5.2. Видеоадаптеры

Практически все современные видеокарты принадлежат к комбинированным устройствам и помимо своей главной функции - формирование сигналов, в соответствии с которыми монитор может отображать ту или иную информацию на экран,- осуществляют ускорение выполнения графических операций. Такие устройства будем называть видеоадаптерами.

5.2.1. Характеристики видеоадаптеров

По сравнению с материнской платой, видеоадаптер - весьма простое устройство и состоит, главным образом, из набора микросхем (обычно одной интегрированной микросхемы графического контроллера), цифро-аналогового преобразователя (иногда встраивается в графический процессор), ROM (так называемый BIOS видеоадаптера), RAM и самой платы с разъемами. Набор микросхем определяет функции видеоадаптера.

Логично предположить, что два видеоадаптера от разных фирм, но базирующиеся на одинаковых наборах микросхем, будут практически идентичными. На самом деле это не так. Во-первых, плохо написанная программа Video BIOS сама по себе может вызвать проблемы совместимости. Во-вторых, повышение тактовой частоты видеопамяти способствует увеличению производительности, но слишком высокая частота для установленных микросхем памяти приводит к их некорректной работе.

Аппаратное ускорение

Видеоадаптеры, не оснащенные средствами аппаратного ускорения, например такими, как прорисовка графических изображений, сегодня уже практически не существуют, а потому понятия видеоадаптер и видеоускоритель стали синонимами. Аппаратное ускорение заключается в том, что наряду с элементарными операциями, предусмотренными стандартами VGA и SVGA, адаптер способен выполнять и команды высокого уровня без участия центрального процессора. Например, построение прямой линии по двум точками закраску какой-либо области может сделать и ускоритель.

Повышение быстродействия системы обусловлено двумя причинами: во-первых, освобождаются ресурсы CPU, а во-вторых, микросхемы адаптера лучше приспособлены для выполнения этих операций, чем CPU, которому кроме них необходимо выполнять еще и многое другое.

Наиболее известными производителями таких наборов микросхем аппаратного ускорения графики являются SЗ, AT' Technologies, Matrox, Tseng Labs, Cirrus Logic, Trident, 3D15 и др.

Режимы HiColor, Real Color, True Color

У обычных VGА-адаптеров цветовая информация, записываемая в видеопамять и занимающая 4 или 8 бит, перекодируется в 18-разрядное слово (по 6 бит для красного, зеленого и синего). В контроллере графической карты, в состав которого входит цифро-аналоговый преобразователь (RAM DAC), эта информация преобразуется из цифровой в аналоговую и передается на монитор. Однако слово, записанное в видеопамять, не содержит собственно кодов цвета, а имеет указатели на таблицу, из которой уже считываются сами значения цветов.

В режимах HiColor, True Color и Real Color, напротив, введенное в память слово сразу же передается в цифро-аналоговый преобразователь, поэтому цветовая информация о каждом пикселе полностью -записывается в это слово.

НiСоlог

Вводит в действие палитру из 32768 цветовых оттенков. Это значение получается потому, что для каждого пиксела отводится 15 разрядов, в которых информация о каждом цвете (красном, зеленом и синем) занимает 5 бит.

5.2.2.1. Стандарт MDA

Видеокарты стандарта MDA (Мопосhrоте Display Adapter) использовались в первых РС в начале 80-х годов. Эти карты разработаны фирмой IBM.

МDА-карты среди карт других стандартов выделяются двумя признаками, которые явились причиной быстрой их замены картами других типов:

- Как ясно из названия, эти карты предназначены для формирования и передачи на монитор только монохромного сигнала, т. е. монитор при этом может отображать только два цвета. В зависимости от цвета свечения люминофора кинескопа используются следующие сочетания цветов: зеленый/черный (наиболее благоприятное сочетание для глаз человека) или белый/черный. При наличии такой карты невозможно отображение градаций цвета, мерцающих символов или символов с подчеркиванием.

- Они не поддерживают графический режим, т. е. позволяют отображать на мониторе только текстовую информацию. Это означает, что МDА-карты оперируют только отдельными знакоместами символов (как матрицей пикселов) и не в состоянии осуществлять управление положением каждого отдельного пиксела на экране монитора. Изображение знаков формируется путем включения (засвечивания) или выключения (гашения) отдельных пикселов матрицы

Но все же карта MDA своим единственно возможным разрешением 80 столбцов на 25 строк установила стандарт, которому последовали и более поздние разработки. 80 столбцов и 25 строк образуются из 720х350 пикселов. Следовательно, для отображения отдельного знака имеется матрица 9х14 пикселов (720/80 = 9 пикселов и 350/25 = 14 пикселов). При этом уже возможно отображение хорошо читаемых символов.

Разрешение этой карты вполне достаточно для таких применений, как обработка текста и таблиц. Все же при оценке этих карт следует принимать во внимание, что в начальной стадии развития РС программы, ориентированные на графику, не имели доминирующего положения, так как для этого было явно недостаточно возможностей компьютеров того времени, не говоря уже о том, что подобные программы просто отсутствовали (в противоположность нынешним, работающим, прежде всего, в среде Windows).

Сегодня подобную карту можно встретить в лучшем случае в магазине антиквариата, поэтому более подробное описание карты стандарта MDA не приводится.

5.2.2.2. Стандарт CGA

Спустя некоторое время после появления МDА-карт фирмой IBM была изготовлена первая СGА-карта (Со/оr Graphics Adapter). Целью разработки этой карты было устранение двух упомянутых выше недостатков стандарта MDA. СGА-карта должна формировать и передавать на монитор цветное изображение и поддерживать графический режим. СGА-карта базируется на видеоконтроллере фирмы Motorola МС6845. В текстовом режиме СGА-карта функционирует в стандарте MDA и поддерживает 80 колонок и 25 строк. В графическом режиме эта карта поддерживает разрешение 640 пикселов по горизонтали и 200 по вертикали. Легко можно подсчитать размер матрицы текстового режима, разделив 200 пикселов по вертикали на 25 строк и 640 пикселов по горизонтали на 80 столбцов. В этом случае по вертикали и по горизонтали она содержит по 8 пикселов.

Если сравнить СGА-матрицу с матрицей MDA, то легко можно убедиться, что символы, посылаемые на монитор СGА-картой, грубые и бесформенные. В графическом режиме возможны два разрешения:

- 640х480 пикселов и двухцветное изображение;

- 320х200 пикселов - более грубое разрешение, которое компенсируется цветовой гаммой из 4-х цветов.

5.2.2.3. Стандарт EGA

EGA является аббревиатурой английского термина Enhanced Graphics Adapter и говорит о том, что речь идет уже о дальнейшем развитии видеостандартов в данной области. EGA является первой картой, которая комбинирует разрешение и представление цветов (таблица 9). EGA предлагает 16 цветов из 64-цветной палитры. Эти 16 цветов являются стандартными и определены в других цветовых картах. Стандартные цвета образуются путем смешения трех основных цветов (красного, зеленого и синего) и интенсивности в определенных соотношениях.

Однако в качестве стандарта ЕGА-карты смогли просуществовать недолго, так как вскоре началось победное шествие карт стандарта VGA. Типичная ЕGА-карта имеет разрешение 640х350 пикселов, что создает на экране монитора символьную матрицу размером 8х14 точек. Благодаря организации экрана при использовании матрицы 8х8 пикселов, в текстовом режиме можно получить 44 строки. В таком режиме символы располагаются в почти квадратном растре, что хотя и ухудшает визуальное восприятие информации, но обеспечивает более высокую плотность ее отображения на экране. Особенно это важно при использовании программ обработки таблиц.

Многие ЕGА-карты в состоянии эмулировать более ранние графические стандарты. Почти все ЕGА-карты могут работать в режимах MDA, CGA и HGC. Выбор режима практически всегда осуществляется путем соответствующих переключений джамперов на плате и установки соответствующего программного обеспечения, обычно поставляемого вместе с картой. Полный обзор вариантов установки джамперов с целью выбора того или иного графического режима так же бессмысленен, как и обзор всех системных программ. Во-первых, каждый изготовитель ЕGА-карт предлагает свои варианты конфигурирования с помощью джамперов. Во-вторых, драйверы, поставляемые вместе с картами, подходят только к "своим" картам.

5.2.2.4. Стандарт VGA

В настоящее время VGА-карта является стандартом в области РС. Вряд ли сейчас можно купить компьютер, который не был бы оснащен такой картой. Существует большое разнообразие видеокарт стандарта VGA. Стандарт VGA является базовым для таких стандартов, как Super VGA и HiRes, на его основе разработаны карты-ускорители. например, карты VLB.

Первые VGА-карты были представлены фирмой IBM в 1987 г. VGA является аббревиатурой английского термина Video Graphics Array. Фирма IBM разработала этот стандарт для РS/2 - новой модели РС. Первые VGA- карты были 8-разрядными, однако сейчас в основном выпускаются 32- и 64-разрядные карты.

На всех VGА-картах имеется специальный разъем, так называемый Feature Connector, который на этих картах встречается в двух исполнениях: в виде штекера или в виде разъема типа PAD. Этот 26-контактный разъем обеспечивает полную совместимость с оригинальным разъемом РS/2, но в основном он используется для подключения дополнительных карт обработки сигналов изображения.

VGА-карты совместимы снизу-вверх, то есть они способны эмулировать созданные ранее стандарты от MDA до EGA.

Стандартная VGА-карта обеспечивает разрешение 640х480 пикселов с 16 цветами. Однако это неполные данные. На самом деле VGА-карта может поддерживать 256 цветовsх оттенков, но это уже зависит от имеющегося объема видеопамяти.

Объем видеопамяти 8-разрядной VGА-карт обычно составляет 256 Кб и реализован с помощью восьми микросхем 4464 или в двух 44256, 16-разрядная VGА-карта должна оснащаться объемом памяти не менее 512 Кб.

5.2.2.5. Super VGA

Для большинства применений разрешения стандарта VGA вполне достаточно. Однако программы, ориентированные на графику, работают значительно лучше и быстрее (бывают случаи, когда они даже не инсталлируются, если установленное разрешение или видеокарта не соответствуют их возможностям), если информационная плотность экрана выше, для этого необходимо повышать разрешение. Таким образом, стандарт VGA развился в так называемый стандарт Super VGA (SVGA). Стандартное разрешение этого режима составляет 800х600 пикселов.

Типы развертки

В режимах высокого разрешения немаловажным фактором является тип развертки построчная (Non-Interlaced) или чересстрочная (Interlaced). При построчном способе формирования изображения все строки кадра выводятся в течение одного периода кадровой развертки, при чересстрочном за один период кадровой развертки выводятся четные строки изображения, а за второй - нечетные. Поэтому говорят, что один кадр делится на два поля. Последний способ, кстати, используется и в телевидении. Нетрудно заметить, что в случае чересстрочной развертки частота кадров снижается вдвое. Это позволяет достаточно легко увеличивать разрешающую способность монитора, хотя и в ущерб качеству изображения.

Обычно стандартные VGА-карты при разрешении 800х600 и ниже поддерживают построчный способ формирования изображения. А при разрешении 1024х768 чересстрочный. В результате чего, как уже отмечалось, частота кадровой развертки снижается в два раза. Таким образом, если частота полей была 65 Гц, что является стандартным для большинства дешевых карт, то при повышении разрешения она становится равной 32,5 Гц. А по современным медико-психологическим оценкам глаз человека не воспринимает мерцания экрана, связанные с обновлением изображения, только при частотах вертикальной развертки не менее 70 Гц. При увеличенном разрешении изображение на экране монитора начинает мерцать, что сильно повышает утомляемость и отрицательно сказывается на зрении. Поэтому при выборе видеокарты обязательно обращайте внимание на ее способность поддерживать режим Non-Interlaced и обеспечивать частоту вертикальной развертки не менее 70 Гц. Отметим, что не каждый монитор в состоянии поддерживать эти режимы работы.

5.2.3. Устройство и особенности работы видеоадаптера VGA

Несмотря на то что облик современного видеоадаптера сильно изменился, он с хранил принцип действия и основные узлы, присущие видеоадаптеру VGA. По этой причине краткое знакомство с VGA полезно не только с точки зрения истории видеоадаптеров - оно поможет лучше понять особенности и современных устройств.

Рис.5.4. Видеоадаптер VGA

• видеопамять
• ROM Video BIOS
• контроллер ЭЛТ, или CRTC (Cathode Ray Tube Controller)
• графический контроллер
• контроллер атрибутов
• секвенсер (sequencer)
• RAMDAC (Random Access Memory Digital-to-Analog Converter)
• синхронизатор
• тактовые генераторы
• интерфейс с шиной ввода/вывода
• 15-контактный D-образный разъем для подключения монитора

Большинство перечисленных выше элементов видеоадаптера содержат специальные 8-разрядные регистры, доступные центральному процессору для чтения/записи данных. Модифицируя содержимое этих регистров, CPU управляет работой видеоадаптера.

Помимо регистров, входящих в состав указанных элементов, видеоадаптер VGA имеет несколько общих регистров, указанных далее.

• Многоцелевой выходной регистр (предназначен для задания адресов портов ввода/вывода элементов видеоадаптера, начального адреса кадрового буфера и выбора тактового генератора).
• Регистр состояния (доступен только для чтения, используется для синхронизации процесса обновления кадрового буфера с обратным ходом кадровой развертки).

Конструктивно основные элементы видеоадаптера VGA, за исключением видеопамяти, ROM Video BIOS, тактовых генераторов и схемы интерфейса с шиной ввода/вывода, реализованы в одной микросхеме.

5.2.3.1. Видеопамять

Видеопамять - это специализированное ОЗУ, размещенное на плате видеоадаптера. Оно предназначено для хранения цифрового образа формируемого изображения. Синонимом данного понятия является термин видеобуфер. Современные видеоадаптеры с интерфейсом AGP могут использовать для работы не только свою собственную, но и оперативную память PC, поэтому видеопамять таких адаптеров часто называют локальной, подчеркивая тем самым место ее физического размещения. В дальнейшем будем использовать термин видеопамять. Объем видеопамяти определяет максимальное разрешение и количество цветовых оттенков формируемого изображения.

Часть видеопамяти, используемая для хранения цифрового изображения, называется кадровым буфером (frame buffer). Как правило, размер кадрового буфера меньше, чем объем видеопамяти. Например, в видеорежиме 640x480/16 кадровый буфер занимает 150 из доступных 256 Кбайт. Помимо кадрового буфера, в видеопамяти находятся другие данные, например загружаемые национальные шрифты.

Главной характеристикой видеопамяти является ее пропускная способность, определяющаяся как произведение разрядности шины видеопамяти на тактовую частоту шины. Пропускная способность видеопамяти измеряется количеством мегабайт информации, которую можно передать через шину видеопамяти за 1 с. Иногда вместо термина употребляется выражение "полоса пропускания видеопамяти", что пенно неверно. В видеоадаптере VGA применялась 8-разрядная внутренняя и, а в видеоадаптерах SVGA - сначала 16-, а затем и 32-разрядная шина. В современных видеоадаптерах используется 64- или 128-разрядная внутренняя шина и тактовые частоты от 100 до 200 МГц, а наиболее совершенные модели видеоадаптеров имеют 256-разрядную шину данных и более высокие тактовые частоты. По этой причине пропускная способность шины видеопамяти таких видеоадаптеров многого превышает аналогичный параметр любой шины ввода/вывода, включая AGP, стимулирует производителей наращивать объем видеопамяти.

5.2.3.2. Video BIOS

Реализация любой графической операции (смена видеорежима, обмен данными с кадровым буфером, управление курсором и т. п.) требует от центрального процессора выполнения весьма длинной последовательности низкоуровневых команд (чтения/записи, перемещения данных в регистрах и др.). Для того чтобы избавить программиста от необходимости составлять детальную низкоуровневую программу, а также для обеспечения совместимости аппаратного и программного обеспечения все наборы команд (подпрограммы) CPU, реализующие графические функции, помещаются в специальное ПЗУ, расположенное на плате видеоадаптера VGA. Эти под программы образуют так называемое расширение базовой системы ввода/вывода (ВЮ extension) для решения задач вывода изображения на экран монитора и называются Video BIOS.

Кроме того, Video BIOS содержит множество данных (констант), необходимых для работы в различных видеорежимах, а также сведения о производителе, модели и возможностях видеоадаптера.

Фактически Video BIOS - это набор подпрограмм, написанных в кодах команд центрального процессора и предназначенных для реализации основных функций видеосистемы. Набор этих функций принято называть видеосервисом.

Video BIOS хранится в специальном ПЗУ (ROM), размещенном на плате видеоадаптера VGA. Его емкость составляет 32 Кбайт. Память ROM Video BIOS видеоадаптера VGA является 8-разрядной.

Использование видеосервиса BIOS - простой и надежный способ вывода информации на экран, однако применение этого способа приводит к низкой скорости работы видеоадаптера. С целью повышения быстродействия видеосистемы используют! альтернативный метод - непосредственное изменение состояния регистров видеоадаптера прикладной программой. Такой метод потенциально является более быстрым и эффективным, однако требует от программиста детального знания аппаратных особенностей используемого видеоадаптера (адресов портов ввода/вывода назначения и структуры данных в управляющих регистрах и т. п.).

5.2.3.3. Контроллер ЭЛТ

Контроллер ЭЛТ формирует сигналы горизонтальной и вертикальной синхронизации, сигналы инкремента (увеличения) счетчика адреса ячеек видеопамяти, в которых хранится цифровой образ изображения, а также стробирующие сигналы чтения/записи видеопамяти. Эти сигналы формируются таким образом, что движение луча по экрану ЭЛТ осуществляется синхронно с процессом сканирования ячей видеопамяти, причем цвет пиксела на экране соответствует значению, содержащемуся в соответствующей ячейке кадрового буфера.

Работа контроллера ЭЛТ синхронизируется сигналами одного из двух тактовых генераторов (Dot Clock или Pixel Clock), установленных на плате видеоадаптера. Их частоты равны 28,322 МГц и 25,175 МГц соответственно. Выбор синхросигнала производится программно. Контроллер ЭЛТ имеет 26 регистров, доступных CPU для чтения и записи/Данные, хранящиеся в регистрах контроллера ЭЛТ, полностью определяют параметры на экране монитора: разрешение, частоту кадров, размеры знакоместа и др. Смена видеорежима реализуется путем записи в эти регистры новых значений, соответствующих выбранному режиму (решение этой задачи обеспечивает функция OOh прерывания 10h).

5.2.3.4. Графический контроллер

Графический контроллер предназначен для управления обменом данными между центральным процессором и видеопамятью и выполнения элементарных преобразований этих данных. В частности, графический контроллер помогает центральному процессору выполнять следующие элементарные операции:

• запись пиксела (группы пикселов) по заданному адресу;
• считывание значения пиксела (группы пикселов) по заданному адресу;
• модификация цвета пиксела (группы пикселов) путем выполнения таких элементарных логических операций, как "И", "ИЛИ", "Исключающее ИЛИ", циклический сдвиг битов в пределах байта и т. п.;
• считывание из кадрового буфера кода пиксела (считывание со сравнением цвета; фактически реализуется поиск пиксела с заданным цветом).

Кроме того, графический контроллер видеоадаптера VGA содержит четыре 8-разрядных регистра-защелки (lathees), которые используются для доступа к цветовым плоскостям (напомним, что в 16-цветных графических режимах кадровый буфер видеоадаптера разделен на четыре области, называемые цветовыми (или битовыми) плоскостями.

Графический контроллер видеоадаптера VGA можно считать простейшим прообразом графических акселераторов, используемых в современных видеоадаптерах SVGA.

5.2.3.5. Секвенсер

Секвенсер, или указатель последовательности, предназначен для генерации сигналов, "обходимых при сканировании видеопамяти. Другими словами, секвенсер обеспечивает последовательную адресацию и считывание содержимого ячеек видеопамяти отсюда и происходит его название) и передачу их содержимого в контроллер атрибутов и далее - в RAMDAC. Работа секвенсера синхронизируется стробирующими сигналами, формируемыми контроллером ЭЛТ.

5.2.3.6. Контроллер атрибутов

Контроллер атрибутов видеоадаптера VGA предназначен для управления цветом изображения, выводимого на экран монитора. В текстовом режиме работы видеоадаптеpa он задает цвет пикселов в пределах символьной матрицы на основании содержимого байта атрибутов выводимого символа (отсюда и его название). Кроме того, в ком режиме контроллер атрибутов позволяет создавать такие эффекты, как мигание, инверсия цвета или повышенная яркость символа. В графическом 16-цветном режиме контроллер атрибутов преобразует условный 4-разрядный номер цвета пикала, хранящийся в видеопамяти, в 8-разрядный номер регистра RAMDAC, содержащего 18-разрядный код отображаемого цвета. С выхода контроллера атрибутов шные поступают на RAMDAC видеоадаптера.

5.2.3.7. RAMDAC

Основная задача RAMDAC (цифро-аналогового преобразователя данных, хранящихся в его регистрах) - преобразование кода цвета пиксела в аналоговый сигнал RAMDAC включает:

• трехканальный 6-разрядный ЦАП;
• 256 18-разрядных регистров цвета (именно эти регистры и образуют оперативную память, аббревиатура которой (RAM) входит в название данного устройства);
• выходной 18-разрядный регистр цвета, выходы которого соединены с соответствующими входами ЦАП;
• схему адресации.

Работа ЦАП синхронизируется сигналом Dot Clock тактового генератора видеоадаптера. Именно этой частотой определяется верхняя граничная частота спектра виде сигнала. Разрядность ЦАП определяет количество оттенков цвета, которые потенциально может сформировать видеоадаптер VGA, т. е. размер его палитры. Несложно подсчитать, что палитра составляет (26)3 = 2'8 = 262 144 оттенков. Оттенок цвета текущего пиксела определяется кодом, записанным в выходной регистр цвета. Однако на практике количество оттенков цвета, которые видеосистема VGA в состоянии отобразить одновременно, значительно меньше размера его палитры и равно количеству регистров цвета, т. е. 256. Видеоадаптер VGA не позволяет загрузить в выходной регистр цвета произвольное значение - туда заносятся данные только из регистров цвета, которых в видеоадаптере VGA насчитывается только 256.

Содержимое регистров цвета ЦАП можно изменять программно, т. е. CPU как считывает данные регистров, так и записывает в них. Благодаря этому прикладная программа изменяет текущую палитру, частично компенсируя ее ограниченность.

Заметим, что в видеоадаптерах SVGA, в отличие от VGA, может использоваться прямое кодирование оттенка цвета пиксела, при котором его код в формате RGB хранится в видеопамяти и загружается непосредственно в выходной регистр цвета RAMDAC. Это позволяет кодировать цветовой оттенок пиксела с использованием 15, 16 или 24 бит, т.е. реализовать режимы High Color (216= 65 536 цветовых оттенков одновременно) и True Color (224 = 16,7 млн цветовых оттенков). Для обеспечения второго режима разрядность ЦАП в каждом из трех каналов должна быть равна 8.

5.2.3.8. Синхронизатор

Синхронизатор управляет доступом CPU к кадровому буферу и разрешает его обновление только во время действия сигналов гашения. В результате устраняются помехи, которые могут возникать при обращении к кадровому буферу в течение прямого хода луча (такие искажения в виде ряби на экране были характерны для видеоадаптера CGA и назывались снег CGA (CGA snow).

Для синхронизации обращения CPU к кадровому буферу используется также регистр состояния. Бит 3 этого регистра устанавливается в состояние логической 1, если сигнал V-Sync активен, а бит 0, - если активен сигнал разрешения отображения (Display Enable). Прикладная программа, считывая биты регистра состояния, обращается к кадровому буферу только тогда, когда вывод информации на экран не производится.

5.2.3.9. Тактовые генераторы

Работа всех устройств видеоадаптера VGA синхронизируется сигналом Dot Clock или производными от него тактовыми сигналами. Частота сигнала Dot Clock равна верхней граничной частоте выходного видеосигнала. Кроме того, при заданном разрешении этой же частотой определяются значения частот строчной и кадровой синхронизации.

Синхронизация устройств стандартного видеоадаптера VGA в зависимости от выбранного видеорежима осуществляется тактовым сигналом, формируемым одним из двух встроенных генераторов сигналов фиксированных частот: 25,175 и 28,322 МГц. Кроме того, предусмотрена возможность использования внешнего тактового генератора (в первых видеоадаптерах VGA, интегрированных на материнскую плату). Выбор тактового генератора осуществляется программно.

5.2.3.10. Интерфейс с шиной ввода/вывода

Видеоадаптер VGA вставляется в 16-битный слот шины ввода/вывода ISA, поэтому он снабжен специальным интерфейсом, выполняющим следующие функции:

• согласование разрядности внутренней 8-разрядной шины видеоадаптера VGA и 16-разрядной шины ISA компьютера;
• согласование частот тактовых сигналов видеоадаптера (Dot Clock) и шины ISA. Современные видеоадаптеры подключаются к высокоскоростным шинам (PCI и AGP)

5.2.4. 3D-акселераторы

Устройства, рассмотренные в предыдущей главе, обеспечивают отображение стереоскопических изображений, однако такие изображения предварительно необходимо синтезировать. В простейшем случае можно использовать две фотографии одного и того же объекта, отснятые под разными ракурсами (так поступают, например, при съемке стереокино). Однако это возможно только тогда, когда отображаемый объект существует реально. Если же объект является виртуальным (например, в играх), то необходимо сконструировать (смоделировать) его объемное изображение, причем задачу синтеза элементов стереопары вместо фотоаппарата должен выполнять PC. Иными словами, необходимо задать математическую модель объекта (каждую точку его поверхности) в трехмерной системе координат, аналитически рассчитать всевозможные зрительные эффекты (угол падения света, тени и т. п.), а затем корректно спроецировать трехмерный объект на плоский экран.

Совокупность приложений и задач, в рамках которых реализуется эта схема построения трехмерного изображения на экране монитора PC, называется трехмерной графикой, или 3D (З-Dimentional - трехмерный). Наиболее яркими примерами трехмерной графики служат многочисленные компьютерные игры, поражающие реалистичностью создаваемых образов (Quake II, Final Realty, Tomb Rider и многие другие). Другой пример ЗО-моделирования - отображение на компьютере внешнего вида доисторических животных, позволяющее настолько правдоподобно их "оживить", что создается полная иллюзия, что вы видите результат реальной видеосъемки, а не компьютерной анимации (например, фильм "Прогулки с динозаврами").

Объем вычислений, необходимый для моделирования трехмерного объекта, очень велик. Если эти вычисления возложить на CPU, то производительность системы упадет настолько, что о работе в реальном времени и говорить не придется. Чтобы обеспечить возможность видеть на экране проекцию динамического трехмерного объекта, в состав PC включают устройство, самостоятельно выполняющее основную часть расчетов трехмерной сцены. Такое устройство принято называть ускорителем трехмерной графики или ЗD-акселератором.

Подчеркнем еще раз, что ЗD-акселератор необходим только в том случае, когда объемное изображение синтезируется компьютером, т.е. создается программно.

5.2.5. TV-тюнер

Современные видеоадаптеры, помимо своей основной задачи, могут выполнять дополнительных, мультимедийных функций. До недавнего времени традиционно считался подход, заключающийся в том, что более высокое качество изображений может быть обеспечено лишь при выполнении этих функций отдельными, специализированными устройствами. Эти устройства выполнялись в виде отдельных к расширения PC и соединялись с видеоадаптером через шину ввода/вывода, рая Feature Connector или с помощью специальных высокочастотных кабелей. Очевидно, что в этом случае перечисленные мультимедийные функции прямого отношен к видеоадаптеру не имеют.

В настоящее время ситуация кардинально изменилась: все большее распространен получает другой подход. Современные Chipset для видеоадаптеров отличаются и столько высокой степенью интеграции, что большинство мультимедийных функции удобнее и дешевле реализовать на одном мощном графическом процессоре. В результате на рынке появились мощные унифицированные видеоадаптеры, способна решать практически любые задачи: от воспроизведения цифрового видео до аппаратного ускорения ЗD-графики.

Рис.5.5. Видеоадаптер VGA с видеопамятью объемом 1 Мбайт

Итак, к мультимедийным функциям относятся следующие:

• прием телевизионных программ и просмотр их на экране монитора;
• прием радиопрограмм;
• ввод в PC отдельных кадров или целых видеофрагментов;
• формирование стандартного телевизионного сигнала (функция TV-Out);
• воспроизведение Video-CD и DVD в полноэкранном режиме и др.

Реализация последних трех функций, связанных с обработкой видеосигналов (как аналоговых, так и цифровых), - предмет отдельного разговора, выходящего за рамки данной книги. Поэтому в настоящем разделе рассмотрим лишь первые две мультимедийные функции.

Итак, что же необходимо для приема радио- и просмотра телевизионных программ на экране монитора PC? Оказывается, совсем не так много, как может показаться на первый взгляд.

Устройство TV-тюнера

В самом деле, какие устройства составляют основу телевизора? Это кинескоп, приемник телевизионного радиосигнала, или телевизионный тюнер, блок обработки видеосигнала, или декодер (модуль цветности) и блок разверток. Видеосистема PC содержит практически те же элементы, за исключением телевизионного тюнера.

Монитор VGA (SVGA) работает по такому же принципу, как и обычный телевизор.

Принципиальное различие между ними состоит в том, что в первом используется прогрессивная (построчная) развертка, а во втором - чересстрочная; различаются также частоты кадров и строк. Другим важным отличием является тип видеосигнала: гели видеоадаптер изначально формирует компонентный видеосигнал (т. е. RGB-сигнал), то полный цветовой телевизионный сигнал является композитным (совмещенным), и для выделения из него сигнала RGB в телевизоре используется специальный блок - декодер.

Таким образом, для приема телевизионных программ достаточно снабдить компьютер приемником телевизионного радиосигнала, декодером (модулем цветности), а также устройством преобразования типа развертки. Устройство, включающее в себя перечисленные блоки, называют TV-тюнером.

Модуль радиоканала осуществляет поиск высокочастотного радиосигнала, принятого антенной, его усиление, преобразование по частоте и детектирование (демодуляцию). На выходе радиоканала формируется телевизионный сигнал (ТV-сигнал), содержащий сигнал яркости, сигналы цветности и сигналы синхронизации, а также частотно-модулированный сигнал звукового сопровождения. Селектор выделяет из видеосигнала импульсы кадровой и строчной синхронизации (У-8упск Н-Sync), декодер выделяет сигнал яркости и два цветоразностных сигнала.

Устройство и алгоритм работы декодера зависят от того, с какими системами цветного телевидения (PAL, NTSC или SECAM) совместим TV-тюнер. В частности, при приеме ТV-сигнала системы PAL на выходе модуля цветности формируются сигналы Y, U и V.

Наилучшим решением является использование универсального модуля цветности, поддерживающего все три системы.

Таким образом, на выходе декодера формируется компонентный видеосигнал, однако его формат отличен от используемого в видеоадаптерах формата RGB. Для преобразования цветового пространства (формата представления), а также типа развертки (из чересстрочной в построчную) используется специальный конвертер. В его состав входят специальные фильтры, позволяющие устранить неприятный эффект мерцания изображения и снизить негативное влияние внешних помех, имеющихся (радиоканале, а также собственных шумов модуля радиоканала.

Сформированные и отфильтрованные сигналы R, G и В подаются на суммирующее устройство, в котором они объединяются с выходным сигналом видеоадаптера, а затем поступают на монитор.

Способ объединения определяет форму представления телевизионного изображения на экране монитора: на полном экране или в окне.

Дополнительные функции TV-тюнера

К числу дополнительных функций TV-тюнеров с цифровым смешением можно отнести следующие:

• возможность выбора размеров окна для просмотра телепрограмм (можно выбрать либо один из фиксированных размеров 192x144, 384x288, 768x576, кратных размеру телевизионного растра, либо произвольный, установив его вручную);
• захват отдельных кадров телевизионного изображения и сохранение их в одном из графических форматов (BMP, PCX, TIFF, JPG и др.);
• ввод в PC видеосигнала и сохранение видеопоследовательности на жестком диске в формате AV1;
• ввод в PC звуковых сигналов и сохранение их в виде файлов в формате WAV с возможностью регулировки частоты дискретизации и разрядности представления (при наличии на плате FM-тюнера для приема радиовещательных стереопрограмм);
• возможность подключения портативной видеокамеры для проведения видеоконференций.

Рассмотрим некоторые чипсеты для видеоадаптеров.

GeForce2 GTS

Следующими моделями данного семейства стали Chipset GeForce2 GTS, называемый также NV15, и его упрощенная версия - NV11. Аббревиатура GTS происходит от GygaTexel Shading, что говорит о возможности обработки миллиарда текселов в секунду, т. е. об исключительно мощном конвейере рендеринга.

Chipset NV15 и NV11 произведены по технологии 0,18 мкм, поэтому тактовые частоты ядра и памяти удалось увеличить до 200 МГц. Другое существенное по сравнению с GeForce 256 улучшение - в каждом конвейере рендеринга у NV15 используется не один, а два блока текстурирования. Благодаря этому не происходит снижения скорости прорисовки в режиме мультитекстурирования: у NV15 она составляет 800 млн пикселов в секунду, при этом обрабатывается 1600 млн текселов (отсюда и название GTS). В Chipset NV11 количество конвейеров рендеринга снижено с четырех до двух.

Модели NV15 и NV11 различаются разрядностью шины локальной памяти. В NV11 в целях удешевления использована 128-разрядная шина.

Как и ее предшественник, NV15 обладает широкими дополнительными возможностями обработки сигналов от бытовой видеоаппаратуры.

GeForce2MX

Видеоадаптеры на основе Chipset GeForce2 MX - первые карты NVidia, в которых реализована возможность одновременной работы на компьютере и просмотра фильмов на другом устройстве отображения. Эта технология получила название TwinView. Это стало особенно актуальным в связи со значительным удешевлением приводов DVD-ROM и широкой доступностью видеофильмов, кодированных по стандарту MPEG4.

Chipset GeForce2 MX содержит два раздельных и независимых друг от друга видеотракта, два контроллера ЭЛТ, один из которых передает данные во входящий в состав чипа RAMDAC, а другой - на внешний цифроаналоговый преобразователь.

GeForce4 Ti 4400, GeForce4 TJ4600

Семейство Chipset GeForce4 выполнено по 0,15-микрометровой технологии и базируется на 4 чипах - NV17, NV18, NV25 и NV28. Выпускаются Chipset в нескольких модификациях. Базовой моделью является Chipset NV25, выпускаемый в модификациях GeForce4 ТЛ4400 и GeForce4 T14600, различающихся лишь частотами работы ядра и памяти.

Изменения, внесенные nVidia в NV25, по сравнению с NV20, носят эволюционный характер. Chipset NV25 более совершенен (оптимизирован), в нем устранено большинство недостатков NV20, выявленных за срок эксплуатации последнего.

NV25 имеет 4 конвейера рендеренга и по два на конвейер блока обработки текстур, четырехканальный контроллер памяти. В Chipset интегрированы два независимых 10-разрядных RAMDAC, работающих на частоте 350 МГц, два независимых контроллера ЭЛТ, TV-Out- и DVI-интерфейсы (TDMS-передатчик). Два независимых контроллера ЭЛТ позволяют гибко поддерживать всевозможные видеорежимы с выводом двух независимых по разрешению и содержимому буферов кадра на любые доступные приемники сигнала (устройства отображения).

Chipset NV25 снабжен набором систем повышения эффективной пропускной полосы памяти второго поколения (сжатие и быстрая очистка z-буфера, MSAA, HSR). Увеличена по сравнению с NV20 эффективная скорость закраски в режимах MSAA. Реализована усовершенствованная система раздельного кэширования (4 раздельных кэш-памяти для геометрической обработки, обработки текстур, для буфера кадра и z-буфера) и сжатие данных без потерь (1 : 4) и быстрая очистка z-буфера. Усовершенствован алгоритм отброса невидимых поверхностей (Z Cull HSR).