Учебник Фамилия, имя, отчество




НазваниеУчебник Фамилия, имя, отчество
страница9/12
Дата18.04.2013
Размер1.59 Mb.
ТипУчебник
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

4. Технические средства компьютерной графики


4.1. Эволюция компьютерных видеосистем

Компьютерные видеосистемы рассмотрим на примере персональных компь­ютеров класса IBM PC. Первый персональный компьютер фирмы IBM по­явился в 1981 году. Некоторые особенности архитектуры IBM PC сохранены и по сей день (рис. 4.1).



Рис. 4.1. Общая упрощенная структура персонального компьютера

Важная черта архитектуры персонального компьютера с позиций графики – то, что контроллер видеосистемы (видеоадаптер) расположен рядом с про­цессором и оперативной памятью, так как подключен к системной шине че­рез скоростную локальную шину. Это дает возможность быстро вести обмен данными между оперативной памятью и видеопамятью. Первый компьютер IBM PC был оснащен видеоадаптером MDA (Mono­chrome Display Adapter). Видеосистема была предназначена для работы в тек­стовом режиме – отображалось 25 строк по 80 символов в каждой строке.

Год спустя небольшая фирма Hercules выпустила видеоадаптер Hercules Graphic Card. Он поддерживал также и графический черно-белый режим 720х348. Графический режим – режим работы адаптера дисплея, обеспечивающий вывод на экран графической информации.

Следующим шагом был видеоадаптер CGA (Color Graphic Adapter). Это пер­вая цветная модель для IBM PC. Адаптер CGA позволял работать в цветном текстовом или графическом режимах. Далее мы будем рассматривать только графические режимы видеоадаптеров. Графических режимов для CGA было два: черно-белый 640х200 и цветной 320х200. В цветном режиме можно бы­ло отображать только четыре цвета одновременно (2 бита на пиксел).

В 1984 году появился адаптер EGA (Enhanced Graphic Adapter). Это было значительное достижение для персональных компьютеров этого типа. По­явился графический 16-цветный видеорежим 640х350 пикселов. Цвета мож­но выбирать из палитры 64 цветов.

В 1987 году появился видеоадаптер VGA (Video Graphic Array). Он имел 256-цветный графический видеорежим с размерами рас­тра 320х200. Цвета можно выбирать из палитры в 256 тысяч цветов. Это дало возможность полностью удовлетворить потребности отображения полутоно­вых черно-белых фотографий. Цветные фотографии отображались достаточ­но качественно, однако 256 цветов мало, поэтому в компьютерных играх и графических пакетах активно использовался дизеринг. Видеоадаптер VGA также имел 16-цветный видеорежим 640х480.

Дальнейшее развитие видеоадаптеров для компьютеров типа IBM PC связано с повышением разрешающей способности и количества цветов. Стали появляться видеоадаптеры различных фирм, которые обеспечивали на первых порах видеорежимы 800х600, а потом и 1024х768 цветов при 16-ти цветах, и видеорежимы 640х480, 800х600 и больше для 256 цветов. Эти видеоадаптеры стали называть SuperVGA (SVGA).

Первой достигла глубины цвета в 24 бит фирма Targa с видеоадаптером Targa24, что позволило получить на персональных компьютерах IBM PC видеорежим True Color. Такое достижение можно считать началом профес­сиональной графики на персональных компьютерах этого типа.

Сейчас на компьютерах IBM PC используется много типов видеоадаптеров. Все видеосистемы растрового типа. Некоторые из них позволяют устанавливать глубину цвета 32 бит на пиксел при размерах рас­тра 1600х1200 и более.

Параметры отображения обусловливаются не только моделью видеоадапте­ра, но и объемом установленной видеопамяти. В видеоадаптерах первых образцов количество видеопамяти вычислялось в килобайтах, например, адаптер CGA имел 16 Кбайт. В современных видеоадаптерах счет идет на мегабайты. Как правило, объем видеопамяти кратен степени двойки – 1,2,4,8 Мбайт, встречаются также видеоадаптеры с 16 Мбайт и более. Наблюдается тенденция увеличения объемов видеопамя­ти – соответственно увеличению разрешающей способности и глубины цве­та видеосистем. В видеопамяти могут храниться несколько кадров изображе­ния – это может быть использовано при анимации. Кроме того, в некоторых видеоадаптерах предусмотрена возможность использования видеопамяти для хранения другой информации, например Z-буфера, растров текстур.


4.2. Устройство и принципы работы видеоадаптера. Графические процессоры

Видеоадаптер – устройство, выполняющее преобразование цифрового изображения, записанного в кадровый буфер, в аналоговый видеосигнал, подавае­мый на монитор. Современный видеоадаптер для мультимедийного ПК – это весьма сложное и вполне самостоятельное устройство, которое, наряду с выполнением своей ос­новной функции, способно решать дополнительные задачи: аппаратное ускоре­ние 2D- и 3D-графики, обработку видеоданных, прием телевизионных сигналов и многое другое. Эти дополнительные возможности обеспечиваются путем включе­ния в архитектуру стандартного видеоадаптера соответствующих элементов. Конструктивно эти элементы обычно встраиваются в один мощный графический процессор, являю­щийся основой универсальной графической видеоплаты.

Видеоадаптер является исключительно важным элементом видеосистемы, по­скольку определяет следующие ее характеристики:

· максимальные разрешение и частоты разверток (совместно с монитором);

· максимальное количество отображаемых оттенков цветов;

· скорость обработки и передачи видеоданных.

Описание видеоадаптеров начнем с рассмотрения структуры и принципа дей­ствия стандартного видеоадаптера VGA. С одной стороны, это поможет лучше понять особенности архитектуры современного видеоадаптера, поскольку он со­держит те же самые элементы стандартного адаптера VGA. С другой стороны, от­личия архитектуры современных видеоадаптеров от базовой продиктованы стрем­лением устранить факторы, ограничивающие производительность видеосистемы VGA. В частности, для повышения производительности видеосистемы в совре­менных видеоадаптерах используются:

· графические акселераторы операций по обработке данных двумерной и трехмерной графики;

· быстродействующая видеопамять;

· высокоскоростные шины ввода/вывода.

Кроме того, современные видеоадаптеры выполняют ряд дополнительных муль­тимедийных функций:

· воспроизведение цифровых видеоданных в различных форматах;

· прием телевизионных программ и формирование телевизионного изображе­ния на экране монитора;

· вывод информации на экран телевизора (функция TV-out);

· ввод/вывод аналоговых видеосигналов и др.


4.2.1. Устройство и особенности работы стандартного видеоадаптера VGA

Архитектура VGA-совместимого адаптера приве­дена на рис. 4.2.

Видеоадаптер VGA содержит следующие элементы:

· видеопамять;

· ROM Video BIOS;

· контроллер ЭЛТ, или CRTC (Cathode Ray Tube Controller);

· графический контроллер;

· контроллер атрибутов;

· секвенсор (sequencer);

· цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) данных, хранящихся в ОЗУ, или RAMDAC (Random Access Memory Digital-to-Analog Converter);

· синхронизатор;

· тактовые генераторы;

· интерфейс с шиной ввода/вывода;

· разъем для подключения монитора.



Рис. 4.2. Структурная схема видеоадаптера VGA

Большинство перечисленных элементов видеоадаптера содержат специальные регистры, доступные центральному процессору для чтения/записи данных. Эти регистры, как правило, предназначены для управления работой со­ответствующих элементов видеоадаптера. Модифицируя содержимое этих реги­стров, центральный процессор (ЦП) управляет работой видеоадаптера.

Помимо регистров в составе указанных элементов, видеоадаптер VGA имеет несколько отдельных регистров, участвующих в процессе формирования видео­сигнала, в том числе:

· 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 сигналами обратного хода кадровой развертки).

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

Видеопамять

Видеопамять – это специализированное ОЗУ, размещенное на плате видео­адаптера и предназначенное для хранения цифрового образа формируемого изо­бражения. Синонимами данного понятия являются термины видеобуфер и Video RAM.

Объем видеопамяти определяет максимальное разрешение и количество цве­товых оттенков формируемого изображения. Современные видеоадаптеры SVGA позволяют на­значить видеопамяти и Video BIOS произвольные адреса, что дает возможность установить в компьютере два видеоадаптера и подключить два монитора.

Video BIOS

Реализация любой графической операции (смена видеорежима, чтение/запись информации в кадровый буфер, управление курсором и т. п.) требует от центрального процессора выполнения весьма длинной последовательности элементарных команд (чтение/ запись, перемещение данных в регистрах и др.). Кроме того, во время этих действий в регистры видеоадаптера заносятся константы, значения которых для различных моделей VGA-совместимых адаптеров могут различаться. С целью упрощения про­цедуры программирования видеоадаптера, а также для обеспечения совместимости аппаратного и программного обеспечения все наборы команд (подпрограммы) ЦП, реализующие графические функции, помещаются в специальное ПЗУ, расположен­ное на плате видеоадаптера VGA. Эти подпрограммы образуют рас­ширение базовой системы ввода/вывода (BIOS extension) для решения задач вывода изображения на экран монитора и называются Video BIOS.

Video BIOS – это набор подпрограмм, написанных в кодах ко­манд центрального процессора и предназначенных для реализации основных функций видеосистемы. Набор этих функций принято называть видеосервисом. Кроме того, Video BIOS содержит множество данных (констант), необходимых для работы в различных видеорежимах, а также сведения о производителе, модели и возможностях видеоадаптера.

Video BIOS хранится в специальном ПЗУ (ROM), размещенном на плате ви­деоадаптера VGA. При включении компьютера первыми получают управление именно программы Video BIOS и лишь затем про­грамма тестирования оборудования компьютера POST (Power-On Self Test), содер­жащаяся в ROM BIOS.

Видеосервис BIOS реализуется при помощи программного прерывания INT 10h. Прерывание 10h имеет несколько десятков функций управления изображением на экране монитора.

Контроллер ЭЛТ

Контроллер ЭЛТ формирует сигналы горизонтальной и вертикальной синхро­низации, сигналы 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 ячеек видеопамяти, причем цвет пиксела на экране соответствует коду, со­держащемуся в соответствующей ячейке кадрового буфера.

Помимо выполнения указанной основной функции, контроллер ЭЛТ решает ряд дополнительных задач:

· выбор формы курсора в текстовом режиме;

· выбор выводимой на экран активной видеостраницы;

· установка параметров аппаратного подчеркивания символов.

Работа контроллера ЭЛТ синхронизируется сигналами одного из двух такто­вых генераторов (Dot Clock или Pixel Clock), установленных на плате видеоадапте­ра. Выбор синхросигнала производится программно.

По сравнению с другими элементами видеоадаптера, контроллер ЭЛТ имеет наибольшее количество (26) программно управляемых регистров. Доступ центрального процессора к регистрам контроллера ЭЛТ осуществляет­ся через два порта ввода/вывода.

Графический контроллер

Графический контроллер предназначен для управления обменом данными меж­ду центральным процессором и видеопамятью, а также для выполнения элементар­ных преобразований этих данных.

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 бит в пределах байта и др.;

· считывание из кадрового буфера кода пиксела (считывание со сравнением цвета; фактически реализуется поиск пиксела с заданным цветом) и др.

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

Секвенсер

Секвенсер, или указатель последовательности, предназначен для генерации сиг­налов, необходимых для сканирования 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.

Кроме того, секвенсер позволяет выполнять переключения между различны­ми таблицами национальных шрифтов, при этом одновременно могут использо­ваться два шрифта.

Контроллер атрибутов

Контроллер атрибутов видеоадаптера VGA предназначен для управления цве­том выводимого на экран монитора изображения. В текстовом режиме работы видеоадаптера он, на основании содержимого байта атрибутов выводимого сим­вола, задает цвет пикселов в пределах символьной матрицы. Кроме того, в этом режиме контроллер атрибутов позволяет создавать такие эффекты, как мигание, инверсия цвета или повышенная яркость символа. В графи­ческом режиме контроллер атрибутов управляет палитрой – специ­альной таблицей перекодировки. Эта таблица за­дает 16 одновременно отображаемых оттенков цветов из теоретически доступной 256-цветной палитры.

С выхода контроллера атрибутов данные поступают на RAMDAC видеоадаптера.

RAMDAC

RAMDAC (Random Access Memory Digital-to-Analog Converter), специальный цифро-аналоговый преобразователь с собственной RAM-памятью.

Основная задача RAMDAC – преобразование кода цвета пиксела в аналоговый сигнал. RAMDAC включает в себя следующие элементы (рис. 4.3):

· ЦАП;

· регистры цвета (именно эти регистры и образуют опера­тивную память, аббревиатура которой – RAM – входит в название данного устройства);

· выходной регистр цвета, выходы которого соединены с соот­ветствующими входами ЦАП;

· схема адресации.



Рис. 4.3. RAMDAC

Главным элементом RAMDAC является трехканальный ЦАП, количество ка­налов которого равно количеству основных цветов. Работа ЦАП синхронизирует­ся сигналом Dot Clock тактового генератора видеоадаптера (именно этой часто­той фактически определяется верхняя граничная частота спектра видеосигнала). На входы ЦАП подаются коды трех основных цветов (R, G и В). Разрядность ЦАП определяет количество оттенков цветов, которые потенциально может сформировать видео­адаптер VGA, т. е. размер его палитры. Оттенок цвета текущего пиксела опреде­ляется кодом, записанным в выходной регистр цвета.

Регистры цвета ЦАП допускают программное изменение своего содержимого, т. е. ЦП может как считывать, так и записывать в них данные. Благодаря этому прикладная программа может изменять текущую палитру, частично компенсируя ее ограниченность. Для реализации этой возможности используется устройство адресации ЦАП, включающее в себя регистры.

С выхода контроллера атрибутов двоичное число поступает на вход RAMDAC, который воспринимает его как номер одного из 256 регистров цвета. Предварительно это число логически умножается (выполняется операция пораз­рядного “И”) на содержимое регистра маски. Если записать 0 в отдельные разря­ды регистра маски, можно заблокировать доступ к соответствующим регистрам цвета, т. е. исключить из текущей палитры некоторые оттенки цвета. Полученный в итоге номер регистра цвета поступает на схему управления и коммутации, которая перемещает содержимое заданного регистра цвета в выходной регистр цвета, т. е. непосредственно на вхо­ды цифро-аналогового преобразователя, после чего на трех выходах ЦАП форми­руется аналоговый RGB-сигнал.

Такая схема косвенного задания кода цвета пиксела не позволяет увеличить ко­личество одновременно отображаемых цветов даже при увеличении объема видео­памяти. Для расширения текущей палитры в видеоадаптерах SVGA используется прямое кодирование цвета пиксела, в соответствии с которым код цвета пиксела в фор­мате RGB хранится в видеопамяти и загружается непосредственно в выходной регистр цвета. В результате текущая палитра увеличилась до 216 = 65536 оттенков цветов (режим High Color), а с появлением 24-разрядных RAMDAC – до 224= 16,7 млн. (режим True Color). Кроме того, использование прямого кодирования цвета позволило повысить быстродействие ЦАП и видеоадаптера в це­лом, поскольку отпала необходимость в цикле обращения к регистрам цвета ЦАП.

1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

Похожие:

Учебник Фамилия, имя, отчество iconФамилия Имя Отчество Занимаемая

Учебник Фамилия, имя, отчество iconФамилия, имя, отчество члена летного экипажа

Учебник Фамилия, имя, отчество iconФамилия, имя отчество члена летного экипажа

Учебник Фамилия, имя, отчество iconКурс Вакантные места Фамилия, имя и отчество заявителя Основание

Учебник Фамилия, имя, отчество iconРезюме фамилия Имя Отчество
Образование: Высшее: Рудненский индустриальный институт. Специальность: Автоматизация и
Учебник Фамилия, имя, отчество iconОбщеобразовательная школа
Фамилия, имя, отчество контактного лица по вопросам инновационной деятельности в образовательном учреждении
Учебник Фамилия, имя, отчество iconФамилия, имя, отчество
Заместитель начальника корпусно-сварочного цеха ОАО «ссрз имени 111 Интернационала»
Учебник Фамилия, имя, отчество iconФамилия Имя Отчество
Необходимое техническое оборудование: презентация осенних пейзажей,запись "Времен года" Чайковского
Учебник Фамилия, имя, отчество iconАнкета Ваши Фамилия Имя Отчество
Комплекс товарного выращивания осетровых в системе замкнутого водообеспечения (узв)
Учебник Фамилия, имя, отчество iconРезюме Фамилия Имя Отчество
Личными качествами считаю: добросовестность, ответственность, исполнительна, целеустремленная, хорошая работоспособность
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница