Логические устройства стандартной видеосистемы ПК

Контроллер ЭЛТ

КЭЛТ присутствует в любой видеосистеме ПК. Основными его функциями являются управление процессом синхронизации и параметрами разрешения монитора. При этом используется программнодоступные регистры контроллера. Обращение к регистрам выполняется через порты 3D4h/3D5h (порт адреса / порт данных).

КЭЛТ содержит 18 регистров, значения которых устанавливаются самой видеосистемой (ПЗУ BIOS), либо операционной системой. Основными регистрами являются следующие:

• регистр 1 - размер горизонтали в символах;
• регистры 2-5 - управление разверткой луча;
• регистр 9 - высота символа в линиях (-1);
• регистры 10,11 - размер курсора(начальная и конечная линии);
• регистры 12,13 - адрес начала видеобуфера;
• регистры 14,15 - текущее положение курсора на экране.

 

Секвенсор

Данное устройство используется в EGA-, VGA-системах. Секвенсор управляет потоком данных из видеопамяти или графического контроллера в КАЦ. Секвенсор содержит ряд программно-управляемых регистров, которые доступны через порты 3C4h/3C5h:

• регистр 0 - восстановление видеопамяти при изменении режима (очистка памяти)
• регистр 1 - ширина символа в текстовых режимах (8,9)
• регистр 2 - регистр маски, младшие 4 бита которого определяют доступ к битовым плоскостям видеопамяти;
• регистр 3 - выбор режима отображения символов;
• регистр 4 - регистр режима памяти.

 

Графический контроллер

Графический контроллер (ГК) также появился в EGA- и VGA-системах и был предназначен для управления потоком данных между процессором и видеопамятью. ГК также содержит ряд программнодоступных регистров, значение которых устанавливается самой видеосистемой на основании установок других логических устройств видеосистемы. Доступ к девяти регистрам выполняется через порты

3Ceh/3CFh.

 

Контроллер атрибутов цвета (КАЦ)

Полностью отвечает за управление цветов в EGA-системе, а в VGA – осуществляет формирование цвета совместно с ЦАП. КАЦ содержит 20 (для EGA) или 21 (для VGA) регистров, которые доступны через порты 3C0h/3C1h. Блок регистров содержит следующую управляющую информацию:

• регистры 0-Fh - хранят 16 цветов палитры;
• регистр 10h - регистр управления видеорежимом;
• регистр 11h - цвет рамки экрана (по умолчанию 0 - черный)
• регистр 12h - регистр маски битовых плоскостей;
• регистр 13h - регистр управления смещением изображения (возможность просматривать экраны шириной более 80 символов);
• регистр 14h - регистр преобразования номера регистра палитры в номер регистра ЦАП (только в VGA).

 

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

ЦАП присутствует только в VGA-, SVGA- системах и предназначен для преобразования 8-битного кода регистра в аналоговый сигнал для управления монитора. Для этих целей в ЦАП содержится 256 регистров, каждый из которых состоит из 18 бит (по 6 бит на каждый из основных цветов RGB – красный, зеленый и синий).

Обращение к регистрам ЦАП осуществляется через порты 3C6h – 3C9h:

• 3C6h - определяет таблицу цветов ЦАП (только для чтения)
• 3C7h - предназначен для чтения/записи регистров ЦАП;
• 3C8h - определяет номер изменяемого регистра ЦАП;
• 3C9h - предназначен для чтения/записи регистров ЦАП.

Использование данных портов позволяет осуществлять чтение и запись, как для отдельных регистров ЦАП, так и для всего массива регистров целиком. Формирование цвета в канале КАЦ – ЦАП осуществляется по схеме приведенной на рис.8.19.

Для того чтобы преобразовать содержимое регистра КАЦ (6 разрядов) в байт, определяющий номер регистра ЦАП, существует две схемы преобразования, которые могут использоваться в любом из 16-цветных режимов.

Выбор одной из двух схем преобразования определяется значением 7-го бита 16-разрядного регистра КАЦ (10h):

1) [7-й бит регистра 10h] = 0 - формируется 4 группы регистров

ЦАП по 64 регистра в каждом;

2) [7-й бит регистра 10h] = 1 - определяется 16 групп, по 16 регистров ЦАП в каждой.

Конец 80 вопроса.
81. Современные режимы работы видеосистем

1. 16-цветные режимы:

- ограничение на объем памяти (не более 64К);

- неудобный для программирования доступ к видеосистеме по плоскостям;

- практически полное отсутствие поддержки стандарта GKS.

2. 256-цветные режимы:

- малое разрешение экрана (стандартный вариант – 320 200);

- отсутствие аппаратной поддержки курсора мыши;

- неудобство программирования (в стандартном режиме доступ по плоскостям блокирован, что не позволяет увеличить объем памяти);

- нет поддержки полноцветных режимов High Color и True Color.

3. Текстовые режимы:

- недостаточное количество цветов (одновременно отображаются только 16 цветов);

- исключен режим прямого доступа АРА;

- “проблема” 9-й колонки при описании символов (она недоступна для кодирования);

- жесткий размер экрана (25 строк по 80 символов).

 

 

4. Общие особенности:

- отсутствие квадратных пикселей (отображение круглых кругов и соотношение сторон экрана по телевизионному стандарту 4:3);

- 6-разрдное кодирование основных (RGB) цветов;

- отсутствие поддержки режимов с повышенным разрешением.

Таким образом, стандартные режимы VGA имеют множество недостатков, что и предопределило их дальнейшую судьбу: при дальнейшем развитии видеосистемы ПК от них отказались. Новое поколение видеорежимов имело аппаратную поддержку за пределами системной платы (main board) ПК. Несколько сгладить ситуацию (в рамках DOS) позволило то обстоятельство, что VGA позволяет программно управлять параметрами видеорежимов, то есть позволяет устанавливать нестандартные режимы работы видеосистемы, в рамках которых можно устранить некоторые из перечисленных недостатков.

Нестандартные режимы работы VGA

Кроме параметров стандартных режимов в адаптер VGA была заложена возможность произвольного управления всеми параметрами графических и текстовых режимов (разрешение экрана, количество цветов и пр.). Нестандартные режимы позволяют организовать работу с несколькими битовыми плоскостями в 256-цветных режимах. Этот прием позволяет преодолевать ограничение на доступную память размером в сегмент (64 Кбайт). Нестандартные 256-цветные режимы имеют следующие преимущества по сравнению с режимом 13h:

• позволяют устанавливать такие параметры видеосистем, как размеры экрана, количество битовых плоскостей, вид адресации и пр.;
• увеличение количества страниц видеопамяти до двух (например, режим 320 240 или 320 400) или четырех (например, режим 320 200);
• увеличение быстродействия за счет четырех регистров-защелок, позволяющих одновременно заносить байт (пиксели) в четыре битовые плоскости.

Байты (пиксели) располагаются по плоскостям последовательно: 0-й

байт – в 0-й плоскости, 1-й байт – в 1-й плоскости, 2-й байт – в 2-й плос-

кости, 3-й байт – в3-й плоскости, 4-й байт – в 0-й плоскости и т.д. Для того чтобы установить нестандартные 256-цветные режимы необходимо предварительно включить режим 13h. После этого следует скорректировать некоторые значения регистров КЭЛТ и секвенсора.

Например, для установки режима Х (320 240), имеющего (в отличие от режима 13h) размер экрана со стандартным (телевизионным) соотношением сторон 4:3, необходимо выполнить следующие действия.

1. Установить режим 13h 320 200.

2. Изменить одностраничную структуру видеопамяти на двухстраничную (при этом доступны все 256 Кбайт), для чего установить 3-й бит 4-го регистра секвенсора в нуль (бит установки непрерывной линейной памяти).

3. Установить режим побайтной адресации видеопамяти, для чего изменить содержимое двух регистров КЭЛТ: в 17-м регистре 2-й бит установить в единицу, а в 14-м регистре 6-й бит – в нуль.

4. Отменить режим двойного сканирования, что позволит отображать на экране более 200 строк. Для этого необходимо в 9-м регистре КЭЛТ установить 0-й бит в нуль, а 6-й – в единицу.

Преимущества нестандартных 256-цветнх режимов:

1) увеличения количества страниц до двух в режимах 320 240 или 320 400 и до четырех в режиме 320 200;

2) увеличения быстродействия за счет использования одновременной записи в 4 регистра-защелки;

3) возможность получения квадратных элементов отображения, то есть стандартного соотношения сторон 4:3.

Недостатком нестандартных 256-цветных режимов является сложность их программирования, так как в стандартных инструментальных средства программирования отсутствует поддержка этих режимов.

После выхода видеосистемы VGA, на платформе ПК практически отсутствовали единые стандарты для видеосистем. Ассоциация экспертов VESA (Video Electronics Standard Association) выступила с инициативой по созданию стандартного интерфейса VESA VL-Bus (VESA Local Bus) и системы прерываний VBE (VESA BIOS Extension). VBE определяла дополнительные режимы работы видеосистем с разрешением от 8 до 32 бит на пиксель. Стандарт на видеосистему VESA не получил дальнейшего развития из-за неудачного аппаратного решения вопроса архитектурной организации видеосистемы. В общем случае основная задача для видеосистем ПК, заключающаяся в расширении видеопамяти, может быть решена двумя путями:

1) за счет увеличения количества битовых плоскостей, каждая из которых имеет объем в один сегмент (64К);

2) за счет использования плавающего окна (банка данных), размером в 64К в видеобуфере большого размера.

Последний вариант был принят в стандарте VESA. Для отображения данных в видеопамяти, кроме указателя смещения в пределах окна (64К), необходимо указать смещение самого окна в видеобуфере. В этом случае появилась возможность использования полноцветных (беспалитровых) режимов, которые не требуют создания и хранения палитры.

Основные режимы:

High Color - 15 или 16 бит на пиксель: RGB555 и RGB565 соответственно;

True Color - 24 или 32 бита на пиксель: RGB888 и RGBA8888 соответственно, где А – дополнительный цветовой канал, использование которого определяется форматом графической информации и/или приложением обрабатывающим его (чаще всего А – это канал прозрачности).

Конец 81 вопроса.
82. Организация взаимодействия в современных видеосистемах ПК. Аппаратные интерфейсы

ISA Bus. Исторически первым международным стандартом на шину ПК являлся стандарт ISA. Шина работала на частоте 12 МГц и обеспечивала пиковую производительность 24 МВ/с. Этой производительности хватало на примитивные приложения деловой графики и простейшие мультимедийные приложения. Согласно рекомендации PC98 применять шину ISA не рекомендуется. Однако большинство производителей поддерживают совместимость с ISA для организации взаимодействия с устаревшими “медленными” устройствами (клавиатура, дисководы и т.п.). В 1999 году вышел стандарт на усовершенствованный интерфейс LPC, который был призван заменить стандарт ISA, расширяя его возможности в области быстродействия (33МГц) и адресуемой памяти (до 4 Гбайт).

VL-bus. Попыткой заменить стандарт ISA была разработка международной ассоциации VESA. Проект VL-bus (VESA Local Bus) поддержали ведущие производители аппаратных и программных средств.

Стандарт VESA не нашел широкого распространения из-за того, что в основу аппаратного решения были заложены неперспективные возможности (33 МГц, 64 МВ/с). Однако подключение уже второй платы к шине VL-bus могло приводить к конфликтам.

PCI bus. После неудачной реализации VESA 2 производители аппаратных средств стали самостоятельно развивать интерфейс ПК. Наиболее перспективной оказалась разработка фирмы Intel – интерфейс для компьютеров с процессорами Pentium – PCI.

Шина в начальном варианте имела следующие характеристики: частота 66 МГц, скорость передачи данных – 128 МВ/с.

Интерфейс PCI позволяет эффективно реализовать графические приложения деловой графики и мультимедийные игровые приложения. Однако возросшие потребности в области трехмерной графики и виртуальной реальности снова поставили задачу перед производителями аппаратных средств.

AGP. Для решения этой задачи фирма Intel предложила (1991 год) вариант архитектур, использующий специализированный графический порт – AGP (Accelerated Graphics Port) – для подключения высокопроизводительных ускорителей. Для поддержки AGP выпускаются следующие наборы системных микросхем: Intel (начиная с набора 440), Via Apollo, Ali Aladdin и др.

Однако для некоторых приложений, обеспечивающих высокоточное 3D-моделирование, этой памяти оказывается недостаточно. Поэтому последние версии AGP позволяют хранить растровые образы текстур в общей памяти, обеспечивая при этом высокоскоростной доступ к ней. При отключенном режиме DiME, графическому ускорителю доступны только текстуры, расположенные в памяти самого графического

ускорителя.

Современный стандарт на порт AGP (версия 2.0 1994 года выпуска) позволяет за один такт работы пересылать графические данные 2, 4 или 8 раз (AGP 2x, AGP 4x, AGP 8x). Производительность канала для перекачки графики доходит до 528 Мб/с (до 2 Гб/с в AGP 8x при тактовой частоте 533 МГц). Кроме того, для ускорения графических операций, использующих текстуры, AGP поддерживает режим прямого исполнения из памяти DiME - DIrect Memory Execute (в стандартном режиме работы видеосистемы, текстуры геометрических объектов хранятся в специально отведенной для этого памяти графического ускорителя).

PCI Express. Следующий шаг фирма Intel осуществила только через 12 лет – в июле 2002 гора была предложена спецификация последовательной шины PCI Express. Необходимость разработки новой спецификации объяснялась тенденциями развития современной микроэлектроники – увеличение производительности путем повышения тактовых частот и расширение функциональности за счет повышения уровня микроминиатюризации.

Достоинствами PCI Express являются:

• высокая частота работы (более 3 Гбайт/с в однонаправленном режиме работы);
• упрощение разводки материнских плат за счет уменьшения количества проводников в последовательном интерфейсе (не смотря на то, что стандарт предусматривает 32-канальный интерфейс, в практике разработки ПК используется 16-канальный интерфейс);
• защита от помех, которая обеспечивается избыточным кодированием (два дополнительных бита на каждый байт);
• поддержка горячей замены плат;
• пониженное энергопотребление (за счет сокращения сигнальных линий, нуждающихся в питании) и нагрева ПК;
• включение в стандарт алгоритмов управления питанием;
• асинхронность передачи данных по каждому из каналов (интерфейс х16 фактически представляет собой 16 независимых каналов передачи).

Единственным недостатком нового интерфейса является то, что его использование требует полной замены компьютера, использовавшего AGP-интерфейс.

Конец 82 вопроса.
83. Графические процессоры ATI и nVIDIA

Видеосистемы фирмы ATi носят название Radeon. В настоящее время на рынке присутствуют представители семейств Radeon X300, Radeon X600, Radeon X700, Radeon X800 и Radeon X1000.

Видеоплаты семейств Radeon X300 и Radeon X600 ориентированы на графические системы начального уровня. Начиная с семейства Radeon X700 (GPU RV410) поддерживаются дополнительные возможности:

· режим сглаживания (FSAA – Full Screen Anti-Aliasing - полноэкранное сглаживание) 2x 6x;

· анизотропная фильтрация (anisotropy filtration) до степени 16х;

· пиксельные шейдеры версии 2.0b;

· вершинные шейдеры версии 2.0.

В основе семейства Radeon X800 лежит GPU R420 (в различных вариантах – R420, R423, R430, R480, R481). Общая схема организации GPU 420, основные особенности:

• 6 вершинных шейдеров, построенных на базе 32-разрядных АЛУ;
• усовершенствованные пиксельные конвейеры, объединенные в 4 группы по 4 конвейера (квады – от англ. quad - четверка);
• использование технологии 3Dс – сжатия карта нормалей, уменьшающий размер информации о нормалях в 4 раза
• применение технологии Temporal FSAA (временное полноэкранное сглаживание), использующей различные шаблоны для четных и нечетных кадров.

Появление семейства X1000 ознаменовало смену поколений в истории развития видеоплат ATi Radeon, базирующейся на 90-нанометровой технологии (содержит до 350 млн. транзисторов). Решения, предложенные в этом семействе способны заменить все существовавшие до этого времени варианты видеоплат ATi (всего 11 вариантов):

X1300 – для бюджетных решений;

X1600 – для массовых решений;

X1800 – для высокопроизводительных игровых ПК.

Процесс обработки состоит из следующих этапов:

• геометрические преобразования в вершинных процессорах: 8 процессоров Vertex Shader Processor (VSP) с поддержкой Shader Model 3.0; каждый VSP состоит из двух АЛУ – 128-разрядного векторного АЛУ и 32-разрядного скалярного (ок. 10 млрд. команд в секунду);
• отсечение невидимых линий и поверхностей (Backface Cull), перспективные построения (Perspective Divide), обрезка кадра (Clip), построение проекции (Viewport Transorm);
• растеризация сцены (блок сборки – setup engine);
• распределение данных (Ultra-Threading Dispatch Processor) - до 512 потоков (размер потока 4x4 пикселя);
• пиксельная обработка (Quad Pixel Shader Cores) в пиксельных процессорах (Pixel Shader Processor), каждый из которых содержит два скалярных, два векторных АЛУ и блок управления ветвлениями.

Видеосистемы фирмы nVIDIA носят название GeForce. Графический процессор NV40 стал базовым для целого ряда семейств (NV41, NV42, NV45). В его состав входят:

• 16 пиксельных конвейеров;
• пиксельные и вершинные шейдеры версий 3.0;
• 6 блоков вершинных процессоров;
• встроенный видео-процессор;
• память GDRR3 (35,2 Гбайт/с);
• сглаживание методом поворота сетки;
• анизотропная фильтрация и др.

Сам процессор NV40 разрабатывался под порт AGP, другие процессоры (NV41, NV42 и NV45) ориентированы на PCI Express. NV40 имеет шесть вершинных процессоров. Все вершинные процессоры соответствуют требованиям Microsoft DirectX 9.0c, то есть Vertex Shader 3.0.

Вершинные процессоры содержат по 6 процессоров, включающих 32-разрядное АЛУ, блок из 4 АЛУ обработки вершин и процессор текстур (TMU – Texture Mapping Unit).

Пиксельные процессоры (ROP – Raster OPerating) сильно отличаются от своих предшественников:

• впервые используется сглаживание методом поворота сетки субпиксельных участков (rotated grid);
• отдельный программируемый видеоадаптер с аппаратной поддержкой кодирования/декодирования MPEG;
• четыре кэша текстур, обслуживающие по 4 конвейера каждый;
• кэш второго уровня L2 позволяющий уменьшить нагрузку на интерфейс памяти;
• потребляемая мощность – порядка 110 Вт.

Конец 83 вопроса.