Файл: Характеристики и типы мониторов для персональных компьютеров (Мониторы с электронно-лучевой трубкой).pdf

2. Видеоадаптеры и видеопамять

2.1. Видеопамять

Монитор по отношению к процессору выступает в той же роли, что телевизор по отношению к телецентру: он показывает изображение, формируемое процессором компьютера. Но телевизор непрерывно получает видеосигнал из телецентра, а монитор на это "рассчитывать" не может. Дело в том, что процессор должен заниматься многими другими заданиями, а не только передавать изображение на монитор. Поэтому видеоадаптер должен иметь отдельную, выделенную память, в которую процессор записывает изображение. А уже затем видеоадаптер отдельно от процессора может выводить содержимое этой видеопамяти на экран.

SDRAM (Synchronous Dynamic RAM - синхронное динамическое оперативное запоминающее устройство) продвигается как стандарт на замену EDO DRAM и других асинхронных одно портовых типов памяти. Как только произведено первое считывание из памяти, или первая запись в память, следующие операции чтения или записи происходят с нулевыми задержками. Благодаря этому достигается максимально возможная скорость чтения и записи данных.

FPM DRAM (Fast Page Mode Dynamic RAM - динамическое оперативное запоминающее устройство с быстрым страничным доступом) – это, пожалуй, основной тип видеопамяти, идентичный используемой в системных платах. Использует асинхронный доступ, при котором управляющие сигналы не привязаны к тактовой частоте системы. Активно применялся примерно до 1996 г.

VRAM (Video RAM – видео оперативное запоминающее устройство) - так называемая двухпоpтовая DRAM с поддержкой одновременного, параллельного доступа со стороны видеопроцессора и центрального процессора компьютера. Позволяет совмещать во времени вывод изображения на экран и его обработку в видеопамяти, что значительно сокращает задержки и увеличивает скорость работы.

EDO DRAM (Extended Data Out DRAM - динамическое оперативное запоминающее устройство с увеличенным временем удержания данных на выходе) - тип памяти с элементами конвейеризации, позволяющий несколько ускорить обмен блоками данных с видеопамятью.

SGRAM (Synchronous Graphics RAM - синхронное графическое оперативное запоминающее устройство) - вариант DRAM с синхронным доступом, когда все управляющие сигналы изменяются одновременно с системным тактовым синхросигналом, что позволяет сократить временные задержки за счет "выравнивания" сигналов.

WRAM (Window RAM) - вариант VRAM, с увеличенной на 1/4 пропускной способностью и поддержкой некоторых часто применяемых функций, таких как отрисовка шрифтов, перемещение блоков изображения и т.п. Применяется практически только на акселераторах таких фирм, как Matrox и Number Nine, поскольку нуждается в специальных методах доступа и обработки данных, наличие всего одного производителя данного типа памяти очень уменьшило возможности ее использования. Видеоадаптеры, построенные с использованием данного типа памяти, не имеют тенденции к падению производительности при установке больших разрешений и частот обновления экрана, на одно-портовой же памяти в таких случаях RAMDAC все большее время занимает шину доступа к видеопамяти и производительность видеоадаптера может весомо снизится.

MDRAM (Multibank DRAM - много банковое оперативное запоминающее устройство) - вариант DRAM, организованный в виде множества независимых банков объемом по 32 Кб каждый, работающих в конвейерном режиме.

RDRAM (RAMBus DRAM) – это память, использующая специальный канал передачи данных (Rambus Channel), представляющий собой шину данных шириной в один байт. По этому каналу удается передавать информацию очень большими потоками, наивысшая скорость передачи данных для одного канала на сегодняшний момент составляет 1600MB/сек (частота 800MHz, данные передаются по двум срезам импульса). На один такой канал можно подключить несколько чипов памяти. Контроллер этой памяти работает с одним каналом Rambus. На одном чипе логики можно разместить четыре таких контроллера, значит теоретически можно поддерживать до четырёх таких каналов, обеспечивая максимальную пропускную способность в 6.4GB/сек. На сегодняшний момент этот тип памяти обеспечивает наивысшую пропускную способность на один чип памяти, по сравнению с остальными типами памяти. Увеличение скорости обращения видеопроцессора к видеопамяти, не смотря на повышения пропускной способности адаптера, позволяет поднять максимальную частоту регенерации изображения, что снижает утомляемость глаз оператора.

2.2. Видеоадаптеры

Когда появился компьютер IMB PC, единственным совместимым с ним видеоадаптером был адаптер MDA. Он оказался неплохим дополнением для посимвольно ориентированного коммерческого программного обеспечения, в том числе для таких текстовых процессоров, как WordStar, устанавливавшихся в микрокомпьютерах того времени. Но по мере роста объема данных, вводимых в электронные таблицы, появилось желание отобразить эти данные в графическом виде. Для первых пользователей электронных таблиц существовало два выхода:

• Использовать видеоадаптер Color Graphics Adapter (CGA) фирмы IBM. Адаптер CGA позволил избавиться от проблемы отсутствия графики в MDA и увеличить количество цветов. Помимо этого, в нем были предусмотрены отдельные режимы для текста и для графики. Графическое разрешение было не высоким для качественного отображения текста, и даже в текстовом режиме матрица символов имела размер 8 на 8 точек вместо 9 на 14 у MDA. При замене MDA на CGA приходилось покупать новый монитор. Многие использовали MDA и CGA одновременно.
• Использовать видео плату Hercules Graphics Card (HGC). Видео плата HGC сохраняла качественное отображение монохромного текста MDA и дополняла его монохромной графикой для коммерческих приложений. Возможно, это стало наиболее весомым вкладом в создание рынка независимых производителей аппаратного обеспечения для IBM PC. Плата HGC дала доступ к каждому пикселю на экране монохромного адаптера, имеющем разрешение 720 на 350, что составляло более восьмидесяти процентов пикселей на стандартном дисплее с разрешением 640 на 480.

У адаптера CGA было очень низкое разрешение и малое количество цветов – аппаратное обеспечение превращало изображение на экране в нечто похожее на мультфильм. У него также была проблема с совместным доступом к видеопамяти генератора изображения и шины. Если процесс обращался к видеопамяти в момент, когда луч на электронно-лучевой трубке не возвращался снизу-вверх, на экране появлялся белый шум ("снег", или импульсный точечный узор).

Чтобы решить проблемы адаптера CGA, фирма IBM разработала видеоадаптер Enhanced Graphics Adapter (EGA), в котором были исправлены многие недостатки CGA, а также увеличивалось количество цветов и разрешение экрана. Это улучшило качество текста и графики. Однако разрешение и количество цветов оставались все еще ограниченными. Это открывало широкое поле деятельности для независимых фирм. Адаптер EGA хорошо продавался благодаря программному обеспечению, но был весьма дорогим. Фирма IBM продавала EGA частями: изначально приобреталась плата и монитор, а затем, чтобы получить максимальное разрешение и цветность, - дополнительную память и чипы.

Большая стоимость и ограниченная производительность адаптера EGA способствовали повышению спроса на лучшие видеосистемы. Фирма IBM выпустила Professional Graphics Controller, этот контроллер оказался весьма дорогим и несовместимым с большей частью программного обеспечения. В операционной системе Windows никогда не существовало драйверов для этого контролера. Другие предприниматели создали свои адаптеры, свои программы, драйверы и, соответственно, свои проблемы совместимости.

Решил эту проблему один из самых долговечных стандартов, когда-либо существовавших в персональных компьютерах: Video Graphics Adapter (VGA), который IBM впервые представила с компьютерами PS/2 в 1987 году. Этот адаптер изменил ключевые характеристики видеоподсистем:

• интерфейс аналоговых сигналов к монитору. Все мониторы с MDA, HGC, CGA и EGA получали от видео платы цифровые сигналы, другими словами, сигнал состоял из нулей и единиц. Однако новые функциональные возможности последующих поколений видео плат нельзя было реализовать в мониторах со стандартом MDA, CGA и EGA. В стандарте VGA цифровой интерфейс сигнала был заменен аналоговым;
• амплитуда сигнала указывает на яркость луча в любой момент времени;
• увеличенное разрешение и большее количество цветов. Стандарт VGA повысил графическое разрешение до 640 на 480 пикселей с 16 цветами. В расширении Super VGA обычно используется 256 цветов.

Переход к аналоговому интерфейсу монитора был необходим для увеличения количества цветов, поддерживаемых VGA. Покажем кратко различие интерфейсов EGA и VGA:

• EGA – по соединительному кабелю проходят двухразрядные цифровые сигналы для красного, зеленого и синего. Монитор синхронизируется отдельными вертикальными и горизонтальными синхроимпульсами.
• VGA - по соединительному кабелю проходят аналоговые сигналы интенсивности для красного, зеленого м синего. Монитор синхронизируется отдельными вертикальными и горизонтальными синхроимпульсами.

Стандарт VGA позволял использовать программное обеспечение с усовершенствованной видео платой любого производителя, а ОС Windows позволила писать программное обеспечение, не зависящее от интерфейса видео платы. До появления операционной системы Windows разработчики были вынуждены вводить в свои программы драйверы устройств низкого уровня. В этих драйверах кодировались методы использования функциональных возможностей видео плат. Стандарт VGA дал возможность разработчикам создать довольно общепризнанное изделие со всеми необходимыми свойствами и возможностями. С помощью независимого от устройства графического интерфейса ОС Windows (Graphics Device Interface) разработчики начали создавать программное обеспечение с полной уверенностью, что их программы будут работать как с существующим, на тот момент времени, так и с будущим аппаратным обеспечением. Независимость от устройств, которую обеспечивает интерфейс GDI, означает, что производители могут встраивать в свои видео платы уникальные интерфейсы, будучи уверенными в том, что, стоит только написать драйвер операционной системы Windows для платы, и приложения будут пользоваться всеми преимуществами аппаратного обеспечения. Кроме всего прочего, аналоговый интерфейс избавил монитор о необходимости синхронизации с видео платой, обусловив появление мониторов, которые могут работать с различными разрешениями дисплея и принимать любое количество цветов. Теперь перечислим основные типы и характеристики видеоадаптеров:

MDA (Monochrome Display Adapter - монохромный адаптер дисплея) – самый простой видеоадаптер, применявшийся в IBM PC. Поддерживает пять атрибутов текста: обычный, яркий, инверсный, подчёркнутый и мигающий. Частота строчной развёртки - 15 кГц. Интерфейс с монитором - цифровой: сигналы синхронизации, основной видеосигнал, дополнительный сигнал яркости.

HGC (Hercules Graphics Card - графическая карта Hercules) - расширение MDA с графическим режимом 720 на 348, разработанное фирмой Hercules.

CGA (Color Graphics Adapter - цветной графический адаптер) - первый адаптер с графическими возможностями. Работает или в текстовом режиме, или в графическом. В текстовых режимах доступно 256 атрибутов символа - 16 цветов символа и 16 цветов фона (либо 8 цветов фона и атрибут мигания), в графических режимах доступно четыре палитры по четыре цвета каждая в режиме 320 на 200, режим 640 на 200 - монохромный. Вывод информации на экран требовал синхронизации с развёрткой, иначе возникали конфликты по видеопамяти, проявляющиеся в виде "снега" на экране. Частота строчной развёртки - 15 кГц. Интерфейс с монитором - цифровой: сигналы синхронизации, основной видеосигнал (3 канала: красный, зеленый, синий), дополнительный сигнал яркости.

EGA (Enhanced Graphics Adapter - улучшенный графический адаптер) - дальнейшее развитие CGA, применённое в первых PC AT. Количество одновременно отображаемых цветов всё также 16, однако палитра расширена до 64 цветов (по два разряда яркости на каждый цвет). Введен промежуточный буфер для передаваемого на монитор потока данных, благодаря чему пропала необходимость в синхронизации при выводе в текстовых режимах. Структура видеопамяти сделана на основе так называемых битовых плоскостей - "слоев", каждый из которых в графическом режиме содержит биты только своего цвета, а в текстовых режимах по плоскостям разделяются собственно текст и данные знакогенератора. Совместим с MDA и CGA. Частоты строчной развёртки - 15 и 18 кГц. Интерфейс с монитором - цифровой: сигналы синхронизации, видеосигнал (по две линии на каждый из основных цветов).

MCGA (Multicolor Graphics Adapter - многоцветный графический адаптер) - введен фирмой IBM в ранних моделях PS/2. Количество воспроизводимых цветов увеличено до 262144 (по 64 уровня на каждый из основных цветов). Помимо палитры, введено понятие таблицы цветов, через которую выполняется преобразование 64-цветного пространства цветов EGA в пространство цветов MCGA. Введен также видеорежим 320x200x256, в котором вместо битовых плоскостей используется представление экрана непрерывной областью памяти объемом 64000 байт, где каждый байт описывает цвет соответствующей ему точки экрана. Частота строчной развёртки - 31 кГц, для эмуляции режимов CGA используется так называемое двойное сканирование - дублирование каждой строки формата Nx200 в режиме Nx400. Интерфейс с монитором - аналогово-цифровой: цифровые сигналы синхронизации, аналоговые сигналы основных цветов, передаваемые монитору без дискретизации. Поддерживает подключение монохромного монитора и его автоматическое опознание - при этом в видео-BIOS включается режим суммирования цветов по так называемой шкале серого для получения полутонового черно-белого изображения. Суммирование выполняется только при выводе через BIOS - при непосредственной записи в видеопамять на монитор попадает только сигнал зеленого цвета (если он не имеет встроенного цветосмесителя).