Видеоконтроллеры

Видеоконтроллеры (видеоадаптеры) являются внутрисистемными устройствами, преобразующими данные в сигнал, отображаемый монитором, и непосредственно управляющими мониторами и выводом информации на их экран.

Видеоконтроллер содержит:

· графический контроллер,

· растровую оперативную память (видеопамять, хранящую воспроизводимую на экране информацию),

· микросхемы ПЗУ,

· цифро-аналоговый преобразователь.

Контроллер (специализированный процессор) формирует управляющие сигналы для монитора и управляет выводом закодированного изображения из видеопамяти, регенерацией ее содержимого, взаимодействием с центральным процессором. Контроллер с аппаратной поддержкой некоторых функций, позволяющей освободить центральный процессор от выполнения части типовых операций, называется акселератором (ускорителем). Акселераторы эффективны при работе со сложной графикой: многооконным интерфейсом, трехмерной (3D) графикой и т. п.

Основными компонентами специализированного процессора являются:

· SVGA-ядро,

· ядро 2D-ускорителя,

· ядро ЗD-ускорителя,

· видеоядро,

· контроллер памяти,

· интерфейс системной шины,

· интерфейс внешнего порта ввода-вывода.

Аппаратно большая часть этих компонентов реализуется на одном кристалле видеоконтроллера.

2D-ускоритель — устройство, осуществляющее обработку графики в двух ко- ординатах на одной плоскости;

ЗD-ускоритель — устройство, осуществляющее формирование и обработку трехмерных (3D) изображений.

В процессе формирования ЗD-изображения аппаратный ЗD-ускоритель взаимодействует с программным обеспечением.

Сам же процесс имеет несколько этапов:

· определение состояния объектов;

· определение соответствующих текущему состоянию геометрических трехмерных моделей;

· разбиение этих моделей на простые элементы — графические примитивы, в качестве которых чаще используют треугольники (именно на этом этапе подключается аппаратный ЗD-ускоритель);

· преобразование параметров примитивов в целочисленные значения, с которыми работают аппаратные компоненты;

· закраска примитивов и финальная обработка.

Основные аппаратные элементы 3D-ускорителя: геометрический процессор, механизм установки и механизм закраски примитивов.

Характеристиками ускорителей являются максимальная пропускная способность (треугольников в секунду), максимальная производительность закраски (точек в секунду), скорость (кадров в секунду).

Важная характеристика — емкость видеопамяти, она определяет количество хранимых в памяти пикселей и их атрибутов.

Видеоконтроллер должен обеспечить естественное качественное изображение на экране монитора, что возможно при большом числе воспроизводимых цветовых оттенков, высокой разрешающей способности и высокой скорости вывода изображения на экран. Под разрешающей способностью здесь (так же как и для мониторов) понимается то количество выводимых на экран монитора пикселей, которое может обеспечить видеоконтроллер. При разрешении 1024 х 768 на экран должно выводиться 786 432 пикселя, а при разрешении 2048 х 1536 —. 3 145 728 пикселей.

Для каждого пикселя должна храниться и его характеристика — атрибут. Количество воспроизводимых цветовых оттенков (глубина цвета) зависит от числа двоичных разрядов, используемых для представления атрибута каждого пикселя.

Выделение 4 битов информации на пиксель (контроллеры CGA) позволяло отображать 2 4 = 16 цветов, 8 битов (контроллеры EGA и VGA) — 2 8 = 256 цветов, 16 битов (стандарт HighColor), 24 и 25 битов (стандарт TrueColor в контролле- рах SVGA), соответственно, 2 16 = 65 536, 2 24 = 16 777 216 и 2 25 = 33 554 432 цветов.

В стандарте TrueColor в отображении каждого пикселя обычно участвуют 32 бита, из них 24 или 25 нужны для характеристики цветового оттенка, а остальные — для служебной информации.

Необходимую емкость видеопамяти для работы с графикой можно приблизительно сосчитать, умножив количество байтов атрибута на количество пикселей, выводимых на экран. Например, в стандарте TrueColor при разрешающей способности монитора 1024 х 768 пикселов емкость видеопамяти должна быть не менее 2,5 Мбайт, а при разрешении 2048 х 1536 — не менее 9,5 Мбайт.

При работе с текстом необходимая емкость видеопамяти существенно меньше. Скорость вывода изображения на экран зависит от скорости обмена данными видеопамяти со специализированным процессором, цифро-аналоговым преобразователем и, в несколько меньшей степени, с центральным процессором.

Для увеличения скорости обмена данными используются:

· увеличение разрядности и тактовой частоты внутренней шины видеоконтроллера (вплоть до 256 разрядов и 600 МГц);

· новейшие быстродействующие типы оперативной памяти.

В качестве видеопамяти в контроллерах могут применяться различные типы памяти DRAM, как универсальные: SDRAM, DRDRAM, DDR SDRAM, так и особенно быстрые специализированные: SGRAM (синхронная графическая), VRAM и WRAM (двухпортовые типы видеопамяти), 3D RAM (трехмерная) и т. д.

Скорость обмена данными с центральным процессором определяется пропускной способностью шины, через которую осуществляется обмен.

В современных компьютерах вместо шины PCI используется более скоростная шина AGP (в частности AGP 4х).

Поскольку в мониторы необходимо подавать аналоговый видеосигнал, для преобразования цифровых данных, хранимых в видеопамяти, в аналоговую форму, в видеоконтроллере предусмотрен цифро-аналоговый преобразователь RAMDАС. Он отвечает за формирование окончательного изображения на мониторе. RAMDAC преобразует результирующий цифровой поток данных, поступающих от видеопамяти, в уровни интенсивности, подаваемые на соответствующие электронные пушки трубки монитора — красную, зеленую и синюю.

Помимо цифро-аналоговых преобразователей для каждого цветового канала (красного, зеленого, синего), RAMDAC имеет встроенную память для хранения данных о цветовой палитре и т. д. Такие характеристики RAMDAC, как его частота и разрядность, также непосредственно определяют качество изображения. От частоты зависит, какое максимальное разрешение и при какой частоте кадровой развертки монитора сможет поддерживать видеоконтроллер. Разрядность определяет, сколько цветов может поддерживать видеоконтроллер. Наиболее распространено 8-битовое представление характеристики пиксела на каждый цветовой канал монитора (суммарная разрядность 24).

В видеоконтроллере имеются микросхемы ПЗУ двух типов:

Q содержащие видео BIOS — базовую систему ввода-вывода, используемую центральным процессором для первоначального запуска видеоконтроллера;

Q содержащие сменные матрицы знаков, выводимых на экран монитора. Многие видеокарты имеют электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEPROM, Fhsh ROM), допускающие перезапись информации пользователем под управлени- ем специального драйвера, часто поставляемого вместе с видеоадаптером. Таким образом можно обновлять и видео-BIOS, и экранные шрифты.

Основные характеристики видеоконтроллера:

· режимы работы (текстовый и графический);

· воспроизведение цветов (монохромный и цветной);

· число цветов или число полутонов (в монохромном);

· разрешающая способность (число адресуемых на экране монитора пикселей по горизонтали и вертикали);

· емкость и число страниц в буферной памяти (число страниц — это число запоминаемых текстовых экранов, любой из которых путем прямой адресации может быть выведен на отображение в мониторе);

· размер матрицы символа (количество пикселей в строке и столбце матрицы, формирующей символ на экране монитора);

· разрядность шины данных, определяющая скорость обмена данными с системной шиной.

В настоящее время выпускаются и практически используются только видеоконтроллеры типа SVGA. Современные SVGA-видеоконтроллеры поддерживают разрешение до 2048 х 1536, число цветовых оттенков более 16,7 млн (наиболее «продвинутые» 32-разрядные — более 33 млн), имеют емкость видеобуфера до 64 Мбайт. Видеоконтроллер устанавливается на материнской плате, как видеокарта — в свободный разъем AGP или PCI. Некоторые видеокарты имеют вход для подключения телевизионной антенны (TV in) и тюнер, то есть позволяют через ПК просматривать телепередачи, видеофильмы с видеомагнитофона и видеокамеры; ряд видеокарт имеют разъем для подключения телевизора (TV out) для про- смотра видео.