Текст книги "Аппаратные средства персональных компьютеров"

Глубина цвета и разрешение

Первые компьютерные мониторы оперировали только двумя значениями яркости точки на экране: есть изображение точки – точка погашена. В настоящее время, наиболее популярные режимы – это VGA с разрешением 640x480 точек и SVGA с разрешением 800x600 (для 17-дюймовых мониторов – 1024x768). То есть при разрешении 640x480 изображение на экране монитора состоит из 307 200 точек, а при 800x600 – из 480 000.

Для каждой точки изображения указывается строго определенный цвет, который получается из смеси трех первичных цветов – красного, зеленого и синего. Общее количество оттенков может достигать миллионов цветов, но для самых простых режимов используется 16 или 256 цветов (это режимы VGA).

Объем необходимой видеопамяти определяется в зависимости от разрешения (числа строк, умноженного на число точек в строке) и глубины цвета (необходимого числа байтов для хранения информации о каждой точке). Соответственно, формула, связывающая объем видеопамяти с разрешением и количеством воспроизводимых цветов, выглядит так:

Объем ОЗУ = (число точек в строке) х (число строк) х (число байтов на одну точку).

Первые два значения определяются желаемым вам режимом, а число битов (байтов) на одну точку или количество цветов выбирается из табл. 12.4.

Часто бывает так, что для желаемого режима чуть-чуть не хватает памяти, например у видеоадаптера ровно 2 Мбайт видеопамяти, а нужно больше. В этом случае надо выбрать меньшее разрешение или меньшее количество цветов. Возможные варианты выбора приведены в табл. 12.5 (указаны только те режимы, которые позволяют использовать современное программное обеспечение).

Таблица 12.4. Соотношение между глубиной цвета и числом битов на один пиксел

Таблица 12.5. Разрешение и минимальный объем видеопамяти

Принципы построения изображения

Компьютерный монитор, как и обычный телевизор, формирует изображение на экране из строк, которые рисуются слева направо и сверху вниз (рис. 12.6). 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.

Рис. 12.6. Способ построение изображения на экране монитора

В телевизорах и дешевых мониторах используется чересстрочная развертка изображения (рис. 12.7), когда на экране сначала прорисовываются нечетные строки (первый полукадр), а потом четные (второй полукадр).

Рис. 12.7. Чересстрочный способ построения изображения

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.

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.

Примечание

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 двухпортовые 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 прямоугольник[37]37
  В мониторах с цифровым управлением имеется функция блокировки канала яркости или блока строчной развертки в отсутствие синхронизирующих импульсов от видеоадаптера.


[Закрыть] – 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 видеоплаты.

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 (рис. 12.8). Далее уже для конкретной выбранной пары предлагается весьма ограниченный набор, состоящий из величины разрешения и количества цветов в палитре (рис. 12.9) и частоты развертки (рис. 12.10).

Рис. 12.8. Выбор типа видеоадаптера в операционной системе Windows

Рис. 12.9. Выбор разрешения и глубины цвета

Рис. 12.10. Выбор частоты кадровой развертки

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 hss hse hm v vss vse vm [опции],

где:

• p – 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).

Программист может заставить видеоадаптер выдавать синхроимпульсы достаточно произвольно относительно изображения. Но, например для монитора с вакуумным кинескопом требуются вполне определенные задержки для возврата луча в исходное положение после окончания рисования последней точки строки и последней строки кадра. Соответственно, видеоадаптеру необходимо точно указывать, где должны находиться синхроимпульсы относительно друг друга и начальной точки растра. При этом используются несколько странные для большинства пользователей параметры – размеры видимой части изображения по горизонтали и вертикали, начало и конец импульсов строчной и кадровой синхронизации, полная высота и ширина кадра (видимой и невидимой части).

На рис. 12.11 и 12.12 показано, как привязаны синхроимпульсы к изображению.

Рис. 12.11. Строчная синхронизация

Рис. 12.12. Кадровая синхронизация

Человек очень плохо воспринимает изображение на экране монитора с частотой кадровой развертки 60 Гц. Оно кажется мигающим, а засветка от ламп дневного света, которые питаются от сети переменного тока 50 Гц, создает неприятные ощущения. Чтобы повысить комфортность от работы с компьютером, стараются повышать частоту кадровой развертки – сначала рекомендовалась частота 85 Гц, потом 100 Гц (жидкокристаллические панели работают на другом принципе, поэтому в них нет такой необходимости повышения частоты кадровой развертки). Теперь, после совершенствования электроники мониторов рекомендуемая частота кадровой развертки лежит в диапазоне 120–200 Гц. Соответственно, пользователю требуется выбирать для работы тот режим видеоадаптера, который поддерживается монитором, т. к. в противном случае монитор очень быстро выходит из строя. В табл. 12.6 приведены возможные комбинации разрешения, кадровой и строчных частот развертки, которые могут обеспечить современные видеоадаптеры, а в табл. 12.7 уже только для двух наиболее популярных разрешений приведены комбинации кадровой и строчной частот развертки.

Примечание

Выбирайте тип видеоадаптера под конкретный монитор. Монитор меняется примерно раз в пять лет, а видеоадаптер можно заменять чуть ли не каждые полгода!

Таблица 12.6. Разрешение, глубина цвета и возможная частота кадровой развертки видеоадаптера Abit Siluro GeForce 3

Таблица 12.7. Частоты кадровой и строчной развертки для разрешений 640x480 и 800x600 видеоадаптера ASUS AGP-V3400TNT/TV/8MB Layout

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 схемотехники 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!

Примечание

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.

На рис. 12.13 можно увидеть, какие элементы установлены на традиционном для персональных компьютеров видеоадаптере.

Рис. 12.13. Схематическое изображение видеоадаптера ASUS AGP-V3400TNT/8MB Layout

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.

Рис. 12.14. Схематическое изображение видеоадаптера ASUS AGP-V3400TNT/TV/8MB Layout

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 аудиокарт. (Соответственно, можно не удивляться, что основные мировые игроки стали продвигать свои стандарты, выпуская различные комбинированные карты, малосовместимые друг с другом.)

Для примера (рис. 12.15) познакомимся с возможностями, которые предоставляет пользователям видеокомбайн ATI ALL–IN-WONDER RADEON 8500 DV. 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. 12.15. Видеокомбайн ATI ALL–IN-WONDER RADEON 8500DV

«На борту» карты находится стерео-TV-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[38]38
  Для карт, реализующих функции видеовхода и видеовыхода, используют термин VIVO (Video In Video Out).


[Закрыть]. Поддерживаются форматы видеозахвата MPEG-1, MPEG-2, DV и WMF. Кроме того, в комбайне реализована функция цифрового видеомагнитофона ATI Multimedia Center.

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 (Video In/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.

Рис. 12.16. Кабель для подключения видеоаппаратуры к плате ATI ALL–IN-WONDER RADEON 8500DV

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

Как видите, видеокомбайн 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. Заметим, что стоимость TV-тюнеров и карт видеозахвата, позволяющих оцифровывать видеосигнал с качеством, не уступающим тому, которое можно увидеть на экране телевизора, лежит где-то в диапазоне от 400 до 1000 долларов.

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.

Первый цифровой видеоинтерфейс был разработан в 1997 г. организацией VESA, предложившей стандарт Plug-and-Display (P&D), который не нашел поддержки у разработчиков и производителей персональных компьютеров. Затем компания Silicon Image предложила технологию PanelLink с протоколом TMDS (Transition Minimized Differential Signaling), а корпорация Compaq – стандарт DFP, которые также не получили широкого распространения.

Более удачной была попытка корпорации Intel, совместно с рядом других фирм предложившей стандарт DVI, который постепенно начинают внедрять различные производители компьютерного оборудования. Модификация стандарта DVI–I предусматривает подключение традиционного аналогового монитора. Пропускная способность интерфейса 330 МГц, что позволяет использовать разрешения 2048x1536 при 60 Гц для плоских панелей и 1920x1080 при 85 Гц для мониторов с вакуумным кинескопом.

В стандарте используется 24+4-контактный разъем (рис. 12.17), по которому передается как цифровой, так и аналоговый видеосигнал. Такая странная комбинация контактов означает, что 4 контакта предназначены для передачи аналогового видеосигнала, а остальные – для цифрового, а также, возможно, для различных внешних интерфейсов и аудиосигналов. Кабель[39]39
  На рисунках, относящихся к кабельной продукции, предназначенной для видеоинтерфейса DVI, показаны изделия, которые выпускает компания Belkin (http://www.belkin.com).


[Закрыть] для соединения DVI-выхода видеоадаптера и монитора показан на рис. 12.18. Так как стандартов на цифровой видеоинтерфейс, увы, много, то кабель может быть оборудован различными разъемами, показанными на рис. 12.19, кроме того, на практике, возможно, придется использовать какой-либо переходник для соединения видеоадаптера и монитора (рис. 12.20).

Рис. 12.17. Разъем DVI

Рис. 12.18. Цифровой видеокабель

Рис. 12.19. Разъемы, которые могут быть установлены на цифровом видеокабеле

Рис. 12.20. Переходники для видеоинтерфейса

Примечание

При желании использовать для соединения монитора и видеоадаптера цифровой интерфейс или при подключении аналогового устройства к цифровому обязательно уточните по документации, какие стандарты поддерживают оба устройства.