл і необхідний об'єм відеопам'яті

Біт/піксель	Кількість кольорів	640×480	800×600	1024×768	1280×1024
4	16	150 Кбайт	234 Кбайт	384 Кбайт	640 Кбайт
8	256	300 Кбайт	469 Кбайт	768 Кбайт	1,25 Мбайт
15	32 768	600 Кбайт	938 Кбайт	1,5 Мбайт	2,5 Мбайт
16	65 536	600 Кбайт	938 Кбайт	1,5 Мбайт	2,5 Мбайт
24	16 777 216	900 Кбайт	1,37 Мбайт	2,25 Мбайт	3,75 Мбайт
32	16 777 216	1,172 Мбайт	1,83 Мбайт	3,0 Мбайт	5,0 Мбайт