Описание функциональной схемы видеокарты

 

Шина AGP

Интерфейс монитора

Контроллер монитора

Видеопамять

Контроллер атрибутов (RAMDAC)

Монитор

Video

RGB

Расширение BIOS

Внешний интерфейс

Графический процессор

Внутренняя шина

 

Функциональная схема видеокарты

Обязательным элементом видеокарты является контроллер монитора, в задачу которого входит согласованное формирование сигналов сканирования видеопамяти (адрес и стробы чтения) и сигналов вертикальной и горизонтальной синхронизации монитора. Контроллер монитора должен обеспечивать требуемые частоты развертки и режимы сканирования видеопамяти, которые зависят от режима отображения (графический или текстовый) и организации видеопамяти. Опорной частотой для работы контроллера является частота вывода пикселов в графических режимах или точек разложения символов в текстовом режиме.

Видеопамять является специальной областью памяти, из которой контроллер монитора организует циклическое чтение содержимого для регенерации изображения. Первоначально для видеопамяти в карте распределения памяти РС была выделена область адресов A0000h–BFFFFh, доступные любому процессору х86. Для увеличения объема памяти (для VGA и SVGA) пришлось применять технику переключения банков памяти. Современные графические адаптеры имеют возможность переадресации видеопамяти в область старших адресов (свыше 16 Мбайт), что позволяет в защищенном режиме процессора работать с цельными образами экранов. На графических адаптерах существует и архитектура унифицированной памяти UMA. При таком подходе под видеобуфер выделяется область системного ОЗУ. Но это приводит к снижению производительности как графической подсистемы, так и компьютера в целом. Для повышения производительности служит не просто выделение видеопамяти, но и применение в ней микросхем со специальной архитектурой – VRAM, WRAM, MDRAM, RDRAM, SGRAM.

Контроллер атрибутов управляет трактовкой цветовой информации, хранящейся в видеопамяти. В текстовом режиме он обрабатывает информацию из байт атрибутов знакомест, а в графическом – бит текущего выводимого пиксела. Контроллер атрибутов позволяет увязать объем хранимой цветовой информации с возможностями монитора. В состав контроллера атрибутов входят регистры палитр, которые служат для преобразования цветов, закодированных битами видеопамяти, в реальные цвета на экране. С появлением адаптеров, способных более 256 цветов, на видеокарту их монитора перенесли цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) сигналов базисных цветов. Объединение ЦАП с регистрами палитр в настоящее время исполняется в виде микросхем RAMDAC (цифро-аналоговый преобразователь). Микросхемы RAMDAC характеризуются разрядностью преобразователей, которая может доходить до 8 бит на цвет, и предельной частотой выборки точек (DotCLK), с которой они способны работать.

Графический контроллер является средством повышения производительности программного построения образов изображений в видеопамяти. В адаптерах EGA и VGA функции графического контроллера реализованы аппаратными средствами специализированных микросхем. Адаптеры EGA и VGA имеют четыре 8-ми битных регистра-защелки, в которых фиксируются данные из соответствующих им цветовых слоев при выполнении любой операции чтения видеопамяти. В последующих операциях записи в формировании данных для каждого слоя могут принимать участие данные от процессора и данные из регистров-защелок соответствующих слоев. Регистр битовой маски позволяет побитно управлять источником записываемых данных: если бит регистра маски имеет нулевое значение, то в видеопамять этот бит во всех слоях будет записан из регистра-защелки. Данные от процессора будут поступать только для бит с единичным значением маски. При чтении графический контроллер может задавать номер читаемого слоя. В современных адаптерах функции графического контроллера, существенно расширенные по сравнению с EGA и VGA, выполняются встроенным микропроцессором – графическим акселератором.

Синхронизатор позволяет синхронизировать циклы обращения процессора к видеопамяти с процессом регенерации изображения. От внутреннего генератора вырабатывается частота вывода пикселов DotClock, относительно которой строятся все временные последовательности сканирования видеопамяти, формирования видеосигналов и синхронизации монитора. В то же время процессор обращается к видеопамяти асинхронно относительно процесса регенерации. В задачу синхронизатора входит согласование этих асинхронных процессов.

Внутренняя шина адаптера предназначена для высокопроизводительного обмена данными между видеопамятью, графическим акселератором и внешним интерфейсом. Типовая разрядность канала данных у этой шины 64/128 бит. Однако реально используемая разрядность может оказаться меньшей, если установлены не все предусмотренные микросхемы видеопамяти.

Блок внешнего интерфейса связывает адаптер с одной из шин компьютера. Раньше для графических адаптеров использовали шину ISA (8/16 бит). Современные графические адаптеры используют в основном высокопроизводительные шины, такие как PCI и еще более производительный канал AGP.

Блок интерфейса монитора формирует выходные сигналы соответствующего типа (RGB-TTL, RGB-Analog и т.д.). Этот же блок отвечает за диалог с монитором: в простейшем случае – чтение бит идентификации, а в более сложном – обмен данными по каналу DDC. Идентификация типа подключенного монитора VGA может производиться и по уровню видеосигнала на выходах красного или синего цвета: монитор имеет терминаторы (75 Ом) на каждом из аналоговых входов. Такая нагрузка при подключении снижает напряжение выходного сигнала. У монохромного монитора используется только канал зеленого цвета – линии красного и синего остаются без нагрузки.

Модуль расширения BIOS хранит код драйверов видеосервиса (INT 10h) и таблицы знакогенераторов. Этот модуль обеспечивает возможность установки любой карты, не задумываясь о проблемах программной совместимости. Модуль расширения получает управление для инициализации графического адаптера почти в самом начале POST. Модуль имеет начальный адрес C0000h и его размер зависит от типа адаптера. Для повышения производительности видеопостроений применяют теневую память (Video BIOS Shadowing) или кэширование (Video BIOS Caching). Для графических адаптеров, интегрированных в системную плату, программная поддержка также встроена в системную BIOS.

 

 

Характеристики видео карты.

ширина шины памяти, измеряется в битах — количество бит информации, передаваемой за такт. Важный параметр в производительности карты.

количество видеопамяти, измеряется в мегабайтах — встроенная оперативная память на самой плате, значение показывает, какой объём информации может хранить графическая плата.

частоты ядра и памяти — измеряются в мегагерцах, чем больше, тем быстрее видеокарта будет обрабатывать информацию.

техпроцесс — технология печати, указывается характерный размер, измеряемый в нанометрах (нм), современные карты выпускаются по 90-, 80- 65 или 55-нм нормам техпроцесса. Чем меньше данный параметр, тем больше элементов можно уместить на кристалле.

текстурная и пиксельная скорость заполнения, измеряется в млн. пикселов в секунду, показывает количество выводимой в информации в единицу времени.

выводы карты — первоначально видеоадаптер имел всего один разъём VGA (15-контактный D-Sub). В настоящее время платы оснащают одним или двумя разъёмами DVI или HDMI, либо Display Port. Порты D-SUB, DVI и HDMI являются эволюционными стадиями развития стандарта передачи видеосигнала, поэтому для соединения устройств с этими типами портов возможно использование переходников. Dispay Port позволяет подключать до четырёх устройств, в том числе акустические системы, USB-концентраторы и иные устройства ввода-вывода. На видеокарте также возможно размещение композитных и S-Video видеовыходов и видеовходов (обозначаются, как ViVo).

 

Жесткий диск

Основные параметры

Жесткий диск – основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, этот «диск» имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2n поверхностей, где n – число отдельных дисков в группе.

 

Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи данных. При высоких скоростях вращения дисков (90-250 об/с) в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью на высоте, составляющей несколько тысячных долей миллиметра. При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется запись данных на магнитный диск.

Операция считывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся на высокой скорости вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции. Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство – контроллер жесткого диска. В прошлом оно представляло собой отдельную дочернюю плату, которую подключали к одному из свободных слотов материнской платы. В настоящее время функции контроллеров дисков частично интегрированы в сам жесткий диск, а частично выполняются микросхемами, входящими в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему могут поставляться на отдельной плате.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. Емкость дисков зависит от технологии их изготовления. В настоящее время большинство производителей жестких дисков используют изобретенную компанией IBM технологию с использованием гигантского магниторезистивного эффекта (GMR — Giant Magnetic Resistance). В настоящее время на пластину может приходиться 40 и более Гбайт, но развитие продолжается. С другой стороны, производительность жестких дисков меньше зависит от технологии их изготовления. Сегодня все жесткие диски имеют очень высокий показатель скорости внутренней передачи данных (до 30-60 Мбайт/с), и потому их производительность в первую очередь зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого они связаны с материнской платой. В зависимости от типа интерфейса разброс значений может быть очень большим: от нескольких Мбайт/с до 13-16 Мбайт/с для интерфейсов типа EIDE; до 80 Мбайт/с для интерфейсов типа SCSI и от 50 Мбайт/с и более для наиболее современных интерфейсов типа IEE 1394 и Serial АТА.

Кроме скорости передачи данных с производительностью диска напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый для поиска нужных данных, и зависит от скорости вращения диска. Для дисков, вращающихся с частотой 5400 об/мин, среднее время доступа составляет 9-10 мкс, для дисков с частотой 7200 об/мин – 7-8 мкс. Изделия более высокого уровня обеспечивают среднее время доступа к данным 4-6 мкс.

Несмотря на большое разнообразие физических носителей памяти, и принципов записи и считывания информации, дисковые устройства имеют свой основной механизм (рисунок 1). Слой носителя информации – магнитный оптический или какой – другой нанесен на рабочие поверхности дисков. Диски вращаются с помощью носителя шпинделя (Spindel Motor), который обеспечивает требуемую частоту вращения в рабочем режиме. На диске имеет индексный маркер, который проходя мимо специального датчика, отмечает начало каждого оборота диска. Информация на диске расположена на специальных концентрационных треках (дорожках), нумерация которых начинается с внешнего трека (00). Каждый трек разбит на секторы фиксированного размера. Сектор является минимальным блоком информации, который может быть записан на диск или считан с него. Нумерация секторов начинается с единицы и привязывается к индексу маркеру. Каждый сектор имеет служебную область, содержащую адресную информацию, контрольные коды, некоторую другую информацию и непосредственно сами данные. На шпинделе может быть размещено несколько дисков и у каждого диска может использоваться две рабочие поверхности. В этом случае вся совокупность треков с одинаковыми номерами будет составлять цилиндр. Для каждой рабочей поверхности в накопителе имеет своя головка для чтения-записи. Головки номеруются с нуля. Для того, чтобы провести операцию чтению или записи сектора шпиндель должен вращаться с заданной скоростью, блок головок должен быть подведен к заданному цилиндру, и только тогда требуемый сектор подойдет к выбранной головке, после чего начинается физическая операция обмена данными между головкой и блоком электроники накопителя. Для записи или считывания информации используются различные методы частотной или фазовой модуляции, позволяющие кодировать или декодировать информацию. Контроллер накопителя выполняет разборку блоков информации (секторов или целых треков), включая формирование и проверку контрольных кодов, осуществляет модуляцию и демодуляцию сигналов головок и управляет всеми механизмами накопителя.

Компоненты накопителей на магнитных дисках

Пластины дисков могут быть гибкими и жесткими. Общие требования к материалу пластин это сохранение своих размеров со временем и под действием температур. Для пластин гибких дисков используют лавсан или майлар, а для жестких - обычно алюминий. На поверхность пластин наносят рабочий магнитный слой, который чаще всего основан на окиси железа. Хранимую информацию представляет состояние намагниченности отдельных участков рабочей поверхности. От качества материала рабочего слоя зависит допустимая плотность записи на информации. Механическая прочность и устойчивость рабочего слоя определяет долговечность носителя.

Традиционно для записи и чтения информации используются магнитные головки. Они представляют собой миниатюрные катушки индуктивности, намотанные на магнитном сердечнике с зазором. При записи головка намагничивает участок магнитного слоя, проходящий под рабочим зазором, в направлении, определяемом направлением протекающего тока. При проходе намагниченных участков поверхности около индуктивной головки считывания в момент смены направления намагниченности в ней наводятся импульсы э.д.с., полярность которой определяется знаком смены направления. Далее сигнал модулируется и передается контроллеру и внешнему интерфейсу.

Скорость вращения дисков у разных накопителей своя. Для магнитных дисков весьма критично расстояние от головки до поверхности магнитного слоя носителя. В накопителях на гибких дисках в нерабочем состоянии головка поднята над поверхностью диска на несколько миллиметров, в рабочем состоянии прижимается к поверхности диска специальным электромагнитным приводом. Однако непосредственный контакт головки с поверхностью возможен только на малых скоростях. В накопителях с высокой скоростью вращения головки поддерживаются на микроскопическом расстоянии от рабочей поверхности диска аэродинамической подъемной силой. Падение головки на рабочую поверхность может привести как к поломке головки, так и повредить поверхности диска. Что бы этого не происходило в нерабочем состоянии головка паркуется в нерабочую зону, где приземление на поверхность допустимо (управляется процесс сменой напряжения питания).

В качестве привода для позиционирования головок на нужный цилиндр в накопителях на гибких дисках применяются шаговые двигатели. Это двигатели под действием серии импульсов, подаваемых на их обмотки, способны поворачивать свой вал на определенный угол. Этот угол может быть только кратен минимальному шагу, определяемому конструкцией двигателя. Вращательное движение вала преобразуется в поступательное движение с помощью червячного механизма или металлической ленты намотанной на вал. Таким образом, поворот вала двигателя на один шаг приводит к перемещению блока головок на один цилиндр. Эта система без обратной связи. В современных накопителях используют систему с обратной связью, которая выполнена на основе подвижной катушки, работающей по принципу звуковой катушки. В таком устройстве блок головок связан с катушкой индуктивности, помещенной в магнитное поле постоянного магнита.

Кроме механики дисковый накопитель имеет блок электроники, управляющий приводами шпинделя и головки, а так же обслуживает сигналы рабочих головок чтения–записи. Контроллером накопителя называют электронное устройство, на одной интерфейсной стороне которого обмен идет байтами команд, а другая связана с электромеханической частью диска. В современных накопителях ATA или SCSI контроллеры расположены на плате электроники.

Развитие HDD-технологий можно разбить на пять этапов:

· Первый (до 1979 года) - использование "классических" индуктивных головок записи/воспроизведения;

· Второй этап (1979-1991гг.) - применение тонкопленочных головок;

· Третий (1991-1995гг.) - применение магниторезисторных (MR, Magneto-Resistive) головок;

· Четвертый (1995-2000гг.) - применение супермагниторезистивных головок (GMR, Giant Magneto-Resistive): уменьшение магнитного зазора в записывающей головке и повышение чувствительности головки чтения за счет использования материалов с аномально высоким коэффициентом магниточувствительности;

· Пятый (с 2000 года) - появление моделей с новым типом магнитного покрытия — с антиферромагнитной связью (AFC) при сохранении параметров магнитных головок.