Видео адаптеры, видео режимы

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Видеоподсистема любого компьютера состоит  из двух частей - видеоадаптера, вставляемого в разъем расширения на системной плате и дисплея, подключаемого к видеоадаптеру.

Видеоадаптер может быть оформлен в виде отдельной платы, вставляемой  в слот расширения компьютера, или  может быть расположен непосредственно  на системной плате компьютера.

Видеоадаптер включает в себя видеопамять, в которой хранится изображение, отображаемое в данный момент на экране дисплея, постоянное запоминающее устройство, в котором записаны наборы шрифтов, отображаемые видеоадаптером в текстовых  и графических режимах, а также функции BIOS для работы с видеоадаптером. Кроме того, видеоадаптер содержит сложное управляющее устройство, обеспечивающее обмен данными с компьютером, формирование изображения и некоторые другие действия.

Видеоадаптеры могут работать в различных текстовых и графических режимах, различающихся разрешением, количеством отображаемых цветов и некоторыми другими характеристиками.

Сам видеоадаптер не отображает данные. Для этого к видеоадаптеру  необходимо подключить дисплей. Изображение, создаваемое компьютером, формируется видеоадаптером и передается на дисплей для предоставления ее конечному пользователю.

 

 

 

 

 

 

 

1. ВИДЕОАДАПТЕРЫ

 

Между центральным процессором  персонального компьютера и монитором  расположен еще один чип (чипсет), который  преобразовывает машинные команды с данными о том, что должно быть отображено на экране, в три раздельных сигнала, несущих информацию о яркости и цветности каждой точки на экране монитора. На этом чипе, в настоящее время называемом видеопроцессором, который по сложности и производительности мало уступает самому производительному процессору Pentium, создаются мультимедийные видеоадаптеры, позволяющие воплощать для человека виртуальную реальность.

Видеоадаптер чаще всего выполняется  в виде отдельной печатной платы, которая устанавливается в слот ISA, PCI или AGP, причем последний вариант стал для современных компьютеров PC стандартным. Заметим, что в ряде материнских плат чип видеопроцессора интегрирован непосредственно на ней, позволяя отказаться от установки отдельного видеоадаптера.

Если на системной плате есть слот ISA, то видеоадаптер, предназначенный  для такой шины, позволит оживить  системную плату даже тогда, когда  есть проблемы с начальной загрузкой BIOS. 
На рис. показан типичный представитель "накрученного" современного видеоадаптера, который может работать не только с традиционным монитором, но и имеет новый цифровой интерфейс для жидкокристаллического или плазменного монитора, а также разъем для соединения с бытовой видеоаппаратурой. Заметим, что подобные платы стоят значительно дороже, чем видеоадаптер для обычного компьютера, предназначенного для работы в офисе.

Традиционные же для архитектуры IBM PC видеоадаптеры всегда имели  лишь один разъем для подключения  монитора (исключения были, но крайне редко). В соответствии со стандартом VGA через этот 15-контактный разъем подается аналоговый видеосигнал на монитор с электронно-вакуумной трубкой. В более древних видеоадаптерах, которые иногда можно встретить на рынках, использовался 9-контактный разъем, к которому подключались мониторы MDA (MonochromeDisplayAdapter), Hercules (HerculesGraphicsCard), CGA (ColorGraphicsAdapter) и EGA(EnhancedGraphicsAdapter).

Рис.1 Видеоадаптер GeForce 4 Titanium 4600

 

 

Рис.2 Видеоадаптер 3D Prophet 4000XT.

 

Распространение жидкокристаллических и газоразрядных плоских панелей привело к тому, что в настоящее время на видеоадаптерах начал появляться второй разъем, предназначенный для работы с цифровыми устройствами вывода информации. В силу того, что плоские мониторы по самой сути являются цифровыми устройствами, на этот разъем выводится информация о яркости и цвете точки в двоичном формате (примерно так, как некогда было в мониторах EGA).

 Таким образом,  разработчики отказались от двух  лишних преобразований видеосигнала  — сначала в видеоадаптере цифровой сигнал преобразуется в аналоговый, а потом в мониторе все делается наоборот. К сожалению, несмотря на удобства, которые сулит новый вариант подключения мониторов, не обошлось без большой ложки дегтя — на видеоадаптере и плоском мониторе могут быть установлены разъемы различных стандартов, что потребует поиска переходника.

Рис.3 Подключение мониторов  и видео аппаратуры к видеоадаптеру AbitSiluroGeforce 3.

В отличие от процессоров  и системных плат, видеоадаптеры, с одной стороны, более универсальные устройства, т. к. их можно устанавливать на любую системную плату, у которой есть соответствующий слот расширения, но, с другой стороны, разработчики бестрепетно изменяют архитектуру видеоадаптера, вводя, например, 128-разрядную шину видеопамяти, и разрабатывают новые системы команд построения изображений, для использования которых требуются уже новые версии программ.

Соответственно, количество типов видеоадаптеров велико, а их номенклатура каждый год практически полностью заменяется.

 

 

1.1 Принципы построения изображения

 

Компьютерный монитор, как и  обычный телевизор, формирует изображение  на экране из строк, которые рисуются слева направо и сверху вниз. Каждая строка начинается от левого края экрана. После отображения последней, самой  нижней строки делается небольшой перерыв в выводе строк, чтобы электроника монитора с вакуумным кинескопом смогла вернуть электронный луч в исходное положение — в верхний левый угол экрана (это так называемая прогрессивная, построчная развертка, Progressive, Non-interlaced).

В мониторах, где используется жидкокристаллическая или плазменная панель, хоть и нет необходимости  делать перерыв на возврат луча (обратный ход луча), т. к. изображение создается  на других принципах, все равно делается небольшая остановка в выводе информации. В телевизорах и дешевых мониторах используется чересстрочная развертка изображения , когда на экране сначала прорисовываются нечетные строки (первый полукадр), а потом четные (второй полукадр).

Такой способ вывода является вынужденной мерой, когда существуют ограничения на полосу передаваемых частот, как в телевидении, или требуется понизить стоимость монитора за счет использования более простой электроники. Например, стандартный телевизионный канал занимает всего 5,5—6,5 МГц, а в современных мониторах полоса частот давно уже больше 100 МГц. Блок строчной развертки телевизора работает на одной частоте — 15,65 кГц, а даже мониторы EGA использовали две различные частоты, чуть ли не в два раза превышающие строчную частоту в телевизорах.

 

Рис.4 Способ построения изображения на экране монитора.

 

 

Рис.5 Чересстрочный способ построения изображения.

 

У современного монитора минимальная строчная частота равна 31,5 кГц, что серьезно усложняет электронную  схему блока развертки и повышает требования к техническим параметрам используемых электронных компонентов.

За преобразование двоичных значений цвета и яркости точки  в аналоговый сигнал отвечает блок RAMDAC, который имеется у любого видеоадаптера. Чем с большей  тактовой частотой он работает, там выше качество изображения тонких линий и точек на экране. В настоящее время тактовая частота RAMDAC превышает 250 МГц. Кроме того, для ускорения вывода данных из видеопамяти используют двух портовые микросхемы запоминающих устройств, с которыми одновременно может работать RAMDAC и видеопроцессор, который формирует изображение по командам центрального процессора.

Если включить монитор  отдельно, то после прогрева кинескопа  вы на экране увидите белый прямоугольник⁶ — растр, который создается из строк. Чтобы на экране появилось полезное изображение, надо управлять яркостью каждой точки строки по мере ее прорисовки на экране.

В обычном телевизоре яркость строки в процессе развертки  меняется произвольным образом, и о  количестве точек в строке не идет речи. Качество получаемого изображения определяется только возможностями телестудии и техническими параметрами телевизора. В компьютерах, которые требуют для решения любой задачи указать конкретные значения каждого параметра, строка условно разбивается на точки — пикселы. Чем больше точек в строке и больше самих строк, тем качественнее получается изображение. Заметим, что местоположение каждой точки в любой строке строго оговорено, а значения яркости и цвета каждой точки находятся по конкретному адресу в видеопамяти.

Монитор соединяется  с видеоадаптером ограниченным количеством  проводов, по которым передается информация о всех точках, которые должны быть отображены на экране. По трем проводам передается информация о цвете и  яркости точки, а два провода  служат для посылки импульсов синхронизации, которые указывают монитору, когда начинаются новый кадр и строка.

Импульсы синхронизации  изображения в персональных компьютерах  не имеют строго определенной привязки по времени к строкам и кадрам, как это регламентировано в видеотехнике.

В разных типах мониторов  в силу технических ограничений  на быстродействие электронных схем начало вывода изображения сдвинуто на какую-то величину от момента воздействия  импульса синхронизации. Кроме того, импульсы синхронизации имеют длительность, неравную длительности гашения (во время гашения обратного хода луча как бы прекращается вывод информации на экран, точнее, передается сигнал, соответствующий "самому черному" цвету или "чернее черного"). Также длительности импульсов синхронизации и гашения строк и кадров значительно отличаются по времени.

Монитор, являясь пассивным  устройством, всегда старательно отображает все то, что передает ему видеоадаптер, даже в том случае, если ему посылается заведомо невозможная для него информация, поэтому для каждого типа монитора требуется правильно установить параметры синхроимпульсов, а также начало и окончание вывода полезной информации.

Это достигается установкой служебных регистров в чипсете видео платы.

Если будут выбраны  неправильные соотношения между всеми упомянутыми параметрами, то на экране монитора будет отображена непонятная полосатая картинка. Так получается, когда в операционной системе Windows в окне Свойства: экран выбираются параметры, недопустимые для монитора или видеоадаптера. К счастью, в операционной системе Windows пользователя оберегают от излишних технических подробностей, поэтому ему предлагается выбрать только типы монитора и видеоадаптера. Далее уже для конкретной выбранной пары предлагается весьма ограниченный набор, состоящий из величины разрешения и количества цветов в палитре и частоты развертки.

 

 

Рис.6 Выбор типа в операционной системе Windows.

 

 

Рис.7 Выбор разрешения и глубины цвета.

 

Более понятны технические детали установки параметров видеоадаптера  и монитора в операционной системе Linux (хотя это и приводит к большим проблемам у пользователей, которые, как обычно, не в курсе того, какими возможностями обладают монитор и видеоадаптер). Например, приходится указывать не только названия фирм и типов применяемых узлов, но и параметры импульсов синхронизации. В операционной системе Linux для указания параметров синхронизации в файле XF86Config есть строка:

Modeline "наименование" р h hsshsehm v vssvsevm [опции], 
где:

• р — частота элементов изображения в МГц;
• h — размер видимой части изображения по горизонтали;
• hss — начало импульсов строчной синхронизации;
• hse — конец импульсов строчной синхронизации;
• hm — полная широта кадра (видимой и невидимой части);
• v — размер видимой части изображения по вертикали;
• vss — начало импульсов кадровой синхронизации;
• vse — конец импульсов кадровой синхронизации;
• vm — полная высота кадра (видимой и невидимой части).

 

Рис.8 Выбор частоты кадровой развертки.

 

 

Рис.9 Строчная синхронизация.

 

 

Рис.10 Кадровая синхронизация.

 

	Разрешение	Глубина цвета	Частота кадровой развертки
	640x480	8/16/32 бит	60-240 Гц
	800x600	8/16/32 бит	60-240 Гц
	1024x768	8/16 бит	60-240 Гц
	1024x768	32 бит	60-200 Гц
	1152x864	8/16 бит	60-200 Гц
	1152x864	32 бит	60-1 70 Гц
	1280x960	8/16 бит	60-1 70 Гц
	1280x960	32 бит	60-1 50 Гц
	1280x1024	8/16 бит	60-1 70 Гц
	1280x1024	32 бит	60-1 50 Гц
	1600x900	8/16 бит	60-1 50 Гц
	1600x900	32 бит	60-1 20 Гц

	1600x1200	8/1 6 бит	60-1 20 Гц
	1600x1200	32 бит	60-1Ш Гц
	1920x1080	8/1 6 бит	60-100 Гц
	1920x1080	32 бит	60-85 Гц
	1920x1200	8/1 6 бит	60-1 00 Гц
	1920x1200	32 бит	60-85 Гц
	1920x1440	8/1 6 бит	60-85 Гц
	1920x1440	32 бит	60-75 Гц
	2048x1536	8/1 6 бит	60-75 Гц
	2048x1536	32 бит	60Гц

Частоты кадровой и строчной развертки для разрешений 640x480 и 800x600 видеоадаптера ASUS AGP-V3400TNT/TV/8MB Layout

	Разрешение	Частота   кадровой развертки	Частота строчной  развертки
	640x480	60Гц	31 ,4 кГц
		70 Гц  72 Гц 75 Гц	34,9 кГц  36,1 кГц  37,6 кГц
		85 Гц	43,0 кГц
		100Гц	51,0 кГц
		120Гц	61,8 кГц
		140Гц	72,9 кГц
		144Гц	75,2 кГц
		150Гц	78,7 кГц
		170Гц  200Гц	92,6 кГц  108,6 кГц
		240 Гц	132,8 кГц
		250Гц	138,6 кГц

800x600	60 Гц	37,9 кГц
	70 Гц	43 кГц
	72 Гц	45,1 кГц
	75Гц	47,0 кГц
	85 Гц	53,6 кГц
	100 Гц	63,7 кГц
	120Гц	77,2 кГц
	140Гц	91,1 кГц
	144Гц	94,0 кГц
	150 Гц  170Гц	98,2 кГц  11 2,8 кГц
	200Гц  240Гц	135,0 кГц  166,3 кГц
	250Гц	172,5 кГц

 

1.2 Архитектура видеоадаптеров EGA и VGA

 

Видеоадаптеры EGA и VGA условно делятся на шесть логических блоков, описание которых приведены ниже:

Видеопамять. В видеопамяти размещаются  данные, отображаемые адаптером на экране дисплея. Для EGA и VGA видеопамять  обычно имеет объем 256 Кбайт, на некоторых  моделях SVGA и XGA объем видеопамяти может быть увеличен до 2Мбайт. Видеопамять находится в адресном пространстве процессора и программы могут непосредственно производить с ней обмен данными. Физически видеопамять разделена на четыре банка, или цветовых слоя, использующих совместное адресное пространство.

Графический контроллер. Посредством  его происходит обмен данными  между центральным процессором  и видеопамятью. Аппаратура графического контроллера позволяет производить  над данными, поступающими в видеопамять  и расположенными в регистрах-защелках простейшие логические операции. Последовательный преобразователь. Выбирает из видеопамяти один или несколько байт, преобразует их в поток битов, затем передает их контроллеру атрибутов.

Контроллер ЭЛТ. Контроллер генерирует временные синхросигналы, управляющие ЭЛТ. Контроллер атрибутов. Преобразует информацию о цветах из формата. в котором она хранится в видеопамяти, в формат, необходимый для ЭЛТ. Синхронизатор. Управляет всеми временными параметрами видеоадаптера. Синхронизатор также управляет доступом процессора к цветовым слоям видеоадаптера.

Видеопамять адаптеров EGA и VGA разделена  на четыре банка, или на четыре цветовых слоя. Эти банки размещаются в  одном адресном пространстве таким  образом, что по каждому адресу расположено четыре байта (по одному байту в каждом банке). Какой из банков памяти используется для записи или чтения данных процессором, определяется при помощи установки нескольких регистров адаптера.

Так как все четыре банка находятся  в одном адресном пространстве, то процессор может производить запись во все четыре банка за один цикл записи. Благодаря этому некоторые операции, например, заполнение экрана, происходят с большей скоростью. В том случае, когда запись во все четыре банка не требуется, можно разрешать или запрещать запись во все четыре банка при помощи регистра разрешения записи цветового слоя.

Для операции чтения в каждый момент времени может быть разрешен с  помощью регистра выбора читаемого  цветового слоя только один цветовой слой. В большинстве режимов видеоадаптера видеопамять разделена на несколько страниц. При этом одна из них является активной и отображается на экране. При помощи функций BIOS или программирования регистров видеоадаптера можно переключать активные страницы видеопамяти. Вывод информации может производиться как в активные, так и в неактивные страницы видеопамяти.

 

 

1.3 Характеристики видеоадаптеров

 

Технические характеристики видеоадаптеров меняются значительно быстрее, чем  всех остальных узлов персонального  компьютера. Например, вначале вполне хватало пары килобайт видеопамяти на плате видеоадаптера, чтобы он отображал на экране все, что надо. После того как пользовали "распробовали", что такое персональный компьютер IBM PC, началось стремительное развитие схема техники вспомогательной, казалось бы, карты. К примеру, уже для стандарта EGA требовалось не менее 64 Кбайт оперативной памяти. Сегодня же даже 128 Мбайт сверхскоростной видеопамяти кажутся не таким уж большим ресурсом!

Для работы современных офисных  приложений и просмотра видеофильмов вполне хватает 8 Мбайт видеопамяти для разрешения 800x600 или 16 Мбайт для разрешения 1024x768. Использование 32, 64 и 128 Мбайт видеопамяти связано, в первую очередь, с интересами "игроманов", которым даже 128 Мбайт, честно говоря, не так уж много. Сегмент же пользователей высококачественной графики, который не связан с компьютерными играми, совсем не велик. Хотя, чем больше видеопамяти, тем приятнее работать за компьютером!

Следует сказать, что стремительное  увеличение объема видеопамяти в  настоящее время не связано с таким же прогрессом повышения разрешения изображения на экране. Практически, уже достигнут потолок для традиционных систем отображения видеоинформации. Основная же причина все большего наращивания оперативной памяти видеоадаптера состоит в том, что на плате видеоадаптера теперь находится видеопроцессор, который может самостоятельно, по управляющим командам центрального процессора, строить объемные изображения (они же — 3D), а это требует необычайно много ресурсов для хранения промежуточных результатов вычислений и образцов текстур, которыми заливаются условные плоскости моделируемых фигур.

Рис 11. Схематическое изображение видеоадаптера ASUS AGP-V3400TNT.

 

Почетное место в середине платы  занимает видеопроцессор (Graphics Processor, графический процессор), основное занятие которого — обсчет фигур в двухмерной (2D Graphics) и трехмерной (3D Graphics) графике. Четыре микросхемы видеопамяти SGRAM хранят не только данные по каждой отображаемой на экране точке, но и результаты промежуточных вычислений и различные заготовки для стандартных элементов (например текстуры). Микросхема VGA BIOS отвечает за стандартные функции начальной загрузки компьютера (к ней обращается BIOS системной платы) и ряд специфичных функций, присущих конкретному видеоадаптеру. Здесь некоторое внимание следует уделить терминологии.

• 2D Graphics — это двухмерная графика, которая позволяет рисовать в одной плоскости. Например, пользовательский интерфейс операционной системы Windows является ярким примером двухмерной графики.
• 3D Graphics — это трехмерная графика, которая позволяет создавать визуальное отображение трехмерного объекта на плоскости экрана.

При этом видеопроцессор создает (математически  рассчитывает) в видеопамяти трехмерный объект.

При описании способов построения 2- и 3-мерных изображений используются специальные термины, которые часто являются так называемыми "кальками" с соответствующих английских терминов (заметим, что не для всех английских терминов есть удачные русские варианты). Например, рендеринг >(Rendering) — это термин, обозначающий процесс создания изображения на экране с использованием математической модели объекта и формул для добавления цвета и тени. Термин растеризация (Rasterization) обозначает процесс разделения объекта на пикселы. Часто упоминающийся термин текстура (Texture) обозначает двумерное изображение какой-то поверхности, например бумаги или металла, хранящееся в памяти в одном из стандартных пиксельных форматов.

Желание пользователей выводить информацию не только на монитор, но и на обычный бытовой телевизор, а также смотреть видеозаписи и видеофильмы на компьютере привело к тому, что на ряд видеоадаптеров стали устанавливать чипы, отвечающие за работу с видеоаппаратурой (в том числе и цифровым звуком, правда, аналоговый звук передается без обработки на звуковую плату). Один из вариантов такого видеоадаптера показан на рис. 12.14, где видно, что к стандартному набору компонентов добавились чипы Digital Video Decoder и Digital PC to TV Encoder.

Как только появились процессоры Pentium 4, позволяющие обрабатывать видеосигнал в реальном времени с высоким качеством, и плоские панели, использующие цифровой интерфейс, разработчики видеоадаптеров решили попробовать свои силы в создании многофункциональных устройств, точно так же, как создатели новейших аудио карт. (Соответственно, можно не удивляться, что основные мировые игроки стали продвигать свои стандарты, выпуская различные комбинированные карты, малосовместимые друг с другом.)

Для примера познакомимся с возможностями, которые предоставляет пользователям видео комбайн ATI ALL-IN-WONDER RADEON 8500DV. В основе этого устройства лежит видеоадаптер с 2D/3D-акселератором (графический ускоритель, он же — видеопроцессор). На плате установлен видеопроцессор ATI Radeon 8500, выполненный по 0,15 мкм технологии, с тактовой частотой ядра 235 МГц. RAMDAC функционирует на частоте 400 МГц при работе с аналоговыми мониторами и 240 МГц с цифровыми. На карте установлено 64 Мбайт DDR-памяти, работающей на тактовой частоте 190 МГц (380 МГц при двойном чтении памяти за один такт), а разрядность шины памяти равна 128 битам.

 

Рис.12 Схематическое изображение видеоадаптера ASUS AGPV3400TNT.

 

Рис.13 Видеокомбайн ATI Redeon 8500DV.

"На борту" карты находится  стерео-ТV-тюнер, позволяющий принимать  и оцифровывать телевизионный сигнал. При работе с видеомагнитофонами, видеокамерами и при проигрывании видеодисков пользователь может "захватывать" и редактировать аналоговое и цифровое видео. Поддерживаются форматы видео захвата MPEG-1, MPEG-2, DV и WMF. Кроме того, в комбайне реализована функция цифрового видеомагнитофона ATIMultimediaCenter. 
Для подключения разнообразной видеоаппаратуры предназначены:

• цифровой интерфейс DVI-I — для плоских панелей и традиционных мониторов, оснащенных таким интерфейсом;
• разъем S-VHS — для входа/выхода видеосигнала (VideoIn/Out) и для композитного видеосигнала;
• S/PDIF — цифровой аудиовыход;
• интерфейс IEEE 1394 Firewire — для подключения видеокамер;
• комбинированный 29-контактный разъем, к которому подключается переходной кабель (рис. 12.16),— для подключения бытовой видеоаппаратуры.

Для управления комбайном предназначен пульт ДУ, использующий радиосигнал, а не инфракрасный светодиод.

Рис.14 Кабель для подключения видеоаппаратуры к плате.

 

Как видите, видео комбайн ATI ALL-IN-WONDER RADEON 8500DV обладает весьма заманчивыми свойствами, но вот его стоимость равна цене системного блока хорошего офисного компьютера, т. е. пользователь может выбирать — купить такую симпатичную игрушку или десяток традиционных видеоадаптеров.

 

1.4. Цифровой Интерфейс

 

Появление цифрового интерфейса у  видеоадаптеров и мониторов (как  плоских, так и традиционных) —  это, фактически, возрождение принципов  передачи видеоинформации в цифровом виде, как было в древнем стандарте EGA. К сожалению, разработка нового цифрового  интерфейса натолкнулась на амбиции различных производителей, а также на то, что в последнее время требования к параметрам передаваемых по интерфейсу видеоданных резко возросли. Так что пользователь сегодня может столкнуться с тем, что, имея монитор и видеоадаптер с цифровыми интерфейсами, он не сможет их вместе соединить по цифровому интерфейсу или ему придется покупать дорогостоящий переходник, стоимость которого иногда соизмерима с ценою простого видеоадаптера.