Общая организация видеосистемы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА АО-4

ОБЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВИДЕОСИСТЕМЫ

Цель занятия

Освоение принципов создания и вывода изображения в ПЭВМ, изучение принципов построения компонентов видеосистемы.

Краткие теоретические сведения

Общая организация видеосистемы

Видеосистема IBM PC ориентирована на растровый метод вывода изображения. Растровый метод подразумевает, что некий рисующий инструмент, способный оставлять видимый след, сканирует всю поверхность, на которую выводится изображение. Траектория движения инструмента постоянна и не зависит от выводимого изображения, но инструмент может рисовать, а может и не рисовать отдельные точки траектории. Видимым изображением являются оставленные им точки. В случае видеомонитора инструментом является модулированный луч (или три луча базисных цветов), построчно сканирующих экран и вызывающий свечение люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность экрана. Каждая строка растра разбивается на некоторое количество точек – пикселов (англ. «picture element» – элемент изображения), засветкой каждой из которых по отдельности может управлять устройство, формирующее изображение. Видеомонитор является растровым устройством вывода динамически изменяемых изображений. Его луч сканирует экран с частотой, которая не должна позволять глазу видеть мерцание изображения.

Альтернатива растровым устройствам – векторные устройства вывода изображений. В этих устройствах инструмент прорисовывает только изображаемые фигуры и его траектория определяется выводимым изображением. Изображение состоит из графических примитивов, которыми могут быть отрезки прямых, векторы, дуги, окружности. Ввиду сложности построения системы управления лучом, векторные мониторы не получили широкого распространения.

Рассмотрим растровую систему вывода изображений.

Кадровая частота развертки должна быть более 40 Гц. Частотные параметры видеосистемы определяются исходя из желаемой частоты кадров, разрешения экрана и режима развертки.

Частота строчной развертки при разрешении K строк на N точек

, Гц.

Для режима 1024х768, 60 Гц =46,08 кГц. При разрешении 600 строк на 800 точек и кадровой развертке 60 Гц =36 кГц. Этой частоте соответствует период менее 30 мкс, из которого на прямой ход по строке остается около 25 мкс. За это время необходимо вывести 800 точек строки, так что на каждую точку отводится 25 мкс/800=0,03 мкс, что соответствует частоте вывода точек в 30 МГц. Поскольку соседние точки выводимого изображения в принципе друг с другом не связаны, то полоса частот сигнала, модулирующего интенсивность луча, должна быть несколько выше этого значения. Такую широкую полосу должен обеспечить весь видеотракт и такой широкополосный сигнал должен формировать графический адаптер.

Наиболее распространенный режим работы современных мониторов – графический, при котором имеется возможность индивидуального управления свечением каждой точки экрана независимо от состояния остальных. В этом режиме каждой точке экрана – пикселу – соответствует ячейка специальной памяти, которая сканируется схемами адаптера синхронно с движением луча монитора. Эта постоянно сканируемая (с кадровой частотой) память называется видеопамятью (Video RAM). Процесс постоянного сканирования видеопамяти называется регенерацией изображения.

Количество бит видеопамяти, отводимое на каждый пиксел, определяет возможное число его состояний – цветов, градаций яркости или иных атрибутов. В графическом режиме современных видеосистем (VGA, SVGA) для определения градаций цветности используют 24-х или 32-разрядное представление данных о пикселе. В базисных цветах (RGB) это представление имеет следующую форму (младший бит – справа):

24 бит/пиксел: RRRRRRRR GGGGGGGG BBBBBBBB (8-8-8);

32 бит/пиксел: UUUUUUUU RRRRRRRR GGGGGGGG BBBBBBBB (8-8-8), U – биты, не используемые при формировании цвета.

Объем видеопамяти (в битах), требуемый для сохранения образа экрана, определяется как произведение количества пикселов в строке на количество строк и на количество бит на пиксел. Так, для режима 800х600х256 цветов – 480000 байт или около 469 Кбайт. Если физический объем видеопамяти превышает необходимый для отображения матрицы всего экрана, видеопамять можно разбить на страницы. Страница – это область видеопамяти, в которой умещается образ целого экрана. При многостраничной организации видеопамяти только одна из них может быть активной – отображаемой на экран.

2.1.1. Дисплей

Самым главным устройством вывода визуальной информации в ПЭВМ является дисплей (англ. «display» – устройство отображения). Наибольшее распространение получили дисплеи на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) и жидкокристаллических матрицах (ЖК), которым и уделим здесь основное внимание.

ЭЛТ по-английски сокращенно называется CRT (англ. «Cathode Ray Tube» – катодно-лучевая трубка. Монитор содержит ЭЛТ с видеоусилителями сигналов яркости лучей, генераторы разверток, блок питания и схемы управления этими узлами.

Главным параметром монитора является размер диагонали экрана, измеряемый в дюймах. По умолчанию считается, что ширина экрана больше его высоты и соотношение этих размеров составляет 4:3. Такую ориентацию принято называть пейзажной (англ. «Landscape»). Диагональ экрана может составлять 14, 15, 17, 19, 21, 24 дюйма.

Для цветных мониторов важным параметром является размер зерна экрана. Экран ЭЛТ покрывается отдельными зернами-триадами. Каждое зерно состоит из трех крупиц люминофора, которые при попадании на них потока электронов светятся базисными цветами. Крупицы триад имеют строго фиксированное относительное расположение, и сами триады наносятся на внутреннюю поверхность экрана в виде равномерной матрицы. Крупицы каждого цвета «обстреливаются» из отдельной электронной пушки через теневую маску с отверстиями, соответствующим зернам матрицы. Точность попадания лучей именно в свои крупицы обеспечивается тщательностью изготовления кинескопа и настройкой системы сведения лучей. Шаг матрицы зерен экрана принято измерять в миллиметрах. В первом приближении можно считать, что он совпадает и с размером зерна. Существуют мониторы с зернистостью 0,42, 0,39, 0,31, 0,28, 0,26 мм и менее.

На реальную разрешающую способность влияет и полоса пропускания видеотракта. Ее связь с выбранным видеорежимом и параметрами развертки показана выше. Так, для прогрессивной (т.е. построчной) развертки с частотой кадров 75 Гц для режима 800х600 требуется полоса 45 МГц, для 1024х768 – 75 МГц, а для 1280х1024 – 125 МГц. Связь требуемой полосы частот с размером экрана вполне очевидна – чем большего от него требуют разрешения. Так, по самым жестким меркам, высококачественный монитор 14" должен иметь полосу 65 МГц, 15" – 100 МГц, а 17" – более 135 МГц.

Однако, дисплеи на ЭЛТ имеют два принципиально неустранимых недостатка – большие габариты (объем) и потребляемую мощность. Этого недостатка лишены плоские дисплеи на жидкокристаллических панелях (англ. «Liquid Crystal Display» – LCD – ЖК-дисплей), принцип действия которых основан на изменении оптической поляризации отраженного или проходящего света под действием электрического поля. Слой жидкокристаллического вещества расположен между двумя стеклами с поляризационными решетками. ЖК-вещество способно менять направление поляризации проходящего света в зависимости от состояния молекул.

Современные TFT LCD – дисплеи представляют собой конструкцию из двух стекол, между которыми расположены слои ЖК-вещества и матрица тонкопленочных транзисторов (англ. «Thin Film Transistor» – TFT). На переднем и заднем стеклах нанесены поляризационные решетки со взаимно перпендикулярным направлением поляризации. ЖК-прослойка при отсутствии электрического поля поворачивает угол поляризации проходящего света на 90º, благодаря чему конструкция становится прозрачной для проходящих лучей. Под действием электрического поля от напряжения, подаваемого транзистором каждой ячейки матрицы, угол поворота поляризации может быть уменьшен до нуля. Чем больше приложенное напряжение, тем меньше угол поворота и тем менее прозрачной будет ячейка. Инерционность ячеек современной активной матрицы в среднем составляет 12 мс.

В цветных дисплеях пиксел состоит из трех ячеек, каждая из которых снабжена своим светофильтром (красным, зеленым или синим). Управляя тремя транзисторами пиксела, можно изменять его цвет и яркость, что, собственно, и требуется от дисплея. Разрешающая способность у ЖК-мониторов пока ниже – только 6 бит на каждый цветовой канал, так что 24- и 32-разрядный режим цветности они могут только эмулировать.

В ЖК-дисплеях управление осуществляется всеми ячейками одной строки одновременно (а не последовательно, как пробегает луч ЭЛТ). Это позволяет увеличить время, в течение которого производится управление ячейкой. Для повышения контрастности часто применяют двойное сканирование: экран разбивается на две части, в которых сканирование происходит одновременно. Таким образом, время управления ячейкой удваивается.

В любом виде аналоговые сигналы RGB от VGA-интерфейса непосредственно использоваться для управления матрицей не могут. В ЖК-дисплеях эти сигналы оцифровываются, полученные значения (для каждого пиксела) сохраняются в буферной памяти и оттуда уже построчно выводятся на матрицу. К сожалению, в VGA-интерфейсе нет сигнала синхронизации пикселов, так что дисплею приходится формировать стробы для отсчетов пикселов самостоятельно, привязывая их к импульсам строчной синхронизации. При этом, естественно, появляется дополнительная погрешность (апертурная) оцифровки сигнала и, следовательно, качество изображения ухудшается.

Матричная организация располагает к применению цифрового интерфейса связи с графическим адаптером. Однако большинство плоских дисплеев имеет обычный аналоговый интерфейс, совместимый с любым (S)VGA-адаптером. Более дорогие модели снабжаются цифровым интерфейсом DVI.

К преимуществам ЖК-дисплеев относятся высокая яркость изображения, отсутствие геометрических искажений, четкая фокусировка, отсутствие мерцания экрана (из-за инерционности ячеек), малое энергопотребление (25 – 40 Вт) и тепловыделение, малые массогабариты. Вместе с тем, TFT-дисплеи имеют ряд недостатков, обусловленных их природой: низкая контрастность изображения, зависимость качества изображения от угла наблюдения, инерционность ячеек, невозможность смены изображения (кроме как малопривлекательной интерполяцией), возможность отказа ячеек, относительно высокая цена.

2.1.2. Дисплейные адаптеры

Дисплейный адаптер – блок компьютера, к которому подключается дисплей. В обязательный круг задач этого адаптера входит формирование изображения на экране под управлением программы компьютера, на современных мониторах выполняемых в графическом режиме отображения (рис. 6).

В задачу контроллера видео входит согласование сигналов сканирования видеопамяти и сигналов вертикальной и горизонтальной синхронизации монитора. Контроллер видео должен обеспечивать требуемые частоты регенерации экрана и режимы сканирования видеопамяти.

Видеопамять – специальная область памяти, из которой контроллер видео организует циклическое чтение содержимого для регенерации изображения. Традиционно для видеопамяти в карте распределения памяти IBM PC была выделена область адресов A0000h–BFFFFh, непосредственно доступная любому процессору х86. Адаптеры EGA эти 128 Кбайт использовали уже полностью, а для дальнейшего увеличения объема, потребовавшегося адаптерам VGA и SVGA, пришлось применять технику переключения банков. Эта вынужденная мера осложняет программное формирование изображения, которое в режимах высокого разрешения с большим количеством цветов уже не умещается в один банк. Современные графические адаптеры имеют возможность переадресации видеопамяти в область старших адресов (выше границы 16 Мбайт), что позволяет в защищенном режиме процессоров старше 80386 работать с цельными образами экранов.

Рисунок 6. Функциональная схема графического адаптера

Необходимый объем видеопамяти определяется желаемым графическим режимом (табл. 3).

Таблица 3. Разрешение и требуемый объем видеопамяти

бит/пиксел	кол-во цветов	640х480	800х600	1024х768	1280х1024
		150 Кбайт	234 Кбайт	384 Кбайт	640 Кбайт
		300 Кбайт	469 Кбайт	768 Кбайт	1,25 Мбайт
		600 Кбайт	938 Кбайт	1,5 Мбайт	2,5 Мбайт
		900 Кбайт	1,37 Мбайт	2,25 Мбайт	3,75 Мбайт
		1,17 Мбайт	1,83 Мбайт	3,0 Мбайт	5,0 Мбайт

Современные адаптеры позволяют организовать многостраничный режим с переключением буферов, что иногда полезно для вывода динамических изображений.

Контроллер атрибутов управляет трактовкой цветовой информации, хранящейся в видеопамяти. Он позволяет увязать объем хранимой цветовой информации с возможностями монитора.

Графический контроллер является средством повышения производительности программного построения изображений, точнее, их образов, в видеопамяти.

Внутренняя шина адаптера предназначена для высокопроизводительного обмена данными между видеопамятью, графическим акселератором и внешним интерфейсом. Типовая разрядность канала данных у этой шины составляет 32, 64, не редкость 128 и 256-разрядные шины.

Блок внешнего интерфейса связывает адаптер с внутренней шиной (AGP, PCI Express) ПЭВМ.

Блок интерфейса монитора выходные сигналы соответствующего типа (RGB-Analog, DVI).

2.1.3. Интерфейсы мониторов и видеосистем

Интерфейс RGB-Analog с аналоговой передачей сигналов яркости базисных цветов позволяет передавать формально неограниченное число оттенков. Сигналы базисных цветов в современных адаптерах формируются 8-разрядными цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП), что позволяет выводить 16,7 миллионов цветов (True Color). Для снижения перекрестных помех эти сигналы передаются по витым парам с собственными линиями обратной связи (Return). Черному цвету соответствует нулевой потенциал на линиях всех цветов, полной яркости каждого цвета соответствует уровень +0,7 В. Сигналы управления, состояния и синхронизации передаются логическими уровнями ТТЛ. Обычно для горизонтальной и вертикальной синхронизации используются отдельные сигналы H_Sync и V_Sync. Для физического подключения мониторов и адаптеров VGA и SVGA используется разъем DB-15. Назначение его контактов приведено в табл. 4.

Для простейшей параллельной идентификации монитора в интерфейс ввели четыре логических сигнала ID0-ID3, по которым адаптер мог определить тип подключаемого монитора. Параллельную идентификацию мониторов заменила последовательная идентификация по каналу цифрового интерфейса VESA DDC (англ. «Display Data Channel»). Этот канал построен на интерфейсе I²C, который требует всего двух ТТЛ-сигналов – SCL и SDA.

Однако, аналоговый канал передачи видеосигналов становится узким местом видеосистемы. Повысить качество изображения можно, перенеся процедуру цифроаналогового преобразования сигналов цветности в монитор, прямо на плату видеоусилителей.

Таблица 4. Аналоговый интерфейс монитора VGA (RGB Analog)

Контакт DB-15	Видеоадаптер	Монитор
VGA/SVGA/XGA	Color
	Red	Red
	Green	Green
	Blue	Blue
	ID2	-
	GND/DDC Return	Self Test/DDC Return
	Red Return	Red Return
	Green Return	Green Return
	Blue Return	Blue Return
	нет контакта	-
	GND (Sync Return)	GND (Sync Return)
	ID0	GND
	ID1/SDA	GND/SDA
	H_Sync	H_Sync
	V_Sync	V_Sync
	ID3/SCL	ID3/SCL

Интерфейс DVI (англ. «Digital Visual Interface») разработан в 1999 году и предназначен для подключения дисплеев любого типа (ЭЛТ и матричных) к компьютеру, причем возможны два варианта коннекторов интерфейса: чисто цифровой и цифровой с традиционными аналоговыми сигналами. В интерфейсе может использоваться от 4 до 7 линий TMDS (дифференциальных каналов с минимизацией переходов: англ. «Transition Minimized Differential Signaling»). Каждый канал образован кодером, расположенном на видеокарте, линией связи и декодером, расположенном на дисплее. На вход кодера каждого канала поступают 8 бит кода яркости базисного цвета текущего пиксела. Кроме того, на вход канала 0 кодера поступают сигналы строчной и кадровой синхронизации, а на отсальные каналы – дополнительные управляющие сигналы CTL [0:3], по паре на каждый канал. Кодеры преобразуют данные в последовательный код, для минимизации переключений 8 входных бит кодируются 10-битным символом, передаваемым по каналу последовательно. В зависимости от входного сигнала разрешения данных DE кодеры передают либо данные цветовых каналов, либо синхросигналы и управляющие биты (рис. 7).

Минимальный вариант DVI позволяет передавать сигналы при частоте пикселов до 165 МГц (по трем каналам данных). Помимо сигналов TMDS, в интерфейс DVI входят сигналы VESA DDC, а также линия питания +5 В, по которой от видеокарты питаются цепи DDC, позволяя обмениваться конфигурационной информацией даже с выключенным монитором.

Рисунок 7. Схема цифрового интерфейса

Вопросы для подготовки

1. Приведите структурную схему типового дисплейного адаптера. Какова может быть разрядность внешней и внутренней шин этого узла ПЭВМ?

2. Какова и чем отличается система команд графического процессора от системы команд центрального процессора ПЭВМ?

3. Каковы принципы организации видеопамяти?

4. С какой целью предпочтительно иметь значительный объем видеопамяти, используемой при прорисовке экрана?

5. В каких режимах может функционировать графическая шина по отношению к памяти видеоадаптера и системного ОЗУ?

6. Укажите формат представления сигнала цветности в цифровой форме, при использовании 16 бит/пиксел, 24 бит/пиксел, 32 бит/пиксел.

7. Каковы рекомендации к выбору режима работы дисплейного адаптера в части соответствия характеристике полосы пропускания RAMDAC?

8. Опишите современные типы интерфейсов подключения видеоадаптеров и мониторов.

9. Проведите сравнительный анализ мониторов CRT и LCD. Определите достоинства и недостатки тех и других.