Видеосистема

Основным устройством оперативного вывода визуальной информации в любом персональном компьютере является его видеосистема. Под видеосистемой будем понимать аппаратные средства отображения визуальной информации (монитор или дисплей), а также совокупность аппаратных и программных интерфейсных средств подключения монитора к компьютеру. Интерфейсные средства подключения обычно называются видеоадаптерами. Видеоадаптеры, размещенные на отдельных платах, вставляемых в специальные разъемы (слоты) на системных платах носят название видеокарт.

Вообще говоря, видеокарту можно рассматривать состоящей из четырех основных частей:

- видеопамяти;

- видеоконтроллера;

- цифро-аналогового преобразователя (ЦАП);

- ROM видео.

По мере совершенствования видеосистем, усложнения графики на экране дисплея, появления сложных 3-х мерных изображений с высокой скоростью их изменения, в связи с развитием компьютерных игр и тренажерных комплексов, усложнялась и их архитектура. И если в начальный период развития видеосистем обработкой видеоинформации занимался центральный процессор (CPU) с системной памятью, то в дальнейшем такое использование ресурсов компьютера для обработки видеоинформации стало весьма неэффективным. Сложные графические построения требовали огромной вычислительной работы и, следовательно, времени занятости центрального процессора, а также очень высокой пропускной способности шин, связывающих видеоадаптер с CPU и основной памятью компьютера. Это обстоятельство существенно снижало производительность системы. Поэтому, в состав самого видеоадаптера стали включать видеоконтроллер, а также внутреннюю оперативную видеопамять достаточного объема (до 128 Мбайт), что позволило свести обмен информацией между видеосистемой и CPU, а также основной памятью, до минимума. С этой же целью, ширина внутренних шин видеоадаптера была расширена до 128 и даже до 256 бит.

Видеопамять в первую очередь необходима для хранения массива кодов, отображающих изображение, выводимое на экран дисплея. От ее объема напрямую зависит качество выводимого изображения. Как уже говорилось выше, поскольку каждому пикселу изображения на экране в современных компьютерах соответствует код разрядностью 24 или даже 32 бита, то при разрешении экрана 1800 х 1440 и 32 битовом кодировании пиксела только для отображения изображения требуется более 10 Мбайт памяти.

Основная роль видеоконтроллера заключается в организации вывода изображения из видеопамяти на дисплей, обновления содержимого видеопамяти, формирования сигналов горизонтальной и вертикальной разверток монитора, и обработки запросов CPU, который задает поток информации для вывода на дисплей. Мощные видеоконтроллеры современных компьютеров осуществляют к тому же создание и смешивание нескольких потоков графической информации. Например, на основное изображение накладывают изображение курсора, или некоторое отдельное изображение в окне операционной системы. Такие видеоконтроллеры с так называемой потоковой обработкой информации и, осуществляющие часто аппаратную поддержку некоторых типовых функций называют часто акселераторами (ускорителями), а иногда и видеопроцессорами, если они могут подключаться к шине компьютера и имеют доступ к его оперативной памяти. Как акселераторы так и видеопроцессоры служат для разгрузки CPU от типовых операций по формированию изображений.

ЦАП служит для преобразования потока цифровых данных, который формируется видеоконтроллером, в аналоговые уровни интенсивности цвета, подаваемые непосредственно на дисплей. Большинство ЦАП имеют 3 канала основных цветов: красный (Red), синий (Blue)и зеленый (Green) по 256 уровней яркости каждого цвета и, следовательно, создают возможность воссоздавать 16,7 миллионов различных оттенков. Обычно ЦАП формируется на одном кристалле с видеоконтроллером.

На видеокарте, в специальной микросхеме (обычно емкостью 32 Кбайт) стали размещать и местный ROM – видео (Video BIOS), который содержит набор подпрограмм, предназначенных для реализации основных функций видеосистемы, например, решения задач вывода изображения на экран монитора, экранные шрифты, служебные таблицы и.т.п. Этот набор подпрограмм часто называют расширением базовой системы ввода/вывода ( BIOS extension ). Этот набор подпрограмм написан в кодах команд CPU, и не используется видеоконтроллером напрямую. Их использует только центральный процессор, а в результате их выполнения происходит обращение к видеоконтроллеру и видеопамяти. Следует также заметить, что ROM-видео необходим только для первоначального запуска видеоадаптера и работы в режиме MS DOS. Операционные системы с графическим интерфейсом, например Windows, не используют ROM-видео для управления видеоадаптером.

Видеоадаптеры современных компьютеров, по сложности не уступают центральному процессору. Заметим, кстати, что в современных видеоадаптерах используются специальные наборы микросхем высокого уровня интеграции, т.е. локальные графические НМЛ (видеочипсеты).

Структурная схема видеосистемы, которая с отдельными добавлениями или исключениями применима практически ко всем видеосистемам, используемым в персональных компьютерах, приведена на рис. XV.5. Рассмотрим кратко назначение отдельных блоков этой схемы.

Назначением к онтроллера монитора служит управление согласованием последовательного считывания (сканирования) элементов информации, находящихся в ячейках видеопамяти, с работой блока синхронизации электронного луча монитора. Это управление сводится к формированию адресов и строб-импульсов считывания данных из этих ячеек, соответствующих положению светящего элемента на экране дисплея в данный момент времени, т.е. в соответствии с управляющими сигналами кадровой и строчной развертки монитора. Естественно, что частоты развертки и режимы сканирования видеопамяти существенно зависят от режима отображения (графический или текстовый), а также от организации самой видеопамяти.

Блок интерфейса монитора формирует выходные сигналы, поступающие непосредственно на вход монитора. Они во многом зависят и от типа самого монитора. На одни мониторы подаются сигналы типа RGB-Analog (аналоговые сигналы красного, зеленого и голубого каналов). На другие -сигналы типа RGB-TTL (кодированные, т.е. цифровые значения этих сигналов с уровнями 0 и 1, которые соответствуют уровням, принятым в микросхемах транзисторно-транзисторной логики). Кроме того, этот интерфейс формирует видеосигналы при подключению к компьютеру телевизионных, или DVD-видеоканалов.

Видеопамять – это специальная область памяти, из которой контроллер монитора организует циклическое чтение для регенерации изображения на экране. Часть видеопамяти, используемая для хранения цифрового изображения экрана, называется кадровым буфером (frame buffer). Остальная часть используется для работы видеопроцессора, а также для хранения других данных, например, загружаемых национальных шрифтов.

В текстовом режиме каждому знакоместу экрана дисплея соответствует одно слово видеопамяти, расположенное по четному адресу (чтобы была возможность всегда выбирать его за одно обращение к памяти). При этом младший байт слова (байт с четным адресом) содержит ASCII код символа, а старший байт – его атрибуты (цвет символа, его мигание, цвет фона знакоместа).

Рис. XV.5 Структурная схема видеосистемы.

Что касается графического режима, то в нем используются различные варианты организации видеопамяти, в зависимости от числа бит кода, определяемых для отображения одного пиксела (8, 16, 24 или 32 битные форматы).

Объем первых видеопамятей был равен всего 128 Кбайт, и им было выделено, в общем адресном пространстве, область адресов от A0000 до BFFFFh. Однако видеопамять современных адаптеров, особенно с 3D акселераторами (видеопроцессорами), требует значительно большего объема и достигает 128 Мбайт, т.е. становится сравнимой с основной оперативной памятью. А поскольку адресное пространство у них одно, то работа современных адаптеров широко использует переадресацию видеопамяти в область старших адресов (выше границы 16 Мбайт), что позволяет работать с цельными образами экранов. Естественно, что такие большие объемы видеопамяти необходимы только в графическом режиме, поскольку в текстовом режиме требуется всего несколько киловатт видеопамяти.

Видеопамять физически обычно реализуется в отдельных микросхемах, установленных на плате видеоадаптера. Причем, для увеличения производительности видеосистемы, часто используют для видеопамяти микросхемы со специальной архитектурой (GDDR, GDDR2, GDDR3, GDDR4).

Однако в ряде случаев, под дополнительный буфер видеопамяти, выделяется область в системном ОЗУ, размещенной на системной плате. Это позволяет сократить объем видеопамяти, размещенной в микросхеме на плате видеоадаптера, и несколько удешевить компьютер. Однако, как правило, такая экономия ведет к снижению производительности системы.

Контроллер атрибутов представляет собой устройство, управляющее трактовкой цифровой информации, хранящейся в видеопамяти. В текстовом режиме он обрабатывает информацию, которая содержится в байте атрибутов знакоместа (цвет символа и цвет фона знакоместа, мерцание символа, повышения его яркости). В графическом режиме исходной информацией для него является число бит, выделенных в видеопамяти на один пиксел. В современных видеоадаптерах контроллер атрибутов выполняется в виде специальной микросхемы, часто называемой микросхемой RAMDAC. Это название он получил потому, что основой его является ряд регистров, образующих небольшое быстродействующее оперативное запоминающее устройство (RAM), а также цифроаналоговые преобразователи (DAC – Digital to Analog Converter). Регистры контроллера атрибутов, которые часто называют регистрами палитр, необходимы для преобразования цветов, закодированных битами видеопамяти, в реальные цвета на экране. Цифроаналоговые преобразователи служат для непосредственного преобразования кодов цветов в аналоговые сигналы интенсивности соответствующего цвета.

Внутренняя шина видеоадаптера предназначена для высокопроизводительного обмена данными между видеопамятью, графическим акселератором и внешним интерфейсом. Типовая ширина этой шины у современных компьютеров составляет 32 и 64 бит, хотя, как это уже упоминалось, в наиболее быстродействующих современных видеоадаптеров ее ширина достигает 256 бит.

Блок внешнего интерфейса связывает видеоадаптер с шиной системной платы, по которой он обменивается информацией через «южный» мост чипсета с центральным процессором и основной системной памятью. В последних разработках видеоадаптеров для этой цели используется, как правило быстродействующая шина PCI Express ×16, которая приходит на смену еще достаточно широко используемой шины AGP.

Видеопроцессор (графический процессор, акселератор) – представляет собой устройство управления обработкой 2D и 3D изображений, которое расположено на самой видеокарте, и, в некоторой степени, автономно функционирующее независимо от центрального процессора (CPU) компьютера. Его основное назначение – разгрузить CPU от тех функций видеоадаптера, которые могут быть реализованы, не выходя на системную шину. Например, построение графических примитивов (таких как линии, треугольники, прямоугольники, окружности и т.п.), их закраска, перенос фрагмента растра (окна) из одной области экрана в другую. То же относится к преобразованию цветового пространства, декомпрессии сжатых видеоданных, панорамировании изображений, их вращения и др.

В ранних видеоадаптерах, простейшие из этих функций, выполнял простейший видеоконтроллер. По мере усложнения задач, простейший микроконтроллер превратился в графический ускоритель (акселератор), основным отличием которого стало то, что он оперировал уже не пикселами, а объектами более высокого уровня – графическими примитивами. В последующем, графический ускоритель был заменен еще более универсальным устройством обработки, который фактически работал параллельно с CPU, и это устройство получило название графического сопроцессор а.

Основное отличие графического сопроцессора от графического акселератора заключается в том, что сопроцессор можно запрограммировать на выполнение различных задач, тогда как акселератор ориентирован только на конкретные приложения. Кроме того, графический сопроцессор, в отличие от графического акселератора, в ходе выполнения своих функций может наравне с CPU обращаться к системной оперативной памяти и управлять шиной ввода/вывода. В современных видеоадаптерах объем и сложность функций, выполняемых графическим сопроцессором, возросли до такой степени, что они стали сравнимы с объёмом задач, решаемых CPU. Поэтому в настоящее время, его называют просто графическим процессором, подчеркивая тем самым его самостоятельность в решении задач формирования изображения на экране монитора.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная литература.

1. В.Л. Бройдо, О.П.Ильина. Архитектура ЭВМ и систем. 2-е изд. Учебник для вуза. – СПб.:ПИТЕР, 2009. – 718 с.

2. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 5-е изд.– СПб.: ПИТЕР, 2007. – 714 с.

3. Гук М. Аппаратные средства IBM PC, 3 изд.– СПб.: ПИТЕР, 2006.–1072

4. Колесниченко О.В., Шишигин И.В., Соломенчук В.Г. Аппаратные средства PC, - 6 изд. – СПб.: БХВ - Петербург, 2010. – 800 с.

5. Рудометов Е.А. Материнские платы и чипсеты. 4-е изд. Анатомия ПК. – СПб.:Питер, 2007. -368 с.

6. Юров В.И. Assembler, 2-е изд. Уч. пособие. – СПб.: ПИТЕР, 2006. – 637 с.

7. Матушкин Г.Г. Архитектура компьютера. Учебное пособие. (Электронный вариант)., 2010 – 193 с.

Дополнительная литература.

1. Матушкин Г.Г. Логические и арифметические основы вычислительной техники. Сборник задач и упражнений. Новосибирск, 1995. – 142 с.