Видеоадаптеры

Общие сведения

Назначение и принцип работы видеоадаптера. Видеоадаптер (графический адаптер, видеокарта) является промежуточным звеном между компьютером и монитором. Основное назначение видеоадаптера — формирование изображения на экране монитора под управлением программы компьютера, т.е. на видеоадаптер возлагаются функции формирования сигналов, обеспечивающих вывод изображения.

Рассмотрим в общих чертах работу адаптера при выводе монохромного изображения. Цифровой образ текущего кадра изображения формируется центральным процессором и в виде матрицы двоичных чисел записывается в кадровый буфер видеопамяти. Строки матрицы отождествляются со строками растра изображения. Каждая ячейка матрицы соответствует точке (пикселу) на экране монитора, а ее содержимое (двоичное число) отражает яркость засветки точки. Видеоадаптер последовательно считывает содержимое каждой ячейки и формирует видеосигнал, который управляет яркостью электронного луча. Считывание ячеек осуществляется синхронно с перемещением луча по экрану монитора. В результате яркость каждого пиксела на экране монитора оказывается пропорциональной содержимому соответствующей ячейки памяти видеоадаптера. После считывания ячеек каждой строки матрицы формируется импульс обратного хода луча по горизонтали, а по окончании считывания всех ячеек кадрового буфера — импульс обратного хода луча по вертикали. Таким образом, частоты строчной и кадровой разверток задаются видеоадаптером и должны поддерживаться блоком разверток монитора.

С момента появления первых компьютеров видеоадаптеры претерпели значительные изменения. Единственное назначение первых видеоадаптеров состояло в обеспечении интерфейса между системным блоком и монитором (вывод простейших изображений). По мере развития компьютерной техники на видеоадаптеры стали возлагаться многие дополнительные функции, например формирование и аппаратное ускорение обработки изображений двумерной и трехмерной графики, прием и обработка телевизионных и других динамических изображений. Их реализация потребовала использования сложных схемных решений. Поэтому современные адаптеры (например, типа SVGA) являются многокомпонентными универсальными устройствами, обладающими широкими функциональными возможностями.

Основные типы адаптеров. Рассмотрим в хронологическом порядке основные типы адаптеров, оказавшие наибольшее влияние на видеосистемы современных (в том числе мультимедийных) компьютеров. Типы видеоадаптеров определяются стандартом на видеосистему компьютера и обеспечивают графические и цветовые возможности монитора.

Видеоадаптеры MDA. Этим типом адаптеров были оснащены первые персональные компьютеры фирмы IBM, в которых использовался цифровой монитор с люминофором зеленого свечения. Видеоадаптер типа MDA (Monochrome Display Adapter — адаптер монохромного дисплея) имел следующие показатели:

=> только текстовый режим 80x25 символов. Размер знакоместа составлял 9x14 пикселов, что обеспечивало поддерживаемое цифровым монитором разрешение 720x350 пикселов. Для размера самого символа отводилось 7x9 пикселов. Атрибутами знакоместа обеспечивалось четыре вида выводимых символов: обычный, подсвеченный, подчеркнутый и инверсный;

=> емкость видеопамяти — 4 Кбайт.

Видеоадаптеры CGA. Видеоадаптер стандарта CGA (Color Graphics Adapter — цветной графический адаптер) обеспечивал:

=> текстовый режим 80x25 при размере знакоместа 8x8, что соответствует разрешению монитора 640x200 пиксел;

=> графический режим работы с несколькими разрешениями монитора. Требуемый объем памяти при разрешении 640x200 в монохромном режиме составляет 640x480x1 = 128 000 бит = 15 625 Кбайт;

=> цветное изображение (от 4 до 16 цветов). В текстовом режиме — 16 цветов. При работе в графическом режиме с разрешением 320x200 для кодирования цвета каждого пиксела использовалось 2 бита, благодаря чему обеспечивалось одновременное отображение 4 цветов, а при разрешении 200x160 — 16 цветов;

=> емкость видеопамяти — 16 Кбайт;

=> возможность использования в качестве устройства отображения обычного телевизора. Для этого в видеоадаптере из четырех двоичных сигналов (яркости и трех базовых цветов) и сигналов синхронизации формировался цветной телевизионный сигнал. Недостаток адаптера — низкая разрешающая способность по вертикали и наличие помех в виде «снега». Малые размеры знакоместа — 8x8 — ухудшили различимость текста по сравнению с MDA.

Видеоадаптеры HGC. Адаптер HGC (Hercules Graphics Card — графическая карта фирмы Hercules) является графическим расширением MDA, так как сохранил монохромность изображения с высококачественным отображением текста (MDA) и обеспечил поддержку графического режима (CGA). Работает в режиме 720x350 с двумя битами на пиксел.

Видеоадаптеры EGA. По сравнению с CG А в видеоадаптеры EGA (Enhanced Graphics Adapter — усовершенствованный графический адаптер) внесены следующие изменения, направленные на повышение качественных показателей:

=> в текстовом режиме 80x25 увеличен размер знакоместа до 8x14 (размер символа — 7x9) и соответственно разрешение монитора до 640x200 пиксел, благодаря чему значительно повысилась четкость отображения текста;

=> для кодирования цвета пиксела вместо четырех двоичных разрядов использовано шесть, что увеличило размер палитры до 2⁶ = 64 оттенков. Однако количество одновременно отображаемых цветов осталось прежним (16);

=> увеличена емкость видеопамяти до 64 Кбайт, а в дальнейшем — до 128 Кбайт;

=> наряду с аппаратным знакогенератором введена программная загрузка шрифтов. Это значительно облегчило поддержку национальных языков;

=> введены DIP-переключатели на задней панели блока, при помощи которых производится настройка видеоадаптера на конкретный режим работы. Необходимость такой настройки диктовалась возможностью использования различных мониторов совместно с видеоадаптером EGA;

=> поддерживаются видеорежимы MDA и CGA;

=» интерфейсы RGB TTL и композитный, параметры синхронизации в CGA-режимах совпадают с телевизионными.

Видеоадаптер PGA. Особенность PGA (Professional Graphic Adapter — профессиональный графический адаптер) состояла в том, что видеоадаптер содержал процессор трехмерной графики.

Видеоадаптеры VGA. Причиной появления адаптеров VGA (Video Graphics Adapter — графический адаптер, формирующий видеосигнал) послужила ограниченность цветовой палитры видеосистем CGA и EGA. Цифровые мониторы этих систем не позволяли использовать более шести двоичных разрядов для кодирования цвета, что обеспечивало три базовых цвета с двумя уровнями яркости и цветовую палитру 64 цветовых оттенков. Для расширения цветовой палитры специалисты фирмы IBM приняли решение вернуться к аналоговому цветному монитору, которое было реализовано в 1987 г. при создании компьютера PS/2 (Personal System) и стало новым стандартом VGA. Для кодирования каждого базового цвета используется шесть уровней яркости, что позволяет получить 2 ^3x6 = 262 144 цветовых оттенка палитры VGA, из которых одновременно могут быть задействованы только 256 оттенков.

Расширение палитры оказалось возможным благодаря введению в видеоадаптер VGA микросхемы RAMDAC (Random Access Memory Digital-to-Analog Converter — цифро-аналоговый преобразователь данных, хранимых в оперативном запоминающем устройстве, или ОЗУ + ЦАП). Микросхема RAMDAC предназначена для преобразования двоичных чисел, содержащихся в ячейках видеопамяти, в три непрерывных RGB-сигнала, уровень которых пропорционален яркости каждого из трех основных цветов. В состав микросхемы RAMDAC входят:

=> ОЗУ, составленное из 256- и 18-разрядных регистров цвета;

=> быстродействующий 3-канальный ЦАП, с выходов которого снимается аналоговый RGB-сигнал.

Таким образом, в адаптере сначала формируется цифровой сигнал, который хранится в ОЗУ, а затем с помощью ЦАП преобразуется в аналоговый RGB-сигнал и подается на монитор.

Первые видеоадаптеры VGA имели 256 Кбайт видеопамяти, что обеспечило (с излишком) поддержку следующих новых режимов: => высококачественного текстового режима 80x25 символов при 16 цветах, разрешении экрана 720x400, размерах знакоместа 9x16, частоте кадров 70 Гц;

=> графического режима 640x480 пиксел при 4-битной кодировке цвета, или 16 оттенках цвета (640x480/16);

=> графического режима 320x200 пиксел при 8-битной кодировке цвета, или 256 оттенках цвета (320x200/256). В этом режиме полностью задействованы все 256 регистров цвета RAMDAC. Благодаря использованию видеорежима 320x200/256 впервые было получено изображение, близкое по цветовой гамме к реальному.

В соответствии с традициями IBM видеоадаптер VGA обеспечивал совместимость со всеми видеорежимами предыдущих видеоадаптеров.

Для видеоадаптеров VGA был разработан список стандартных видеорежимов, при этом списки видеорежимов видеоадаптеров предыдущих типов составили подмножества основного списка. В результате сложилась единая нумерация всех стандартных видеорежимов, что обеспечило хорошую совместимость различных моделей видеоадаптера VGA с программным обеспечением.

Увеличение разрешения и частоты кадров привело к значительному расширению спектра видеосигнала на выходе видеоадаптера VGA. Для неискаженной передачи широкополосного видеосигнала от видеоадаптера к монитору был разработан новый 15-штырьковый D-об- разный разъем и использован высокочастотный соединительный кабель. Передача RGB-сигнала в этом кабеле осуществлялась по трем изолированным друг от друга витым парам с малым затуханием высокочастотных сигналов.

Стандарт VGA явился качественным скачком в развитии компьютерных видеосистем и определил базовые принципы их функционирования, которые сохранились до настоящего времени. Однако для ряда приложений требовалось более высокое разрешение (например, системы автоматизированного проектирования) и большее количество цветов (программы обработки изображения). Различные усовершенствования видеоадаптеров привели к появлению многочисленных расширений стандарта VGA, которые постепенно оформились в обобщенный стандарт Super VGA.

Видеоадаптеры Super VGА. Первоначально совершенствование видеоадаптера VGA шло в основном за счет увеличения объема его видеопамяти: сначала до 512 Кбайт, затем до 1 Мбайт. Появились видеоадаптеры, поддерживающие режимы 800x600, 1024x768 при одновременном отображении 256 оттенков цветов. Для работы с такими видеоадаптерами использовались модернизированные мониторы, имеющие уменьшенное зерно люминофора экрана, повышенные частоты синхронизации и более широкую полосу пропускания видеотракта. Возникло понятие видеосистемы Super VGA, под которым поначалу понималось любое расширение возможностей стандарта VGA.

Видеоадаптеры IBM 8 5 1 4/А. Фирмой IBM для компьютеров типа PS/2 была разработана видеосистема 8514. В ее состав входил аналоговый цветной монитор IBM 8514 с повышенным разрешением и видеоадаптер 8514/А, который:

^дополнительно обеспечивал разрешение 800x600 и 1024x768, причем в последнем случае использовалась чересстрочная развертка; => имел дополнительные аппаратные средства, ускорявшие реализацию графических функций.

Стандарт VESA Super VGA. Разнообразие моделей видеоадаптеров SVGA обусловило проблему их совместимости с программным обеспечением, так как каждая фирма-производитель использовала свои номера видеорежимов и свои команды инициализации. Для ее решения Ассоциация стандартов по видеоэлектронике (Video Electronics Standard Association — VESA) предложила стандарт на нумерацию и способ инициализации видеорежимов, расширенных относительно VGA (табл. 15.1). Было принято считать, что для реализации SVGA-режимов требуется не менее 512 Кбайт видеопамяти.