Московский Государственный Университет
имени Н.Э. Баумана
Домашнее
задание
по курсу
«Системы
отображения информации»
на тему
«Видеопамять графических адаптеров»
Бумага формата А4
(вид носителя)
24
(количество листов)
|
Преподаватель: |
_____________________ |
|
|
"__"_____________2007 г. |
|
Выполнил: |
|
|
|
_____________________ |
|
|
"__"_____________2007 г. |
Москва,
СОДЕРЖАНИЕ:
1.Организация РАБОТЫ С ВИДЕОПАМЯТЬЮ……..………..……………………………....3
2. Видеопамять различных типов графических адаптеров…………………9
2.1. EGA и VGA видеоадаптеры………………………………………………………..9
2.2.SVGA видеоадаптеры……………………………………………………………….13
3.Технологии видеопамяти……………………………………………………………......17
4.ВЫВОДЫ…………………………………………………………………………………………......21
5.Литература…………………………………...…………………………………………………...22
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Глоссарий…….………...…………………………………………….……...23
1.
Организация видеопамяти и её использование
В графическом режиме имеется
возможность индивидуального управления свечением каждой точки экрана монитора
независимо от состояния остальных. Этот режим обозначают как APA (All Points
Addressable - все точки адресуемы). В графическом режиме каждой точке экрана
пикселу соответствует ячейка специальной памяти, которая сканируется схемами
адаптера синхронно с движением луча монитора. Эта постоянно циклически
сканируемая (с кадровой частотой) память называется видеопамятью (Video
Memory), или VRAM (Video RAM). Последнее сокращение можно спутать с названием
специализированных микросхем динамической памяти, оптимизированной именно под
данное применение.
Рис.1 Карта
видеоадаптера
Процесс постоянного сканирования
видеопамяти называется регенерацией
изображения, и, к счастью, этого же сканирования оказывается достаточным для
регенерации информации микросхемам динамической памяти, применяемой в этом
узле. Для программно-управляемого построения изображений к видеопамяти также
должен обеспечиваться доступ и со стороны системной магистрали компьютера,
причем как по записи, так и по чтению. Количество бит видеопамяти, отводимое на
каждый пиксел, определяет возможное число состояний пиксела цветов, градаций
яркости или иных атрибутов (например, мерцание). Так при одном бите на пиксел
возможно лишь два состояния: светится или не светится. При двух битах на пиксел
можно было иметь одновременно четыре цвета на экране. Четыре бита на пиксел (16
цветов), обеспечиваемые адаптером EGA, были достаточны для многих графических
приложений (например, графика в САПРах). Пределом мечтаний в свое время было
256 цветов (8 бит на пиксел), как у адаптера VGA. Сейчас остановились на
режимах High Color (15 бит - 32768 цветов или 16 бит - 65536 цветов), а для
профессионалов - True Color - "верный цвет" (24 бит - 16.7 млн.
цветов), реализуемых современными адаптерами и мониторами SVGA. 15 и 24 биты
распределяются между базисными цветами R:G:B поровну (5:5:5 и 8:8:8), 16 бит с
учетом особенностей цветовосприятия неравномерно (5:6:5 или 6:6:4).
Логически видеопамять может быть
организована по-разному, в зависимости от количества бит на пиксел, но в любом
случае имеет место отображение матрицы пикселов экрана на биты видеопамяти Bit
Mapping. Растровый формат хранения изображений, при котором биты так или иначе
отображают пикселы, называется битовой
картой (Bit-Map). С точки зрения плотности хранения графической информации
этот формат не самый эффективный, но в видеопамяти растрового дисплея из-за
напряженности со временем при регенерации изображения иной формат неприемлем.
Объем видеопамяти (в битах), требуемый для хранения образа экрана, определяется
как произведение количества пикселов в строке на количество строк и на
количество бит на пиксел. Так для режима 800 x 600 x 256 цветов требуется
480000 бит или около 469 Кб, а для режима 1024 x 768 True Color - 2.25 Мб. Если
физический объем видеопамяти превышает необходимый для отображения матрицы
всего экрана, видеопамять можно разбить на страницы области видеопамяти, в
которых умещаются образы целого экрана.
Формирование битовой карты изображения в видеопамяти
графического адаптера производится под управлением программы, исполняемой
центральным процессором. Сама по себе задача формирования процессору вполне по
силам, но при ее решении требуется пересылка большого объема информации в
видеопамять, а для многих построений еще и чтение видеопамяти со стороны
процессора. Видеопамять большую часть времени занята выдачей информации схемам
регенерации изображения в довольно напряженном темпе. От этого процесса она
свободна только во время обратного хода луча по строке и кадру, но это меньшая
часть времени. Если обращение к активной странице видеопамяти со стороны
процессора происходит во время прямого хода, и быстродействия схем адаптера
недостаточно для того, чтобы это обращение вписалось между соседними выборками
процесса регенерации, на экране появится штрих от несчитанной информации
пикселов. Если такое обращение происходит часто, на экране появляется
"снег", что неприятно. Дожидаться обратного хода по строке или кадру
накладно: строчный период коротких (несколько микросекунд) интервалов обратного
хода имеет порядок 25 мкс, а кадровый период длинного (миллисекунды) обратного
хода имеет порядок 20 мс, в то время как цикл обращения процессора к обычной
памяти не превышает сотен (а у современных компьютеров десятков) наносекунд.
Так что канал связи процессора с видеопамятью представляет собой узкое
горлышко, через которое пытаются протолкнуть немалый поток данных. Причем чем
более высокое разрешение экрана и чем больше цветов (бит на пиксел), тем этот
поток должен быть интенсивнее. Конечно, при выводе статической картинки это
вроде и не страшно, но "оживить" изображение оказывается
проблематично.
Выходов из этого затруднения имеется несколько.
Во-первых, повышают быстродействие видеопамяти. Во-вторых, расширяют
разрядность шин графического адаптера, причем как внутренней (шины
видеопамяти), так и интерфейсной, и применяют высокопроизводительные шины
(локальную VLB, PCI или AGP). Расширение разрядности позволяет за один цикл
обращения передать большее количество бит данных и повысить производительность.
Однако если у адаптера, к примеру, VGA, разрядность интерфейсной шины 16 бит, а
установлен минимальный объем памяти, при котором используется только 8 бит, то
эффективная разрядность интерфейса окажется всего 8 бит. Этим объясняется не
совсем очевидный факт, что производительность графического адаптера зависит от
объема установленной видеопамяти. В-третьих, повысить скорость видеопостроений
можно применением кэширования видеопамяти или теневой видеопамяти, что, по
сути, почти одно и то же. В этом случае при записи в область видеопамяти данные
будут записаны как в видеопамять, так и в ОЗУ (или даже в кэш), а при
считывании из этой области обращение будет только к быстродействующему ОЗУ. И,
в-четвертых, можно принципиально сократить объем информации, передаваемой
графическому адаптеру, но для этого графический адаптер должен быть наделен
"интеллектом". В современных компьютерах используются все эти
решения.
Под интеллектом графического адаптера подразумевается наличие на его
плате собственного процессора, способного формировать растровое изображение в
видеопамяти (bit-map) по командам, полученным от центрального процессора.
Команды ориентируются на наиболее часто используемые методы описания
изображений, которые строятся из отдельных графических элементов более высокого
уровня, чем пикселы.
Команды рисования (Drawing
Commands) обеспечивают построение графических примитивов точки, отрезка прямой,
прямоугольника, дуги, эллипса. Примитивы такого типа в командах описываются в
векторном виде, что гораздо компактнее, чем их растровый образ. Таким образом,
удается значительно сократить объем передаваемой графической информации за счет
применения более эффективного способа описания изображений.
К командам рисования относится и
заливка замкнутого контура, заданного в растровом виде, некоторым цветом или
узором (pattern). Она ускоряется особенно эффективно: при программной
реализации процессор должен просмотреть содержимое видеопамяти вокруг заданной
точки, двигаясь по всем направлениям до обнаружения границы контура и изменяя
цвет пикселов на своем пути. При этом требуется чтение большого объема данных
видеопамяти, их анализ и запись модифицированных данных обратно в видеопамять.
Процессор интеллектуального адаптера способен выполнить эту операцию быстро и
не выходя с этим потоком данных на внешнюю магистраль. Копирование блока с
одного места экрана на другое применяется для "прокрутки" изображения
экрана в разных направлениях. Эта команда сводится к пересылке блока бит BitBlT
(Bit Block Transferring), и эта операция интеллектуальным адаптером может быть
сильно ускорена. Для формирования курсора на графическом экране применяют
команды работы со спрайтами. Спрайт
(Sprite) - небольшой прямоугольный фрагмент изображения, который может
перемещаться по экрану как единое целое. Перед использованием его
программируют, определяют размер и его растровое изображение, после чего он
может перемещаться по экрану, для чего достаточно только указывать его
координаты. Аппаратная поддержка окон (Hardware Windowing) упрощает и ускоряет
работу с экраном в многозадачных (многооконных) системах. На традиционном
графическом адаптере при наличии нескольких, возможно перекрывающих друг друга
окон программе приходится отслеживать координаты обрабатываемых точек с тем,
чтобы не выйти за пределы своего окна. Аппаратная поддержка окон упрощает вывод
изображений: каждой задаче выделяется свое окно - область видеопамяти
требуемого размера, в котором она работает монопольно.
Взаимное расположение окон
сообщается интеллектуальному адаптеру, и он для регенерации изображения
синхронно с движением луча по растру сканирует видеопамять не линейно, а
перескакивая с области памяти одного окна на другое. Если объем видеопамяти
превышает необходимый для данного формата экрана и глубины цветов, то в ней
можно строить изображение, превышающее по размеру отображаемую часть.
Интеллектуальному адаптеру можно поручить панорамирование (Panning) и
отображение заданной области. При этом горизонтальная и вертикальная прокрутка
изображения не потребует операций блочных пересылок (конечно, в пределах
сформированного большого изображения) и для перемещения достаточно лишь
изменить указатель положения.
Вышеописанные функции
интеллектуального адаптера относятся к двумерной графике (2D). Современные
графические адаптеры берут на себя и многие функции построения трехмерных
изображений. Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что трехмерное
изображение должно состоять из ряда поверхностей различной формы. Эти
поверхности "собираются" из отдельных элементов, чаще треугольников,
каждый из которых имеет трехмерные координаты вершин и описание поверхности
(цвет, узор). Перемещение объектов (или наблюдателя) приводит к необходимости
пересчета всех координат. Для создания реалистичных изображений учитывается
перспектива пространственная и атмосферная (дымка или туман), освещенность
поверхностей и отражение света от них, прозрачность и многие факторы. Конечно,
для построения сложных изображений графическому адаптеру будет явно тесно в
ограниченном объеме видеопамяти. Для обеспечения доступа к основной памяти
компьютера он должен иметь возможность управления шиной (bus mastering).
Специально для таких адаптеров в 1996 г. появился новый канал связи с памятью AGP
(Accelerated Graphic Port).
Ускорение построений в
интеллектуальном адаптере обеспечивается несколькими факторами. Во-первых, это
сокращение объема передачи по магистрали. Во-вторых, во время работы процессора
адаптера центральный процессор свободен, что ускоряет работу программ даже в
однозадачном режиме. В-третьих, процессор адаптера, в отличие от процессора с
самой сложной в мире системой команд представителя семейства x86, ориентирован
на выполнение меньшего количества инструкций, а потому способен выполнять их
гораздо быстрее центрального. И, в-четвертых, скорость обмена данных внутри
адаптера может повышаться за счет лучшего согласования обращений к видеопамяти
для операций построения с процессом регенерации изображения, а также за счет
расширения разрядности внутренней шины данных адаптера. В современных
графических адаптерах широко применяется видеопамять DDR и DDR2, а
разрядность внутренней шины 256 бит (при 32-битной внешней шины) считается
нормой. На подходе и адаптеры со 512-разрядной внутренней шиной. Правда, и
здесь полная разрядность шины (но уже внутренней) может и не использоваться при
малом объеме установленной видеопамяти.
Итак, мы рассмотрели варианты
организации видеопамяти и кратко обсудили способы формирования в ней битовой
карты изображения. При регенерации на выходе видеопамяти (или сдвиговых
регистров) имеется некоторое количество бит, отвечающих за раскраску текущего
выводимого пиксела. Количеством этих бит N определяется максимальное число
цветов, присутствующих на экране C=2N. Однако трактовать эти биты можно
по-разному. При одном бите на пиксел и монохромном мониторе трактовка в
принципе однозначна (светится - не светится), хотя были мониторы, допускающие
реверс изображения. При двух битах на точку возможности цветного монитора, у
которого можно управлять тремя цветами, используются ограниченно: монитор
обеспечивает по крайней мере 8 цветов, а адаптер может выдать только 4. Для
смягчения этого дисбаланса применили так называемую технику палитр (Pallette).
Ее суть заключается в том, что биты одного пиксела, поступающие с видеопамяти,
перед выходом в интерфейс монитора проходят через некоторый управляемый
преобразователь. Выход этого преобразователя имеет разрядность, поддерживаемую
интерфейсом монитора, и биты видеопамяти задают номер цвета в выбранной палитре
цветов. Переключив палитру (или перепрограммировав ее набор цветов), можно
получить другую гамму цветов на экране, но опять-таки одновременно будет
присутствовать не более 2N цветов [3].
На производительность
графической подсистемы влияют несколько факторов:
·
скорость
центрального процессора (CPU)
·
скорость
интерфейсной шины (PCI или AGP)
·
скорость
видеопамяти
·
скорость
графического контроллера
Графический контроллер
производит обработку графических функций, требующих интенсивных вычислений, в
результате разгружается центральный процессор системы. Отсюда следует, что
графический контроллер должен оперировать своей собственной, можно даже сказать
частной, местной памятью. Тип памяти, в которой хранятся графические данные,
называется буфер кадра (frame buffer). В системах, ориентированных на обработку
3D-приложений, требуется еще и наличие специальной памяти, называемой z-буфер
(z-buffer), в котором хранится информация о глубине изображаемой сцены. Также,
в некоторых системах может иметься собственная память текстур (texture memory),
т.е. память для хранения элементов, из которых формируются поверхности объекта.
Наличие текстурных карт ключевым образом влияет на реалистичность изображения
трехмерных сцен.
Появление насыщенных мультимедиа
и видеорядом приложений, так же, как и увеличение тактовой частоты современных
центральных процессоров, сделало невозможным и дальше использовать стандартную
динамическую память со случайным доступом (DRAM). Современные мультимедиа
контроллеры требуют от основной системной памяти большей пропускной способности
и меньшего времени доступа, чем когда-либо ранее до этого. Идя навстречу новым
требованиям, производители предлагают новые типы памяти, разработанные с
помощью обычных и революционных методов. Впечатляющие усовершенствования делают
проблему правильного выбора типа памяти для приложения особенно актуальной и
сложной [1].
2.
Видеопамять различных типов графических адаптеров
2.1.
EGA и VGA адаптеры
Видеоадаптеры EGA и VGA условно
делятся на шесть логических блоков, описание которых приведены ниже:
1) Видеопамять.
В видеопамяти размещаются данные,
отображаемые адаптером на экране дисплея. Для EGA и VGA видеопамять обычно
имеет объем 256 Кбайт, на некоторых моделях SVGA и XGA объем видеопамяти может
быть увеличен до 2Мбайт. Видеоадаптеры SVGA оснащаются значительно большим
объемом видеопамяти. В них может быть
установлено больше 4 Мбайт памяти. Видеопамять находится в адресном
пространстве процессора и программы могут непосредственно производить с ней
обмен данными.
2) Графический контроллер.
Посредством его происходит обмен
данными между центральным процессором и видеопамятью. Аппаратура графического
контроллера позволяет производить над данными, поступающими в видеопамять и
расположенными в регистрах-защелках простейшие логические операции.
От контроллера требуется
наибольшая производительность. Фраза требуется производительность означает, что
некоторые вещи происходят настолько быстро, насколько это обеспечивается
пропускной способностью. Пропускная способность обычно измеряется в мегабайтах
в секунду и показывает скорость, с которой происходит обмен данными между
видеопамятью и графическим контроллером.
3) Последовательный преобразователь.
Выбирает из видеопамяти один или
несколько байт, преобразует их в поток битов, затем передает их контроллеру
атрибутов.
4) Контроллер ЭЛТ.
Генерирует временные
синхросигналы, управляющие ЭЛТ.
5) Контроллер атрибутов.
Преобразует информацию о цветах
из формата. в котором она хранится в видеопамяти, в формат, необходимый для
ЭЛТ. Преобразование цветов осуществляется в соответствии с таблицей цветовой
палитры (Color Look-up Table). Модифицируя таблицу цветовой палитры, можно
выбрать 16 цветов, поддерживаемых видеоадаптером EGA из 64 цветов, которые
может отображать цветной улучшенный монитор.
6) Синхронизатор.
Управляет всеми временными
параметрами видеоадаптера. Синхронизатор также управляет доступом процессора к
цветовым слоям видеоадаптера.
На рис. 2 представлена блок схема видеоадаптеров EGA и VGA, в которой
отображены связи между их основными логическими блоками.
Рис.2 Блок-схема видеоадаптеров EGA/VGA
Видеопамять адаптеров EGA и VGA
разделена на четыре банка, или на четыре цветовых слоя. Эти банки размещаются в
одном адресном пространстве таким образом, что по каждому адресу расположено
четыре байта (по одному байту в каждом банке). Какой из банков памяти
используется для записи или чтения данных процессором, определяется при помощи
установки нескольких регистров адаптера. Так как все четыре банка находятся в
одном адресном пространстве, то процессор может производить запись во все
четыре банка за один цикл записи. Благодаря этому некоторые операции, например,
заполнение экрана, происходят с большей скоростью. В том случае, когда запись
во все четыре банка не требуется, можно разрешать или запрещать запись во все
четыре банка при помощи регистра разрешения записи цветового слоя. Для операции
чтения в каждый момент времени может быть разрешен с помощью регистра выбора
читаемого цветового слоя только один цветовой слой. В большинстве режимов
видеоадаптера видеопамять разделена на несколько страниц. При этом одна из них
является активной и отображается на экране. При помощи функций BIOS или
программирования регистров видеоадаптера можно переключать активные страницы
видеопамяти. Вывод информации может производиться как в активные, так и в неактивные
страницы видеопамяти.
В текстовых режимах на экране
могут отображаться только текстовые символы. Стандартные текстовые режимы
позволяют выводить на экран 25 строк по 40 или 80 символов. Для кодирования
каждого знакоместа экрана используется два байта: первый из них содержит ASCII
код отображаемого символа, второй - атрибуты символа. ASCII коды символов
экрана располагаются в нулевом цветовом слое, а их атрибуты - в первом цветовом
слое. Атрибуты определяют цвет символа и цвет фона. Благодаря такому режиму
хранения информации достигается значительная экономия памяти. При отображении
символа на экране происходит преобразование его из формата ASCII в двумерный
массив пикселов, выводимых на экран. Для этого преобразования используется
таблица трансляции символов (таблица знакогенератора). Таблица знакогенератора
хранится во втором слое видеопамяти. При непосредственном доступе к видеопамяти
нулевой и первый цветовые слои отображаются на общее адресное пространство с
чередованием байтов из слоев. Коды символов имеют четные адреса, а их атрибуты
- нечетные. При установке текстовых режимов работы видеоадаптеров EGA и VGA
BIOS загружает таблицы знакогенератора из ПЗУ во второй цветовой слой видеопамяти.
В последствие таблицы
используются при отображении символов на экране. Благодаря этому можно легко
заменить стандартную таблицу знакогенератора своей собственной. Это широко
применяется при русификации компьютеров. EGA и VGA обеспечивают возможность
одновременной загрузки соответственно четырех и восьми таблиц знакогенераторов
в память. Каждая таблица содержит описание 256 символов. Одновременно активными
могут быть одна или две таблицы знакогенератора. Это дает возможность
одновременно отображать на экране до 512 символов. При этом один бит из байта
атрибутов указывает, какая из активных таблиц знакогенератора используется при
отображении данного символа. Номера активных таблиц знакогенератора
определяются регистром выбора знакогенератора. EGA поддерживает два размера для
матриц символов: 8х8 и 8х14 пикселов. Один из этих наборов символов
автоматически загружается BIOS в видеопамять при выборе текстового режима. Так
как VGA имеет большую разрешающую способность, то его матрица символа имеет
размеры 9х16. На каждый символ отводится 32 байта. Первая таблица имеет в
видеопамяти адреса: 0000h-1FFFh, вторая: 2000h-3FFFh, ... , восьмая: E000h-FFFFh.
Каждый символ, отображаемый на
экране в текстовом режиме, определяется не только своим ASCII кодом, но и
байтом атрибутов. Атрибуты задают цвет символа, цвет фона, а также некоторые
другие параметры. Биты D0-D2 байта атрибутов задают цвет символа, D4-D6 цвет
фона. Если активной является одна таблица знакогенератора, то D3 используется
для управления интенсивностью цвета символа, что позволяет увеличить количество
воспроизводимых цветов до 16. Если одновременно определены две таблицы знакогенератора,
то D3 задает таблицу знакогенератора, которая будет использована для
отображения данного символа. Бит D7 выполняет две различные функции в
зависимости от состояния регистра режима контроллера атрибутов. Данный бит либо
управляет интенсивностью цвета фона, увеличивая количество отображаемых цветов
до 16, либо разрешением гашения символа, в результате чего символ на экране
будет мигать. По умолчанию данный бит управляет разрешением гашения символа.
Распределение видеопамяти в графических режимах работы адаптеров отличается от
распределения видеопамяти в текстовых режимах.
Ниже рассмотрена структура
распределения видеопамяти отдельно для каждого графического режима. Это режимы
низкого разрешения (320х200), используются 4 цвета. Поддерживаются видеоадаптерами
CGA, EGA и VGA. У EGA и VGA видеоданные расположены в нулевом цветовом слое,
остальные слои не используются. Для совместимости с CGA отображение видеопамяти
на экране не является непрерывным: первая половина видеопамяти (начальный адрес
В800:0000) содержит данные относительно всех нечетных линий экрана, а вторая (начальный
адрес В800:2000) - относительно всех четных линий. Каждому пикселу
соответствует два бита видеопамяти. За верхний левый пиксел экрана отвечают
биты D7 и D6 нулевого байта видеопамяти. В режимах 4 и 5 имеются два набора
цветов: стандартный и альтернативный: 00 - черный; 01 - светло-синий (зеленый);
10 - малиновый (красный); 11 - ярко-белый (коричневый). Режим 6 является
режимом наибольшего разрешения для CGA (640х200). Видеоадаптеры EGA и VGA
используют для хранения информации только нулевой слой. Как и в режимах 4 и 5
первая половина видеопамяти отвечает за нечетные линии экрана, а вторая
половина - за четные. В данном режиме на один пиксел отводится один бит
видеопамяти. Если значение бита равно 0, то пиксел имеет черный цвет, а если
единице - то белый. Разрешающая способность в режиме 0Dh составляет 320х200, а
в режиме 0Eh 640х200 пикселов. Данный режим поддерживается только
видеоадаптерами EGA и VGA.
Для хранения видеоданных
используются все четыре цветовых слоя. Адресу видеопамяти соответствуют четыре
байта, которые вместе определяют восемь пикселов. Каждому пикселу соответствуют
четыре бита - по одному из каждого цветового слоя. Четыре бита на пиксел,
используемые в данных режимах, позволяют отображать 16 различных цветов. Запись
в каждый из этих цветовых слоев можно разрешить или запретить при помощи
разрешения записи цветового слоя. Управление доступом к цветовым плоскостям
осуществляется при помощи регистров. Адресный
регистр графического контроллера: порт вывода для этого регистра 3CEh; биты
0-3 содержат адрес регистра, остальные не используются. Регистр цвета: для доступа к этому регистру значение адресного
регистра должно быть 00h, адрес порта вывода для этого регистра 3CFh; биты 0-3
определяют значение для соответствующей плоскости, остальные не используются. Регистр разрешения цвета: для доступа к
этому регистру значение адресного регистра должно быть 01h, адрес порта вывода
для этого регистра 3CFh; биты 0-3 означают разрешение соответствующего слоя, а
остальные не используются. Регистр выбора
плоскости для чтения: для доступа к этому регистру значение адресного
регистра должно быть 04h, адрес порта вывода для этого регистра 3CFh; биты 0-2
содержат номер плоскости для чтения, а остальные не используются.
Графический контроллер
осуществляет обмен данными между видеопамятью и процессором. Он может выполнять
над данными, поступающими в видеопамять, простейшие логические операции: И,
ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, циклический сдвиг. Таким образом, видеоадаптер может
выполнять часть работы по обработке видеоданных. Хотя процессор может читать
данные только из одного цветового слоя, запись данных в регистры-защелки
происходит из всех цветовых слоев. Эту особенность можно использовать для
быстрого копирования областей экрана. Во время цикла чтения данных из
видеопамяти, графический контроллер может выполнять операцию сравнения цветов.
В отличие от обычной операции чтения, когда читается только один цветовой слой,
при операции сравнения цветов графический контроллер имеет доступ ко всем
четырем слоям одновременно. В случае совпадения вырабатывается определенный
сигнал. Это устройство запоминает данные, читаемые из видеопамяти в течении
цикла регенерации, преобразует их в последовательный поток бит, а затем передает
их контроллеру атрибутов.
Контроллер атрибутов в
графических режимах управляет цветами. Значениям цветовых атрибутов ставится в
соответствие определенный цвет при помощи таблицы цветовой палитры. Эта таблица
ставит в соответствие четырем битам из видеопамяти шесть битов цветовой
информации. Для ЕGA эта информация поступает непосредственно на дисплей, а для
VGA - преобразуется в соответствии с таблицей цветов тремя ЦАП в RGB-сигнал и
передается на дисплей.
Контроллер ЭЛТ выполняет
следующие функции: вырабатывает сигналы управления работой ЭЛТ, определяет
формат экрана и символов текста, определяет форму курсора, управляет световым
пером, управляет скроллингом содержимого экрана.
Все сказанное нами остается
верно и для видеоадаптеров SVGA. Однако устройство видеоадаптеров SVGA
значительно сложнее [2].
2.2.
SVGA адаптеры
Сразу после появления
видеоадаптера VGA многие фирмы начали выпуск новых моделей видеоадаптеров, обеспечивающих
отображение большего количества цветов и большую разрешающую способность. Такие
видеоадаптеры получили общее название Super VGA или SVGA.
Подавляющее большинство
видеоадаптеров SVGA обеспечивают полную совместимость с VGA на уровне
регистров. Поэтому все программное обеспечение, разработанное для видеоадаптера
VGA, работает с видеоадаптерами SVGA без дополнительных изменений.
Естественно, чтобы расширить
возможности видеоадаптера VGA, пришлось дополнить его новыми регистрами.
Видеоадаптеры SVGA имеют значительно больше регистров, чем простые
видеоадаптеры VGA. Чтобы видеоадаптер SVGA смог проявить все свои возможности,
необходимо, чтобы программное обеспечение правильно использовало все регистры
видеоадаптера.
К сожалению, SVGA не является
стандартом, наподобие EGA или VGA. Различные модели видеоадаптера SVGA обладают
различным набором регистров, расположенных по разным адресам и выполняющих
различные функции. Это значительно затрудняет создание программ, использующих
все возможности SVGA, так как такая программа должна правильно определить тип
вашего видеоадаптера и работать с ним соответствующим образом.
Ассоциация VESA разработала
стандарт на функции BIOS, позволяющие управлять видеоадаптерами SVGA. Текущая
версия стандарта VESA не позволяет реализовать все возможности современных
видеоадаптеров, например, отображать геометрические фигуры с использованием
аппаратных возможностей акселераторов.
Самые широкие возможности для
использования видеоадаптеров SVGA предоставляет операционная система Windows. В
ней используются специальные драйверы, выполняющие всю работу по
программированию видеоадаптеров на аппаратном уровне. Обычно драйверы
разрабатываются самой фирмой создавшей видеоадаптер. Поэтому кропотливая работа
с регистрами адаптера скрыта от программистов, разрабатывающих программы
Windows. Они имеют дело с хорошо документированными высокоуровневыми функциями
графического интерфейса.
Видеоадаптеры
SVGA превосходят VGA по разрешению экрана и количеству одновременно
отображаемых цветов.
Большинство видеоадаптеров SVGA
содержат специальный графический сопроцессор, который может выполнять различные
функции. Например, он может использоваться для рисования различных
геометрических фигур, масштабирования участков изображения и т. д. Видеорежимы
добавляются из ряда 800x600, 1024x768, 1152x864, 1280x1024, 1600x1200 -
большинство с соотношением 4:3.
|
Лучшие режимы
VGA |
Типичные режимы
SVGA |
|
640 x 480; 16
цветов |
800 x 600; 256,
64 К, 16,7 М цветов |
|
320 x 200; 256
цветов |
1024 x 768;
256, 64 К, 16,7 М цветов |
|
|
1280 x 1024;
256, 64 К, 16,7 М цветов |
Таблица 1. Сравнительная характеристика видео режимов VGA и SVGA
У некоторых моделей видеоадаптера SVGA
видеопамять организована в 8 и даже в 16 слоёв. Причём, каждый байт видеопамяти
определяет 8 пикселей. Восемь слоёв памяти позволяют закодировать 256 возможных
цветов для одного пикселя, а шестнадцать слоёв уже 65536. Также добавляются
расширенные текстовые режимы формата 132x25, 132x43, 132x50. Из дополнительного
сервиса добавлена поддержка VBE. Фактический стандарт видеоадаптера примерно с
1992 г., после выхода стандарта VBE 1.0. До выхода и реализации стандарта
практически все SVGA-адаптеры были несовместимы
между собой [4].
Адаптер VGA содержит таблицу
цветов, состоящую из 256 регистров ЦАП, которые занимаются преобразованием 8-ми
битовых данных видеопамяти в три 6-ти битовых сигнала. Далее они поступают на
три ЦАП, которые и вырабатывают красную, зеленую и синюю компоненты,
определяющие цвет и его интенсивность для выводимого пикселя. Использование
подобной схемы позволяет оперировать 262144 возможными цветами. Но здесь мы
лимитированы количеством регистров палитры, т.е. одновременно мы можем выбирать
только 256 цветов из 262144 возможных.
Для видеоадаптеров SVGA
используется несколько другая схема, согласно которой для описания одного
пикселя требуется более 8 бит. Обычно используется 15, 16 или 24 бит. В этом
случае использование фиксированной таблицы цветов адаптера VGA затруднено,
поскольку, например, для режима 65536 цветов (16 бит на пиксель) размерность таблицы
цветов должна быть равна 65536 х 18 (где 18 – размерность регистров). А если
адаптер SVGA кодирует пиксель 24 битами, то размерность таблицы цветов придется
увеличивать с 18 до 24.
Рис.3 Блок-схема видеоадаптеров SVGA
Эти соображения заставили отказаться
от использования таблицы цветов и реализовать схему прямого кодирования цвета
(Direct Color Mode), при которой биты, определяющие пиксель, группируются в
трёх основных группах, непосредственно определяющих красную, зеленую и синюю (RGB) компоненты цвета. Данные из этих трёх групп
передаются на три ЦАП, где и формируется видеосигнал. Кроме указанной схемы при
которой коды RGB составляющих цвета
располагаются непосредственно в видеопамяти, существует и другая схема, для
которой коды цвета размещаются в регистрах видеоадаптера. Это, т.н. упакованная
точечная графика, которая, в свою очередь, делится на режимы HighColor и TrueColor. Но в
любом случае, от видеорежима зависит и размер кода пикселя, и размеры кодов
составляющих цвета.
Рис.4 Формат видеопамяти для 15 битов на
пиксел
Рис.5 Формат видеопамяти для 16 битов на
пиксел
Рис.6 Формат видеопамяти для 24 битов на
пиксел
Однако увеличение числа слоёв
влечет за собой усложнение аппаратуры видеоадаптера и её удаление от стандарта
адаптера VGA, регистры которого рассчитаны только на четыре слоя. Поэтому при
проектировании современных видеоадаптеров разработчики стали применять приём,
который довольно часто используется для подключения к компьютеру дополнительной
памяти. Согласно ему ЦП получает доступ к видеопамяти через небольшое окно
(узкую щёлочку), которое может иметь небольшой размер - до 64 Кбайт и
располагаться в адресном пространстве процессора. Обычно оно занимает адресное
пространство A000:0000h - A000:FFFFh, т. е. располагается также как и для
стандартных цветных режимов видеоадаптеров EGA, VGA и SVGA. ЦП может перемещать
это окно по всей видеопамяти, получая доступ к разным её участкам.
Отсюда следует, что процессор в
каждый момент времени может получить доступ только к части видеопамяти. Чтобы
обратиться к другому её участку, необходимо переместить окно доступа
(переключить его).
Усложнение аппаратуры, а также
организация доступа к видеопамяти через небольшое окно вполне естественно
создаёт определённые трудности при программировании. Так, чтобы отобразить на
экране монитора пиксель необходимо не только вычислить положение
соответствующей ячейки видеопамяти, но также определить – где при этом должно
находится окно доступа, т.е. рассчитать смещение для него.
Эти усовершенствования также усложняют
процедуры, отображающие на экране линии и другие геометрические фигуры, которые
не помещаются в одно окно, усложняют процедуры копирования изображений из одной
позиции в другую.
Чтобы помочь программистам в
решении этих и многих других возникающих проблем, некоторые реализации
видеоадаптеров SVGA отводят для доступа к видеопамяти не одно, а два окна. Их
обычно обозначают как окно A и окно B. В некоторых моделях видеоадаптеров через
одно окно производится только запись данных в видеопамять, а через другое
только чтение.
Введение двух окон позволяет
копировать информацию из одного места видеопамяти в другое без использования
буфера ОП. Однако практически все видеоадаптеры считывают данные из видеопамяти
в несколько раз медленнее, чем записывают в неё, поэтому пересылать данные из
одной области видеопамяти в другую или считывать их без крайней необходимости
нецелесообразно. Следовательно, для реального программирования достаточно
одного доступного для записи окна даже в том случае, когда видеоадаптер поддерживает
два [6].
3. Технологии
видеопамяти.
Под воздействием требований
перемен полупроводниковая индустрия предлагает множество новых интерфейсов.
Некоторые объединили в себе свойства существующих интерфейсов с ограниченным
набором изменений, другие имеют совершенно новый дизайн и оригинальную
архитектуру.
3D RAM:
Встроенные вычислительные средства и кэш-память,
реализованные на уровне чипа. Высокая оптимизация для использования при
выполнении трехмерных операций.
Технология рабочих станций для обработки 3D графики,
которая обеспечивает таким платам, как Diamond Fire GL 4000 дополнительное
увеличение производительности. Контроллер RealIMAGE обеспечивает продвижение
этой технологии на рынок настольных компьютеров.
FPM DRAM (Fast Page Mode
Dynamic RAM - динамическое ОЗУ с быстрым станичным доступом) - основной тип
видеопамяти, идентичный используемой в системных платах. Использует асинхронный
доступ, при котором управляющие сигналы жестко не привязаны к тактовой частоте
системы. Активно применялся пpимеpно до 1996 г. Наиболее pаспpостpаненные микросхемы
FPM DRAM - 4-pазpядные DIP и SOJ, а также - 16-pазpядные SOJ.
CDRAM:
Предшественник 3D RAM со встроенным в микросхему
кэшем. Работает с внешним контроллером кэш-памяти. Идеально приспособлен быть
основой для текстурной памяти и может быть органичным дополнением памяти типа
3D RAM с ее высокой пропускной способностью, например, в адаптере Diamond Fire
GL 4000. Контроллер RealIMAGE обеспечивает продвижение этой технологии на рынок
настольных компьютеров.
DRAM:
Относится к группе промышленных стандартов. Дальнейшие
совершенствования технологии DRAM основываются на низкой стоимости
производства, но также произошло существенное увеличение пропускной
способности. За два цикла данные считываются в и из памяти. На основе этой
технологии производятся некоторые из самых распространенных типов памяти.
EDO DRAM (Extended Data Out
DRAM - динамическое ОЗУ с pасшиpенным временем удержания данных на выходе).
В зависимости от графического контроллера может иметь
производительность на уровне более дорогой двухпортовой технологии памяти,
такой, как VRAM, использующейся в графических контроллерах для систем на базе
ОС Windows. Использует стандартный интерфейс DRAM, но передача данных в и из
памяти происходит с более высокой скоростью (или на более высокой частоте).
Улучшение производительности достигается за счет дополнительного внешнего
чередования данных графическим контроллером (интерливинг).
MDRAM(Multibank DRAM - много
банковое ОЗУ):
Вариант DRAM разработанный фирмой MoSys,
организованный в виде множества независимых банков объемом по 32КБ каждый,
работающих в конвейерном режиме и использующая распараллеливание операций
доступа к данным между большим количеством банков памяти RDRAM (RAMBus DRAM)
память использующая специальный канал передачи данных (Rambus Channel),
представляющий собой шину данных шириной в один байт. По этому каналу удается
передавать информацию очень большими потоками, наивысшая скорость передачи
данных для одного канала насегодняшний момент составляет 1600MB/сек (частота
800MHz, данные передаются по обеим срезам импульса). Hа один такой канал можно
подключить несколько чипов памяти. Контроллер этой памяти работает с одним
каналом Rambus, на одном чипе логики можно разместить четыре таких контроллера,
значит теоретически можно поддерживать до 4 таких каналов, обеспечивая
максимальную пропускную способность в 6.4GB/сек. Hа сегодняшний момент этот тип
памяти обеспечивает наивысшую пропускную способность на один чип памяти среди
всех остальныхтипов памяти. Увеличение скоpости обpащения видеопpоцессоpа к
видеопамяти, помимо повышения пpопускной способности адаптеpа, позволяет
поднять максимальную частоту pегенеpации изобpажения, что снижает утомляемость
глаз опеpатоpа. Высокая пропускная способность, низкие задержки по времени,
мелкоячеистость.Компания Tseng Labs разработала контроллер, который смог
использовать все преимущества архитектуры этой памяти. В среде DOS были
достигнуты отличные результаты, в среде Windows всего лишь удовлетворительные.
RDRAM:
Возможный претендент на широкое распространение и
принятие в качестве стандарта на память с высокой производительностью.
Поддерживается ограниченным числом графических
контроллеров, но со временем ситуация может измениться.
SDRAM (Synchronous Dynamic
RAM - синхронное динамическое ОЗУ):
Производится по стандартам JEDEC, имеет большую
производительность, чем DRAM.
Чаще используется в качестве основной системной
памяти, нежили в графических адаптерах. Пришел на замену EDO DRAM и других
асинхронных однопортовых типов памяти. После того, как произведено первое
чтение из памяти, или первая запись в память, последующие операции чтения или
записи происходят с нулевыми задержками. Этим достигается максимально
возможная скорость чтения и записи данных.
