Архітектура комп'ютерів

Под разрешающей способностью здесь (так же, как и для мониторов) понимается то количество выводимых  на экран монитора пикселов, которое  может обеспечить видеоконтроллер. При разрешении 1024 х 768 на экран должно выводиться 786432 пиксела, а при разрешении 2048 х 1536 — 3 145728 пикселов. Для каждого пиксела должна храниться и его характеристика — атрибут.

Количество воспроизводимых  цветовых оттенков (глубина цвета) зависит  от числа двоичных разрядов, используемых для представления атрибута каждого пиксела. Выделение 4 бит информации на пиксел (контроллеры CGA) позволяло отображать 2⁴ = 16 цветов, 8 бит (контроллеры EGA и VGA) — 2⁸ = 256 цветов, 16 бит (стандарт High Color), 24 и 25 бит (стандарт TrueColor в контроллерах SVGA), соответственно, 2¹⁶ = 65536, 2²⁴ = 16777216 и 2²⁵ = = 33554432 цветов. В стандарте TrueColor в отображении каждого пиксела обычно участвуют 32 бита, из них 24 или 25 нужны для характеристики цветового оттенка, а остальные — для служебной информации.

Необходимую емкость  видеопамяти для работы с двухмерной графикой можно приблизительно сосчитать, умножив количество байтов атрибута на количество пикселов, выводимых  на экран. Например, в стандарте TrueColor при разрешающей способности монитора 1024 х 768 пикселов емкость видеопамяти должна быть не менее 2,5 Мбайт, а при разрешении 2048 х 1536 — не менее 9,5 Мбайт.

При работе со сложными графическими программами, такими, например, как Photoshop, AutoCad, ImageReadSy, 3D Мах и др., ввиду необходимости отображения стереоструктур, слоев и примитивов, их формирующих, необходимая емкость видеопамяти может достигать 128 Мбайт и более (в атрибут каждого пиксела включается кроме его координат X и Y на плоскости значение его третьей координаты Z (глубины). В сложных графических системах требуется большая разрядность Z-буфера (до 32 бит), иначе бывает трудно различить близко расположенные по глубине точки изображения. Кроме того, для ускорения последовательной выборки текстур из памяти иногда создается два буфера. Пока на экран выводится содержимое из одного буфера, ведется расчет размещения текстур для другого буфера. Затем буферы меняются местами. Это позволяет придать движущемуся по экрану изображению большую плавность, но требует двухкратного увеличения объема видеопамяти. Поэтому для ЗD-графики иногда необходима видеопамять до 256 Мбайт. Правда, есть возможность размещать текстуры и в оперативной памяти ЭВМ, но это дополнительно существенно загружает центральный процессор и, несмотря на современные скоростные интерфейсы (PCI Express 16x, например), замедляет работу видеосистемы и ухудшает качество изображения.

В текстовых режимах  работы требуется существенно меньшая  видеопамять.

Скорость вывода изображения  на экран зависит от скорости обмена данными видеопамяти со специализированным процессором, цифроаналоговым преобразователем и центральным процессором.

Для увеличения скорости обмена данными используются:

□   увеличение разрядности  и тактовой частоты внутренней шины видеоконтроллера (вплоть до 256 разрядов и 600 МГц);

□  новейшие быстродействующие  типы оперативной памяти. В качестве видеопамяти в контроллерах могут  применяться различные типы памяти DRAM, как универсальные: SDRAM, DRDRAM, DDR1 и DDR2 SDRAM, - так и особо быстрые специализированные: SGRAM (синхронная графическая), VRAM и WRAM (двухпортовые типы видеопамяти, в памяти WRAM для ввода и вывода информации применяются разнотипные порты), 3D RAM (трехмерная) и т. д.

Скорость обмена данными  с центральным процессором определяется пропускной способностью шины, через которую осуществляется обмен. В современных компьютерах используются скоростные интерфейсные шины AGP и PCI Express.

Поскольку в CRT-мониторы чаще всего необходимо подавать аналоговый видеосигнал, для преобразования цифровых данных, хранимых в видеопамяти, в аналоговую форму в видеоконтроллере предусмотрен цифроаналоговый преобразователь RAMDAC (Digital Analog Converter for RAM). Он отвечает за формирование окончательного изображения на мониторе. RAMDAC преобразует результирующий цифровой поток данных, поступающих от видеопамяти, в уровни интенсивности, подаваемые на соответствующие электронные пушки ЭЛТ-монитора — красную, зеленую и синюю. Помимо цифроаналоговых преобразователей для каждого цветового канала (красного, зеленого, синего), RAMDAC имеет встроенную память для хранения данных о цветовой палитре и т. д. Такие характеристики RAMDAC, как его частота и разрядность, также непосредственно определяют качество изображения.

От частоты ЦАП зависит, какое максимальное разрешение и  при какой частоте кадровой развертки монитора сможет поддерживать видеоконтроллер. Разрядность определяет, сколько цветов может поддерживать видеоконтроллер. Наиболее широко распространено 8-битовое представление характеристики пиксела на каждый цветовой канал монитора (суммарная разрядность 24).

В видеоконтроллере имеются  микросхемы ПЗУ двух типов:

□  содержащие видео-BIOS — базовую систему ввода-вывода, используемую центральным процессором для первоначального запуска видеоконтроллера;

□   содержащие сменные матрицы знаков, выводимых на экран монитора.

Многие видеокарты имеют  электрически перепрограммируемые  ПЗУ (EEPROM, Flash ROM), допускающие перезапись информации пользователем под управлением специального драйвера, часто поставляемого вместе с видеоадаптером. Таким образом можно обновлять и видео-BIOS, и экранные шрифты.

Основные характеристики видеоконтроллера:

□   режимы работы (текстовый  и графический);

□   воспроизведение  цветов (монохромный и цветной);

□   число цветов или число полутонов (в монохромном);

□   разрешающая  способность (число адресуемых на экране монитора пикселов по горизонтали и  вертикали);

□  емкость и число  страниц в буферной памяти (число  страниц — это число запоминаемых графических текстур или текстовых  экранов, любой из которых путем прямой адресации может быть выведен на отображение в мониторе);

□   размер матрицы  символа (количество пикселов в строке и столбце матрицы, формирующей  символ на экране монитора);

□  разрядность шины данных, определяющая скорость обмена данными с системной шиной, и т. д.

Общепринятый стандарт формируют следующие видеоконтроллеры:

□   Hercules — монохромный графический адаптер;

□   MDA — монохромный дисплейный адаптер (Monochrome Display Adapter);

□   MGA — монохромный графический адаптер (Monochrome Graphics Adapter);

□   CGA — цветной графический адаптер (Color Graphics Adapter);

□   EGA — улучшенный графический адаптер (Enhanced Graphics Adapter);

□ VGA — видеографический адаптер (Video Graphics Adapter), часто его называют видеографической матрицей (Video Graphics Array);

□   SVGA — улучшенный видеографический адаптер (Super VGA);

□   PGA — профессиональный графический адаптер (Professional GA).

В настоящее время  выпускаются и практически используются только видеоконтроллеры типа SVGA и существенно реже PGA.

Для плоских мониторов  используются контроллеры типа SXGA (цифровая модификация SVGA) и DVI (Digital Video Interface).

Современные SVGA- и SXGA-видеоконтроллеры поддерживают разрешение до 2048 х 1536, число цветовых оттенков около 33 млн (32-разрядные) и имеют объем видеопамяти 128-256 Мбайт.

Сборщиками эффективных  видеоконтроллеров в своих картах используются в основном чипсеты  компаний nVidia (карты GeForce) и ATI (карты Radeon). Значительно меньшее распространение получили чипсеты фирм Matrox, SIS, Intel и др.

Видеоконтроллер устанавливается  на материнской плате, как видеокарта, в свободный разъем AGP или PCI. Некоторые видеокарты имеют вход для подключения телевизионной антенны (TV in) и тюнер, то есть позволяют через ПК просматривать телепередачи, видеофильмы с видеомагнитофона и видеокамеры; ряд видеокарт имеют разъем для подключения телевизора (TV out), для просмотра видео.

В табл. 12.7 показаны основные характеристики популярных видеочипсетов.

В апреле 2004 года компания nVidia официально объявила о выпуске нового поколения высокопроизводительных видеочипсетов GeForce 6. В этих чипсетах реализована суперскалярная 16-конвейерная архитектура, что позволило не менее чем вдвое увеличить их производительность по сравнению с чипсетами предыдущего поколения. В GeForce 6 впервые реализована поддержка нового интерфейса фирмы Microsoft API DirectX 9 Shader Model 3.0, что позволяет добиться очень высокого качества отображения самых сложных визуальных эффектов.

Новые видеочипсеты имеют  программируемую подсистему обработки видео, что обеспечивает еще более качественное изображение. В 2004 году новое поколение представлено двумя видеочипсетами: GeForce 6 6800 и GeForce 6 6800 Ultra.

Таблица 12.7. Основные характеристики некоторых видеочипсетов

Модель	Частота ядра, МГц	Частота памяти, МГц	Скорость обмена с памятью, Гбайт/с
GeForce2 MX 400	200	200	5,8
GeForce2 FX 5200	250	400	6,4
GeForce2 FX 5900	400	850	27
GeForce2 FX 5900 Ultra	430	900	28
GeForce4 MX 460	300	550	8,8
GeForce4 FX 5600	325	550	8,8
GeForce4 FX 5600 Ultra	350	700	11,2
Radeon 9100	275	540	8,6
Radeon 9600	330	400	9,0
Radeon 9600 Pro	400	600	9,6
Radeon 9800	350	650	20,3
Radeon 9800 Pro	380	700	22,4

Первый из них используется в видеоконтроллере с памятью GDDR1 128 Мбайт, второй — с новейшей высокоскоростной памятью GDDR3 256 и 512 Мбайт.

В видеоконтроллерах  для мониторов на плоских панелях  вместо аналоговых интерфейсов SVGA используются специальные скоростные цифровые интерфейсы.

Хронологически первый интерфейс P&D (Plug and Display) был достаточно дорогим, и сейчас в цифровых видеокартах чаще всего используется его упрощенный вариант — интерфейс DFP (Digital Flat Panel). Он обеспечивает пиковую скорость передачи около 2 Гбит/с и поддерживает разрешение мониторов до 1280 х 1024 пикселов при частоте кадровой развертки 60 Гц.

В 2002 году разработан новый  интерфейс DVI (Digital Visual Interface). Его начальная версия поддерживает разрешение 1920 х 1080 пикселов, но интенсивно ведется его доработка, поскольку уже появились мониторы на плоских панелях с более высоким разрешением (например мониторы фирмы NEC с разрешением 2048 х 1536).

Интерфейс DVI весьма перспективен, поскольку:

□ обеспечивает надежную передачу данных; в связи с этим возможно существенное увеличение длины  соединительных кабелей без потери качества изображения;

□  может работать с дисплеями как цифровыми, так  и аналоговыми;

□   поддерживает спецификацию Plug&Play;

□  упрощает архитектуру  видеоконтроллера: сейчас уже позволяет  для аналоговых мониторов перенести RAMAC в сам монитор; в перспективе позволит удалить из видеоконтроллера всю его аналоговую часть.

Вполне возможно, что  через несколько лет стандарт SVGA полностью уступит свое место стандарту DVI.

 

 

Вопросы для  самопроверки

1.   Приведите многоаспектную  классификацию мониторов.

2.   Перечислите и поясните основные параметры, учитываемые при выборе ЭЛТ-монитора.

3.   Поясните основные  факторы, влияющие на здоровье  пользователя ЭЛТ-монитора.

4.  Дайте классификацию  и краткую характеристику мониторов  на плоских панелях.

5.   Перечислите  и поясните основные параметры, учитываемые при выборе TFT-монитора.

6.   Назовите и  поясните основные характеристики  видеоконтроллеров.

7.   Какие существуют  стандартные типы видеоконтроллеров  и какие применяются сейчас?

8.   Поясните связь  размера видеопамяти контроллера с разрешающей способностью монитора.

9.   Что такое  стандарты HightColor и TrueColor и какую глубину цвета они регламентируют?

10. Что такое видеочипсет  видеоконтроллера? Укажите основные  его функции (с учетом требований 3D-графики).

11.   Что такое интерфейс DVI? Поясните его перспективность.