Первое изображение которое вывело человеческая рука было наскальным рисунком. Для этого доисторический человек использовал природные красители и собственные пальцы. Постепенно доисторические люди перестали быть доисторическими и свою жизнь стали изображать на дощечках с помощью тех же красителей но уже с применением, пусть и убогих, но все же кистей. Апгрейд налицо! Но технологии, как известно, не стоят на месте. Со временем люди стали рисовать на материи, а краски и кисти постоянно совершенствовались. Появление бумаги не могло не сказаться на технологии вывода и сохранения информации. Но вот 7 января 1839 года грянул гром – появилась фотография! Устройства чрезвычайно усложнились. Да и сам процесс вывода информации с технической точки зрения (художественную сторону трогать не будем) стал заметно технологичнее. Но людям и этого было мало. Хотелось чего-то эдакого. И вот результат – появилось телевидение, а это уже теплее к теме данной статьи. С появлением телевидения технологии вывода информации и ее хранения пошли разными путями. Масло в огонь подлило появление персональных компьютеров, которые со временем заселили собой всю планету. Нарисовались новые технологии и устройства и вот о них то я и буду рассказывать, а точнее о спецификациях, стандартах и прочей фигни, связанной с видеокартами.
Итак, зачем нужны видеокарты? Затем, что бы передавать данные в монитор, которые предварительно были обработаны и преобразованы самой же видеокартой. Определим основные компоненты этого девайса: графический процессор, оперативная память, BIOS (Basic Input/Output System), ЦАП (цифровой – аналоговый преобразователь) и шина.
Графический процессор.
Первые видеоадаптеры вообще его не имели. Такая структура называлась frame-buffer technology, что по-русски будет – структура с сохранением кадра изображения. Видеокарта отвечала за хранение и регенерацию кадра, а его построением занимался CPU и программа, отвечающая за данное изображение. Как вы понимаете – это не самая удачная технология, поскольку львиная доля работы по построению картинки ложится на центральный процессор, которому и без того работы хватает. Поэтому со временем появился видеоакселератор. Это электронная микросхема (или микросхемы) берущая на себя не сильно сложные, но занимающие много времени, операции. При этом CPU частично разгружается. Уже плюс. Но это еще не все. Кому-то пришла замечательная мысль о том, что центральный процессор можно вообще освободить от работы, связанной с построением изображения. Для этого пришлось разработать отдельный, графический, процессор, который расположен на самой видеокарте. Со своей работой он справлялся значительно быстрее, чем CPU, так как был специально для нее предназначен. GPU (прошу заметить, именно GPU, а не CPU) отвечает за формирование сигналов развертки для монитора и обработку запросов центрального процессора, а так же за вывод изображения из памяти видеоадаптера.
Теперь мне придется сделать некоторое отступление. Существует такое понятие, как трехмерная графика (хотя следует понимать, что любое изображение на экране монитора или телевизора плоское). Так вот, трехмерный объект состоит из трех составляющих. Первое: вершины, из которых складывается положение объекта в пространстве. Второе: примитивы, а проще говоря геометрические объекты, которые являются частями более сложных объектов. Положение примитивов определяют вершины. Третье: текстуры – двумерные изображения накладываемые на примитивы. В зависимости от положения примитива, программа изменяет текстуру, что подчеркивает виртуальную трехмерность изображения. В процессе визуализации вышеперечисленных абстрактных математических процессов, объекты преобразовываются в видимую форму и этот процесс строго стандартизирован и вот почему. Часть функций выполняется не программно, а аппаратно, то есть на видеоадаптере выделены микросхемы которые выполняют:
1. Растровое преобразование – процесс определения пикселей экрана, которые будут покрыты примитивом.
2. Образование текстуры – наложение на примитивы поверхностей.
3. Обработка полутонов – цветовое наполнение пикселей.
4. Определение видимости поверхностей – определение пикселей наиболее близких к пользователю.
5. Анимация – быстрые и четкие переходы от кадра к кадру при движении объекта.
То есть графический процессор и ряд вспомогательных микросхем занимаются строго определенными операциями и делают это быстро и надежно. Поэтому зная стандартные функции визуализации, можно, в рамках дозволенного, дать волю фантазии. Зачем выполнять часть функций средствами микросхем видеоплаты, спросите Вы? Дело в том, что так быстрее получается, нежели выполнять это программными средствами. А скорость, при воспроизведении движущегося изображения, дело далеко не последнее.
Видеопамять.
Все видеоадаптеры снабжены оперативной памятью в которой хранится информация об изображении. Чем больше память, тем качественнее и четче будет изображение, так как объем видеопамяти влияет на разрешение и количество воспроизводимых цветов. Объем памяти не влияет на ее быстродействие. Влияет тип используемой видеопамяти, а их несколько.
FPM DRAM (Fast Page–Mode DRAM)
Этот тип памяти является устаревшей технологией, так как использует постраничный режим работы. Это неудобно и самое главное медленно. При разрешении в 1024х768 и частоте в 72 Гц скорость считывания из банков памяти равняется примерно 170 Мбайт/сек, а это уже предел для FPM DRAM. Поэтому этот тип видеопамяти давно не используется.
EDO DRAM (Extended Data Out DRAM)
Основное отличие заключается в том, что элементы памяти подзаряжаются отдельной электронной схемой, что позволяет начать следующий цикл обращения до того, как закончится предыдущий. Благодаря этой технологии EDO работает на 10 – 15 % быстрее FPM.
VRAM (Video RAM)
Этот тип памяти является двухпортовой, то есть к памяти могут одновременно обращаться два различных устройства. Это заметно ускоряет работу но и влияет на цену :(
WRAM (Window RAM)
Этот тип разработан на фирме Samsung. Память WRAM так же двухпортовая но ее микросхемы оптимизированы, работают быстрее и стоят дешевле. Вскоре, после появления, WRAM вытеснила с рынка VRAM.
MDRAM (Multibank DRAM)
А этот тип памяти разработан на MoSys, Inc. Сия технология представляет набор банков по 32 Кбайта. Это позволило снизить стоимость памяти. Кроме этого, технология MDRAM позволяет обращение к каждому из банков в отдельности, а это существенно увеличивает скорость работы памяти.
SDRAM (Synchronous DRAM)
Сей тип памяти передает информацию в высокоскоростных пакетах, использующих синхронизирующий интерфейс. При работе этого типа памяти устраняется необходимость в большинстве циклов ожидания, ведь сигналы, по которым работает память, синхронизированы с тактовым генератором.
SGRAM (Synchronous Graphics RAM)
Этот тип памяти схож с SDRAM. Но если пропускная способность SDRAM порядка 166 – 253 Мбит/сек, то у SGRAM этот показатель достигает до 300 Мбит/сек.
DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)
Ну а это новый тип памяти все чаще и чаще применяемый в видеокартах. В отличие от памяти SDRAM, здесь происходит удвоение скорости и достигается оно не за счет увеличения тактовой частоты, а за счет передачи данных два раза за один цикл. Первый раз - в начале цикла, второй - в конце.
А теперь кое-что о требуемом объеме видеопамяти. Займемся математикой. Возьмем монитор с разрешением 800х600 (хотя на сегодняшний день наиболее актуально разрешение 1024х768, так как наиболее часто используемыми, являются 17 дюймовые мониторы, но я взял разрешение 800х600 за базовое из-за простоты расчетов). Итак, при разрешении 800х600 количество пикселей на экране будет равно 480 000. Если взять черно – белое изображение без градации серого, то на формирование одного пикселя понадобится 1 бит. В двоичной системе бит может либо включенным (1), либо выключенным (0). В нашем случае включенный бит будет означать белый цвет пикселя, а выключенный бит – черный. Для хранения картинки потребуется 480 000 битов или 60 000 байт. Если использовать цветное изображение с 16 цветами, то на каждый пиксель придется выделить 4 бита. В этом случае потребуется 240 000 байт. Но в режиме SVGA используется 16 777 216 цветов. Здесь на один пиксель приходится выделять 24 бита. Посчитаем: 11 520 000 битов или 1 440 000 байт необходимо, как минимум, для хранения картинки в памяти.
Таблица требований к объему видеопамяти в зависимости от разрешения и количества используемых цветов.
разрешение,
пиксели
глубина цвета,
бит
количество цветов
минимальный объем памяти,
байт
640x480
24
16 777 216
921 600
800x600
24
16 777 216
1 440 000
1024x768
24
16 777 216
2 359 296
1280x1024
24
16 777 216
3 932 160
BIOS.
Базовая система ввода/вывода хранит основные команды, обеспечивающие интерфейс между устройствами видеокарты и программным обеспечением. Кроме этого, в BIOS записаны всевозможные служебные таблицы, а так же экранные шрифты. Для базовой системы ввода/вывода в верхней оперативной памяти системы зарезервировано 128 Кбайт, начиная с сегмента С0000. Правда все это пространство, как правило, не используется. При включении компьютера для того, что бы найти программу работы с видеоадаптером, ROM BIOS материнской платы сканирует адреса от C000:0000 до C780:0000. В случае нахождения программы, BIOS проверяет контрольную сумму кода. При совпадении суммы с заданной, управление передается BIOS видеоадаптера и на монитор выводится первичная информация. В случае, если BIOS видеоадаптера не найдена, управление передается, встроенному в BIOS материнской платы, драйверу.
ЦАП (RAMDAC).
Дело в том, что все сигналы в компьютере передаются в цифровом виде, а вот в монитор от видеоадаптера поступает аналоговый сигнал (SVGA). Для преобразования цифрового сигнала в аналоговый и служит RAMDAC. Правда, так было не всегда но об этом позже. Быстродействие ЦАП определяется регенерацией адаптера по вертикали и измеряется в МГц.
Шина.
Графический процессор и память адаптера обмениваются данными по шине. Она бывает 32, 64 и 128 разрядной. Именно эта разрядность и указывается производителями видеоадаптеров.
Таковы вот основные устройства видеоадаптеров. На мелочи распыляться не будем, а рассмотрим вот еще какой аспект. Видеоплаты делятся по типу используемой шины для подключения и обмена данных. Для этих целей используются шины ISA, PCI, AGP. ISA с ее скоростью передачи данных в 8 Мбайт/сек не выдерживает ни какой критики, но все же первые видеоадаптеры подключались именно к ней ввиду отсутствия выбора. Сейчас наверное таких и не встретишь. А вот видеокарты под шину PCI до сих пор еще есть в продаже. Скорость передачи данных этой шины в зависимости от разрядности 132 Мбайт/сек или 264 Мбайт/сек. Это уже куда ни шло. Но самые крутые (да и не только самые крутые) видеокарты используют AGP. Тут скорость передачи данных до 1066 Мбайт/сек у AGP 4х. А ведь уже существуют AGP 8x. Кроме всего прочего, следует отметить, что шина AGP специально разработана для видеокарты и на материнской платы существует в единственном виде. А раз «что-то» для «чего-то» специально разработано, то это «что-то» и надо использовать для этого «чего-то».
А теперь поговорим о стандартах. Как и в любой области инфотехнологий, видеокарты так же подчиняются различным стандартам. Вот они:
1. MDA.
2. CGA
3. EGA
4. VGA
5. SVGA
6. XGA
MDA (Monochrome Display Adapter).
Первые видеоадаптеры подчинялись стандарту MDA. Изображение был монохромное и символьное. То есть на монитор могли быть выведены только буквы или символы при разрешении 720х350 и только в черно – белом цвете. Для каждого символа использовалась матрица размером 9х14 пикселей. Видеокарты MDA позволяли подключить к ним принтер. Так что, молодые люди, уважайте своих отцов – только представьте, на каком оборудовании им приходилось работать.
CGA (Color Graphics Adapter).
Это первый стандарт, позволяющий выводить цветное изображение на монитор. И до кучи, позволял отображать графику. Адаптеры CGA работали в двух режимах: A/N (alphanumeric) – алфавитно-цифровой или символьный и ADA (all point addressable) – графический с адресацией всех точек. Символьных режима было два: 25 строк по 40 символов в каждой и 25 строк по 80 символов. Графических режимов так же было два: 320х200 при использовании четырех цветов и черно – белое изображение с разрешением 640х200. В символьном режиме позволялось использовать 16 цветов, а на каждый символ отводилось 8х8 пикселей. У CGA было два (опять два) больших недостатка: довольно сильное мерцание и случайно вспыхивающие точки на экране, что в простонародье называется «снег». В моделях 25 и 30 компьютеров PS/2 использовались адаптеры MCGA (MultiColor Graphics Array). Основное отличие этого стандарта заключалось в том, что монитор был аналоговым, в отличие от обычного цифрового CGA. Во всем же остальном MCGA ничем не отличался от CGA.
EGA (Enhanced Graphics Adapter).
Видеокарты EGA, как правило, продавались в наборе: сам адаптер и цветной монитор. Стоило все это по началу около 1800 гринов – не слабо. Но сей стандарт продержался до появления компьютеров PS/2. В цветном режиме работы изображение выводилось с разрешением 640х200 или 320х200, а в черно–белом – 640х350 при матрице на каждый символ в 9х14 пикселей. В цветном изображении использовалось 16 цветов. В последствии выпускались мониторы фирмы IBM, которые могли отображать матрицу в уплотненном режиме 8х8 пикселей. Кроме этого, эти мониторы выводили цветное изображение с разрешением 640х350 с 16 цветами из 64 возможных. Специальная плата памяти IBM graphics memory-module kit позволяла использовать до 1024 символов, которые загружались программно. До этого использовалось 256 символов.
VGA (Video Graphics Array).
С появлением в 1987 году компьютеров PS/2 началась эра стандарта VGA (Video Graphics Array). Основное отличие нового стандарта заключалось в том, что сигналы на монитор были аналоговыми в отличие от остальных стандартов, где сигналы эти были цифровыми. Хотя попытки, в случае с MCGA, были но по настоящему стандартом аналоговым сигналом с расширенными возможностями стал именно VGA. Почему же отошли от цифры? Цветной монитор имеет пушку с тремя лучами (или три пушки по одному лучу) – R (red), G (green), B (blue). Сигналы, которые поступали в монитор либо включали эти лучи, либо выключали. Отсюда следует, что тогдашние мониторы могли оперировать 8 цветами. Дела пошли лучше, когда смогли менять яркость этих лучей, что повлияло на количество возможно используемых цветов. Но в случае с аналоговым сигналом, количество градаций яркости выше. В случае с VGA их 64, а значит цветовая гамма возрастет до 262 144 оттенков. Кстати, этот стандарт позволяет использовать черно-белые (монохромные) мониторы, где используется 64 градации серого.
XGA (eXtended Graphics Array).
В конце 1990 года IBM выпустила новый видеоадаптер работающий в стандарте XGA, а через два года усовершенствовала и сам стандарт, который получил название XGA – 2. Адаптеры обоих стандартов получали управление шиной (bus master) и по сути дела, могли работать независимо от системной платы. Эти стандарты позволяли работать с разрешением 1024х768 до 256 цветов или 64 градации серого, а при разрешении 640х480 позволяли использовать 65 536 цветов.
|
