Графічний режим. Текстовий режим. 2-D і 3-D акселератори.

Існує два основні режими виведення інформації - графічний і символьний (текстовий).

У графічному режимі є можливість індивідуального управління світінням кожної точки екрану монітора незалежно від стану інших. Цей режим позначають як Gr (Graphics) або АРА (All Points Addressable - «всі крапки адресовані»). У графічному режимі кожній точці екрану - пікселю - відповідає осередок спеціальної пам'яті, яка сканується схемами адаптера синхронно з рухом променя монітора. Ця постійно циклічно сканована (з кадровою частотою) пам'ять називається відеопам'яттю (video memory), або VRAM (Video RAM). Процес постійного сканування відеопам'яті називається регенерацією зображення. Для програмно-керованого побудови зображень до відеопам'яті також повинен забезпечуватися доступ з боку системної магістралі комп'ютера, причому як по запису, так і з читання. Кількість бітів відеопам'яті, що відводиться на кожен піксель, визначає можливе число станів пікселя - кольорів, градацій яскравості чи інших атрибутів (наприклад, мерехтіння). Так, при одному біті на піксель можливі лише два стани - світиться або не світиться. Два біта на піксель доставляли чимало задоволення любителям кольорових ігор навіть на адаптерах CGA - можна було мати одночасно чотири кольори на екрані. Чотири біта на піксель (16 кольорів), що забезпечуються адаптером EGA, були достатні для багатьох графічних додатків, наприклад графіки в системах автоматичного проектування (САПР). Межею мрій у свій час було 256 кольорів (8 біт на піксель) адаптера VGA - кольорова фотографія троянди з комплекту графічного редактора Paintbrush на екрані монітора здавалася прекрасною. Зараз зупинилися на режимах High Color (15 біт - 32 768 кольорів; або 16 біт - 65 536 кольорів) і True Color - «істинний колір» (24 біта - 16,7 млн. кольорів), реалізованих сучасними адаптерами і моніторами SVGA.

У символьному, або текстовому, режимі формування зображення відбувається трохи інакше. Якщо в графічному режимі (АРА) кожній точці екрану відповідає свій осередок відеопам'яті, то в текстовому режимі осередок відеопам'яті зберігає інформацію про символ, що займає на екрані знакомісце певного формату. Знакомісце являє собою матрицю точок, у якій може бути відображений один із символів певного набору. Тут навмисне застосовується слово «точка», а не «піксель», оскільки піксел є свідомо використовуваним елементом зображення, в той час як точки розкладання символу в загальному випадку програміста не цікавлять. В осередку відеопам'яті зберігаються код символу, що визначає його індекс в таблиці символів, і атрибути символу, що визначають спосіб його відображення. До атрибутів відносяться колір фону, колір символу, інверсія, миготіння і підкреслення символу. Оскільки спочатку в дисплеях використовували тільки алфавітно-цифрові символи, такий режим роботи іноді скорочено називають AN (Alpha-Numerical - алфавітно-цифровий), але частіше - ТХТ (text - текстовий), що коректніше: символи псевдографіки, які широко застосовуються для оформлення текстової інформації, до алфавітно-цифровим не віднесеш.

У текстовому режимі екран організується у вигляді матриці знакомісць, утвореної горизонтальними лініями (Line, LIN) і вертикальними колонками (Column, COL). Цій матриці відповідає аналогічним чином організована відеопам'ять. Адаптер, що працює в текстовому режимі, має додатковий блок - знакогенератор. Під час сканування екрана вибірка даних з чергової осередку відеопам'яті відбувається при підході до відповідного знакомісця, причому один і то й же осередок відеопам'яті вибирається при проході по всіх рядках растра, утворюючим лінію знакомісця. Лічені дані потрапляють в знакогенератор, який виробляє порядкову розгортку відповідного символу - його зображення на екрані. Знакогенератор являє собою запам'ятовувальний пристрій - ОЗП або ПЗУ. На його старші адресні входи надходить код поточного символу з відеопам'яті, а на молодші - номер поточного рядка у видимій лінії знакомісця. Вихідні дані містять побітну розгортку поточного рядка розкладання символу (у графічному режимі ці дані надходили з відеопам'яті). Самий «скромний» знакогенератор має формат знакомісця 8x8 точок, причому для алфавітно-цифрових символів туди ж входять і міжсимвольні зазори, необхідні для читання текст.

Прискорення побудови зображення в інтелектуальному графічному адаптері забезпечується кількома чинниками. По-перше, це скорочення обсягу передач по магістралі. По-друге, під час функціонування процесора адаптера центральний процесор залишається вільним, що прискорює роботу програм навіть в однозадачних режимі. По-третє, процесор адаптера, на відміну від процесора з найскладнішою в світі системою команд - представника сімейства х86, орієнтований на виконання меншої кількості інструкцій, а тому здатний виконувати їх набагато швидше центрального. І, по-четверте, швидкість обміну даними всередині адаптера може підвищуватися за рахунок кращого узгодження звернень до відеопам'яті для операцій побудови з процесом регенерації зображення, а також за рахунок розширення розрядності внутрішньої шини даних адаптера. У графічних адаптерах кінця 90-х років широко застосовувалася двопортова відеопам'ять VRAM і WRAM з розрядністю внутрішньої шини 64 біт (при 32-бітної шині зовнішнього інтерфейсу). Сучасні адаптери з ЗО-акселераторами (найкритичніші до продуктивності пам'яті) будуються на пам'яті SGRAM (SDRAM) з 128-розрядної шиною, а в самих потужних застосовується пам'ять SGRAM/SDRAM з подвоєною частотою передачі (Double-Data Rate, DDR). Правда, і тут повна розрядність шини (але вже внутрішньої) при малому обсязі встановленої відеопам'яті може не використовуватися. Розрядність шини поки далі не збільшують, але зустрічаються адаптери і з подвійною внутрішньої шиною, здатної працювати в повнодуплексному режимі.

По відношенню до центрального процесора та оперативної пам'яті комп'ютера розрізняють графічні співпроцесори і акселератори. Графічний співпроцесор являє собою спеціалізований процесор з відповідним апаратним оточенням, який підключається до шини комп'ютера і має доступ до його оперативної пам'яті. В процесі своєї роботи співпроцесор користується оперативною пам'яттю, конкуруючи з центральним у плані доступу і до пам'яті, і до шини. Графічний акселератор працює автономно і при вирішенні своєї задачі зі своїм величезним обсягом даних може не виходити на системну шину. Акселератори є традиційною складовою частиною практично всіх сучасних графічних адаптерів. Акселератори для двомірних операцій (2D-accelerators), необхідних для реалізації графічного інтерфейсу користувача (Graphic User Interface, GUI), часто називають Windows-акселераторами, оскільки їх команди зазвичай орієнтовані на функції цієї популярної операційної системи. Більш складні акселератори виконують і тривимірні побудови, їх називають ЗD-акселераторами.

Для побудови складних тривимірних зображень графічному акселератору має бути явно тісно в обмеженому обсязі відеопам'яті. Для доступу до основної пам'яті комп'ютера він повинен мати можливість управління шиною (bus mastering). Спеціально для потужних графічних адаптерів в 1996 році з'явився новий канал зв'язку з пам'яттю - AGP (Accelerated Graphic Port). Забезпечивши високу пропускну спроможність порту, розробники AGP запропонували технологію DIME (DIrect Memory Execute). Згідно цієї технології, графічний акселератор є майстром шини AGP і може користуватися основною пам'яттю комп'ютера для своїх потреб при тривимірних побудовах. Наприклад, в основній пам'яті можуть зберігатися текстури, які акселератор накладає на тривимірні поверхні. При цьому знімається обмеження на розмір опису текстур, які без AGP доводиться тримати в обмеженому обсязі відеопам'яті. На дешеве рішення проблеми «тісноти» націлена та архітектура однорідної пам'яті UMA, яка може бути реалізована за допомогою AGP. Однак AGP дозволяє зберегти і локальну пам'ять на графічному адаптері (видеобуфер), і розширення доступної пам'яті не відкликається зниженням продуктивності.

Потреби роботи з тривимірними зображеннями, або ЗD-графікою, є в широкому спектрі додатків - від ігор, якими захоплюється маса користувачів, до систем автоматичного проектування, що застосовуються в архітектурі, машинобудуванні та інших областях. Звичайно ж, комп'ютер управляє не самими тривимірними об'єктами, а їх математичними описами. Тривимірний додаток оперує об'єктами, описаними в деякій глобальній системі координат (global, або world, coordinate system). Найчастіше тут використовується ортогональна, вона ж декартова (cartesian), система координат, в якій положення кожної точки задається її відстанню від початку координат по трьох взаємно перпендикулярних осях X, Y і Z. У деяких випадках застосовують також сферичну систему координат, в якій положення точки задається видаленням від центру і двома кутами напряму. У цьому «світі» знаходяться всі об'єкти, які створює і враховує додаток, і вони мають певне взаємне розташування. Користувачеві ці об'єкти можуть бути продемонстровані лише за допомогою графічних пристроїв виводу, з яких найбільший інтерес поки являє дисплей.