Відеоадаптери

Необходимо иметь ввиду, что все модели видеоадаптеров предназначены для соответствующих типов шин. Например, шина PCI спроектирована в соответствии с технологией Plug and Play и практически не требует настройки.

Следующая ступень развития в области разработки шин – ускоренный графический порт (AGP). Это специально выделенная видеошина, разработанная Intel. Шина имеет максимальную пропускную способность в 16 раз большую, чем у сопоставимой шины PCI.

На рис. 132 наведено блок-схему відеоадаптера, який працює в текстовому режимі. Основним функціональним вузлом відеоадаптера є ІМС відеоконтролера (CRTC) – наприклад, М6845. CRTC являє собою програмовану ІМС високого рівня інтеграції, яка слідкує за положенням променя, генерує послідовність адрес символів для відеопам’яті та керує генератором символів, який утворює растрові рядки для кожного рядка розгортки. ROM символів зберігає бітові растри для всіх символів ASCII (American Standard Code for Information Interchange – стандартний код інформаційного обміну США). Генератор символів перетворює рядки цих растрів в послідовності точок відповідно до обраного формату екрана, шрифту та наявності або відсутності черезрядкової розгортки, як це визначається CRTC. CRTC також генерує синхронізуючі імпульси та сигнали, необхідні для відображення курсора. Все це разом з рядками растрів та сигналами атрибутів подається на входи генератора сигналів.

Рис. 132. Блок-схема відеоадаптера.

Генератор тактових імпульсів (ГТІ) задає частоту відтворення на екрані послідовності точок. Шляхом ділення частоти ГТІ формуються імпульси рядкової (H Sync) та кадрової (V Sync) синхронізації, а також сигнали гасіння променя.

Центральний процесор може змінювати вміст екрана, записуючи коди нових символів та їх атрибути в комірки відеопам’яті.

В кожний момент часу на екран може виводитися лише одна, активна сторінка.

Кожний відеоадаптер має свій набір відеорежимів, які він може використовувати (способы изображения данных на экране монитора). Каждый видеоадаптер имеет свой набор видеорежимов, которые он может использовать.

Первое и самое большое различие между видеорежимами - различие между текстовым и графическим режимами.

В текстовом режиме (их несколько) все, что может показать экран видеомонитора, это базовый набор символов (например, символы кода ASCII, формируемых знакогенератором (ЗГ)). Только эти символы могут быть изображены на экране. Этот набор символов очень богат и обеспечивает гибкие возможности для того, чтобы показать на экране больше, чем просто написанный текст (символы, рисующие рамку, и другие специальные знаки, делают возможным создать впечатляющие рисунки на экране). Но все-таки в текстовом режиме единственное, что может быть показано, это 256 символов. В текстовых режимах экран разделен на знаковые позиции - обычно 80 колонок (столбцов) знаков по ширине экрана и 25 строк знаков сверху вниз. Каждая знаковая позиция имеет две независимые компоненты: код, который определяет, какой символ появится на экране, и атрибут, который определяет, как этот символ должна быть изображен (цвет и т.д.). В текстовых режимах программы управляют кодом и атрибутами символов, появившихся на экране. Однако программы не управляют, например, тем, как рисуются символы. Все это строго определено свойствами дисплейного адаптера и экрана. В то время как в графических режимах этот процесс определяется программами.

Символ, который появляется в каждой позиции, определяется кодом данных. Видом символа управляет атрибут. Каждая позиция может иметь свой собственный атрибут, который независим от всех остальных.

Каждый такой атрибут состоит из трех частей: одна - определяет цвет символа; вторая - цвет фона; третья - управляет режимом мерцания символа.

Каждая позиция на экране требует два байта памяти для хранения информации: один - первый (младший) - для того, чтобы хранить код символа, другой - второй - для атрибутов изображения этого символа в данной позиции. Следующая пара байтов предназначена для символа второго столбца первой строки и т. д. непрерывно без промежутков, пока не достигнем последней позиции на экране. В этой видеопамяти экран рассматривается как непрерывная последовательность из 2000 пар байтов, и ничто не указывает на деление изображения на строки. Таким образом, информация появляется на экране, автоматически переходя от одной строки к другой по мере заполнения их позиций. В видеопамяти строки информации расположены последовательно. По расположению и позиции на экране (номер столбца и строки) вычисляется пара байтов в видеопамяти, где хранятся код символа и его атрибут. Нумерация строк и столбцов начинается с 0, а не с 1. Месторасположение атрибутного байта для экранной позиции на единицу больше.

Память цветного графического адаптера может быть разделена на независимые страницы. Любая из этих страниц может быть активизирована и ее информация появляется на экране. На экране изображается только одна страница, но программы имеют доступ ко всем страницам, расположенным в видеопамяти. Создание изображения страницы видеопамяти какой либо программой может потребовать много времени, изобразить же ее на экране можно очень быстро, переключаясь с одной страницы на другую. Пока мы смотрим на один экран, программа может незаметно создать автономный экранный образ другой страницы. Когда он будет готов, то сможет появиться на экране мгновенно. Число экранных страниц варьируется в зависимости от видеоадаптера и видеорежима, которые используются. Возможно удалить данные, находящиеся на экране и изменить их атрибуты.

Курсор является средством координации между экраном, BIOS и программой, которая генерирует информацию. Курсор позволяет программе и BIOS иметь единственный способ указания на позицию, где появится информация. Курсор - группа строк развертки, целиком заполняющих прямоугольник символа. Местоположение курсора в 450h ячейке памяти. Мигающий курсор - аппаратный элемент видеоадаптеров. Он используется только в текстовых режимах.

В каждом из графических режимов экран представляет собой совокупность точек - пикселов (элементов изображения). Пиксели составляют решетку строк и столбцов. Каждый из них может быть высвечен на экране тем цветом, который может быть использован в данном графическом режиме. Различные графические режимы отличаются друг от друга количеством точек, изображенных на экране-это называется разрешающей способностью. Например, 800x600 - 800 колонок (столбцов) положений точек по всему экрану и 600 строк точек.

Графические режимы отличаются от текстовых тем, что каждый пиксель на экране является просто маленькой светящейся точкой, не имеющей формы.

В графических режимах каждый пиксель имеет только один элемент - цвет, которым он высвечивается. В графических режимах нет данных и нет фонового цвета, есть только цвет каждого отдельного пикселя. То, что мы принимаем за цвет фона в графических режимах - просто цвет, который мы даем всем пикселям, чтобы они отличались от цвета, с помощью которого мы рисуем.

В графических режимах отсутствует мигание, мигающий курсор, а тем более вообще аппаратный курсор. То, что мы видим в качестве курсора в графических режимах, так это созданный программой эффект, который выполняет роль курсора, указывающего расположение активной зоны на экране.

В каждом графическом режиме имеется свой набор цветов, на который может быть настроен каждый пиксель на экране. Этот набор, а также разрешающая способность и отличают их друг от друга.

Суть графических режимов: они одновременно более грубые, но и более мощные, чем текстовые режимы. Грубые - потому, что все, что они могут показать - цветные точки. Более мощные - потому, что из этих точек можно конструировать сложные рисунки, которые невозможно строить с помощью текстовых режимов. Реализация графических режимов сложнее потому, что на экране все должно быть нарисовано программами, точка за точкой жестким образом. Этот процесс рисования включает также и любые текстовые символы. Программы BIOS изображают символы стандартным способом на базе набора рисовальных шаблонов для каждого из них. Таблица рисунков символов хранится в специальной области памяти BIOS. Когда наши программы обращаются к услугам BIOS для отображения символов в графическом режиме, подпрограммы BIOS просматривают, как нарисованы символы в таблице и используют биты этой таблицы в качестве кода для пересылки в видеопамять. При этом любые появляющиеся текстовые символы в графическом режиме рисуются на экране с помощью пикселов специальными программами, а не аппаратными средствами, как это происходит в текстовом режиме.

Рассмотрим вариант обнаружения режима работы видеосистемы Вашего ПК.

Область ОЗУ, объемом 256 байт, предназначена специально для данных BIOS. Абсолютные адреса памяти этой области составляют диапазон от 400 до 500h. Часть этой области памяти занимает информация о состоянии экрана, включая действующий видеорежим. Режим записывается в единственном байте, расположенном в ячейке с адресом 449h. Программа DEBUG поможет прочитать этот видеорежим. Для этого активизируйте отладчик (программу DEBUG) и введите команду:

D 0:449L1

Изобразить (D) один байт (L1), находящийся по адресу, который нас

интересует. На экране будет выведен код видеорежима.

Одним из основных элементов любой видеоподсистемы является собственная память. Ведь для того чтобы периодически воспроизводить видеоинформацию на экране монитора, она должна где-то храниться. Именно для этой цели и использу­ется память видеоадаптера, которая часто также называется видеопамятью или видеобуфером (фрейм-буфером).

Хотя видеопамять, а точнее говоря, оперативная память, используемая для хранения изображения, как правило, физи­чески находится на плате самого видеоадаптера, она является частью общей памяти компьютера. Иначе говоря, эта память лежит в адресном пространстве базового микропроцессора. В IBM-совместимых компьютерах для нее, как известно, заре­зервирован следующий диапазон адресов: AOOOO-BFFFF (128 Кбайт).

Перша та найбільша відмінність між відеорежимами – відмінність між текстовим та графічним режимами.

В текстових режимах (їх декілька) все, що може відтворити екран монітора, - це базовий набір символів (наприклад, символи коду ASCII, які формує знакогенератор (ЗГ)). Але єдине, що може бути відтворено в текстовому режимі, це 256 символів. В текстових режимах екран поділений на знакові позиції – зазвичай 80 колонок (стовпців) знаків за шириною екрана та 25 рядків знаків зверху вниз. Кожна знакова позиція має дві незалежні компоненти: код символу та атрибут, який визначає, як цей символ має бути зображений (колір символу, колір фону, блимання символу). Тому кожна позиція на екрані потребує два байти пам’яті для зберігання коду символу та коду атрибуту. В текстових режимах програми керують кодом та атрибутами символів, що з’являються на екрані. Програми не керують, наприклад, тим, як малюються ці елементи.

Для примера рассмотрим «маленький монитор» с растровой сеткой размером 10x10 и чернобелым изображением (см. рис.). Изображение буквы “К”, в котором одна клетка соответствует одному пикселю.

Для кодирования изображения в растровой форме на таком экране требуется 100 бит (1 бит на пиксель). Представим этот код в виде битовой матрицы, в которой строки и столбцы соответствуют строкам и столбцам растровой сетки. Пусть”1” обозначает закрашенный пиксель, а ”0” – не закрашенный. Вот как будет выглядеть такая матрица:

0000000000

0001000100

0001001000

0001010000

0001100000

0001010000

0001001000

0001000100

0000000000

0000000000

В текстовом режиме для преобразования записанных в видеобуфер кодов символов в их точечное изображение на экране монитора используют знакогенератор (набор шрифтов). Он представляет собой ПЗУ, в котором записано построчное разложение конфигурации символа в пределах одного знакоместа. Данная информация носит название символьной матрицы и представлена в знакогенераторе в двоичном формате. Знакогенератор воспринимает 7-битный ASCII-код символа и двоичный код номера строки символьной матрицы и формирует на выходе соответствующий номеру строки параллельный код отображаемого символа. Так, например, для формирования символа "0" на экране монитора при размерах символьной матрицы 5∗7, информация в ПЗУ должна быть представлена следующим образом:

ПЗУ

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 1

Код строки

При поступлении на вход знакогенератора ASCII-кода символа "0", в ПЗУ выбирается соответствующая область расположения символьной матрицы. Дальнейшее изменение входной информации будет связано с перебором кодов строк синхронно с увеличением номера строки развертки растра. В результате для нашего примера при коде строки 000, на выходе знакогенератора появится двоичный код 01110, а при коде строки 001 – код 10001 и т. д.

Контроллер ЭЛТ (CRTC-контроллер) предназначен для генерирования сигналов горизонтальной (HSYNC) и вертикальной (VSYNC) синхронизации, формирования на экране курсора и инкремента счетчика адреса видеобуфера синхронно с разверткой растра; в этом заключается основная функция контроллера. В качестве дополнительной функции отметим определение формы и позиции курсора, выбор выводимой на экран части видеобуфера, а также восприятие сигналов светового пера.

Независимо от схемотехнической реализации контроллера ЭЛТ во всех видеосистемах более поздних моделей предусмотрено задание их временных характеристик.

Контроллер атрибутов предназначен для организации дополнительных режимов работы видеосистем, связанных с выполнением основных функций по кодированию цвета символа и окружающего его фона. Для кодировки цвета используется композиция трех основных цветов – красный (R), синий (B) и зеленый (G). В простейшем случае для кодирования каждого из них достаточно иметь по одному биту (1 = цвет включен, 0 = цвет выключен). В результате из совокупности трех битов возможно получение 8 цветов. Если ввести еще один бит, который управляет яркостью, то получится 4-битная комбинация, позволяющая получить на экране монитора до 16 цветов. Данный вариант кодировки цветов используется в видеосистемах CGA и более поздних текстовых режимах.

Але в графічних режимах цей процес визначається програмами.

В графічному режимі комірки відеопам’яті вже містять всю інформацію про кожний піксел. Тут немає необхідності використовувати ROM символів та генератор символів. Тому ці функціональні вузли відеоадаптера вимикаються, відеоінформація про пікселі надходить безпосередньо в регістр зсуву.

В графічному режимі зображення на екрані утворюється шляхом вказання інтенсивності (яскравості) кожної з точок тріади. Кожний піксел має тільки один елемент – колір, яким він висвітлюється; тому може бути висвітлений на екрані тим кольором, який може бути використаний в даному графічному режимі. Різні графічні режими відрізняються один від одного кількістю точок, зображених на екрані (розрізняльною здатністю). Наприклад, 800×600=800 колонок положень точок по всьому екрану та 600 рядків точок.

В графічних режимах відсутні блимаючий курсор, а тим більше взагалі апаратний курсор. Те, що ми бачимо в якості курсору в графічних режимах, це створений програмою ефект, який виконує роль курсору, що вказує розташування активної зони на екрані. Графічні режими більш потужні – тому, що з цих точок можна конструювати складні малюнки, які неможливо побудувати за допомогою текстових режимів.

Один из компонентов компьютера, от которого требуется наибольшая производительность, это графический контроллер, являющийся сердцем всех мультимедиа систем. Фраза требуется производительность означает, что некоторые вещи происходят настолько быстро, насколько это обеспечивается пропускной способностью. Пропускная способность обычно измеряется в мегабайтах в секунду и показывает скорость, с которой происходит обмен данными между видеопамятью и графическим контроллером.

На производительность графической подсистемы влияют несколько факторов:

• скорость центрального процессора (CPU);

• скорость интерфейсной шины (PCI или AGP);

• скорость видеопамяти;

• скорость графического контроллера.

Для увеличения производительности графической подсистемы настолько, насколько

это возможно, приходится снижать до минимума все препятствия на этом пути. Графический контроллер производит обработку графических функций, требующих интенсивных вычислений, в результате разгружается центральный процессор системы. Отсюда следует, что графический контроллер должен оперировать своей собственной, можно даже сказать частной, местной памятью. Тип памяти, в которой хранятся графические данные, называется буфер кадра (frame buffer). В системах, ориентированных на обработку 3D-приложений, требуется еще и наличие специальной памяти, называемой z-буфер (z-buffer), в котором хранится информация о глубине изображаемой сцены. Также, в некоторых системах может иметься собственная память текстур (texture memory), т.е. память для хранения элементов, из которых формируются поверхности объекта. Наличие текстурных карт ключевым образом влияет на реалистичность изображения трехмерных сцен.

Один з основних елементів будь-якої відеосистеми – це власна пам’ять. Тому що для періодичного відтворення відеоінформації на екрані монітору ії необхідно зберігати. Саме для цього і використовується пам’ять відеоадаптера, яку зазвичай також називають відеопам’ять або відеобуфер.

Навіщо потрібна відеопам’ять? Швидкість, з якою інформація надходить на екран, та кількість інформації, що виходить з відеоадаптера та передається на екран – все це залежить від трьох факторів:

• розрізняльна здатність монітора;

• кількість кольорів, з яких можна обирати при створенні зображення;

• частота, з якою відбувається поновлення екрана.

Зазвичай частота поновлення екрана має значення не менше, ніж 75 Гц або циклів в секунду. Наслідком миготіння екрана є зорова напруженість та стомленість очей при тривалому спостереженні за зображенням.

Залежність розрізняльної здатності вiдеосистеми від місткості відеопам’яті та кількості кольорів наведено в таблиці 23.

Таблиця 23.

Розрізняльна здатність	Кількість бітів на піксел	Кількість кольорів	Місткість відеопам’яті, Мбайт	Практично використовується
640×480	4	16	153600	256 Кбайт
	8	256	307200	512 Кбайт
	16	65536	614400	1 Мбайт
	24	16780000	921600	1 Мбайт
800×600	4	16	240000	256 Кбайт
	8	256	480000	512 Кбайт
	16	65536	960000	1 Мбайт
	24	16780000	1440000	2 Мбайт
1024×768	4	16	393216	512 Кбайт
	8	256	786432	1 Мбайт
	16	65536	0572864	2 Мбайт
	24	16780000	2359296	4Мбайт
1280×1024	4	16	655360	1 Мбайт
	8	256	1310720	2 Мбайт
	16	65536	2621440	4Мбайт
	24	16780000	3932160	4Мбайт

Самый производительный однопроцессорный видеоадаптер модели NVIDIA GeForce GTX 480 (частота процессора/видеопамяти – 756/3800 МГц; выходы: 2×DVI, miniHDMI; видеопамять: 1536 МБ, GDDR5.

Выход видеокарт ATI Radeon HD 5800 принес AMD первенство в сегменте типовых устройств.

Radeon HD 5970 оснащается двумя GPU, каждый из которых содержит 1600 потоковых процессоров, 80 устройств адресации и фильтрации текстур и 32 блока растеризации. Они связаны с двумя кадровыми буферами емкостью 1 ГБ шинами шириной 256 бит, применена память GDDR5 с частотой 1 ГГц. Для обеспечения видеокарты питанием (до 350 Вт и в режиме простоя до 42 Вт) установлены два дополнительных разъема. Это самая мощная видеокарта из представленных на конец 2009г. на рынке.

Характеристика	AMD Radeon HD 6970	NVIDIA GeForce GTX 580	NVIDIA GeForce GTX 480	AMD Radeon HD 5870	AMD Radeon HD 5970
Ядро	Cayman	GF110	GF100	Cypress	Hemlock
Количество транзисторов	2,64 млрд	3 млрд	3 млрд	2,15 млрд	4,3 млрд
Техпроцесс	40-нм	40-нм	40-нм	40-нм	40-нм
Количество потоковых процессоров	1536	512	480	1600	2х 1600
Частота графического ядра	880 МГц	772 МГц	700 МГц	850 МГц	725 МГц
Частота потоковых процессоров	880 МГц	1544 МГц	1401 МГц	850 МГц	725 МГц
Тип, объем памяти	GDDR5, 2 Гб	GDDR5, 1536 Мб	GDDR5, 1536 Мб	GDDR5, 1 Гб	GDDR5, 2 Гб
Частота памяти	5500 МГц	4008 МГц	3696 МГц	4800 МГц	4000 МГц
Шина данных	256 бит	384 бит	384 бит	256 бит	256 бит
Количество текстурных блоков	96	64	60	80	2х 80
Количество блоков растеризации	32	48	48	32	2х 32
Энергопотребление	250 Вт	244 Вт	250 Вт	188 Вт	294 Вт
Интерфейс	PCIe 2.0 x16	PCIe 2.0 x16	PCIe 2.0 x16	PCIe 2.0 x16	PCIe 2.0 x16
Цена на январь 2011 года	14 500 рублей	19 000 рублей	13 500 рублей	11 500 рублей	19 000 рублей

Перед тем как перейти к разбору видеокарт, необходимо сказать пару слов об их месте на рынке. Грандиозной битвы HD 6970 и GTX 580 не будет. Старшая карта, HD 6970, конкурирует с GTX 570 и GTX 480. А вот у младшей, HD 6950, противников пока нет, она располагается где-то между GTX 570 и GTX 470. В верхнем ценовом сегменте без изменений: там остается HD 5970, которая до сих пор с успехом борется с GTX 580.

Несмотря на то что AMD сознательно отказалась от соревнования с GF110, ядром GTX 580, процессор Cayman на удивление интересен. От Cypress в нем остались только основополагающие элементы. 

А вот компоновка ядер изменилась. В прошлой архитектуре, VLIW5, их объединяли в группы по пять штук на одном потоковом процессоре. Четыре ядра отвечали за простые действия типа сложения и умножения, а пятое, называемое t-unit, — за специальные вычисления вроде синуса, логарифма, извлечения корня и т.п. К сожалению, с такой компоновкой сильно проседал КПД процессора: равномерно загрузить ассиметричную архитектуру сложно, и ядра часто простаивали без дела.

Еще отметим, что, несмотря на количественные изменения, даже при старом 40-нм техпроцессе чип Cayman остался сравнительно небольшим, всего 389 мм² — против 334 мм² Cypress. Число транзисторов увеличилось не сильно — с 2,19 до 2,64 млрд. Сравните с GF110, процессором GTX 580, который оснащен 3 млрд транзисторов и занимает площадь в 529 мм².

В процессор встроили множество датчиков, которые в реальном времени следят за тем, какие блоки включены, как они используются, сколько на это может потребоваться энергии и так далее. В результате AMD научила платы предугадывать повышение энергопотребления и заранее снижать тактовую частоту. Причем работает это не только в синтетике, как у NVIDIA, но и в играх.

Таким образом AMD смогла оградить платы от перегрева и выхода из строя и поднять частоту процессора до впечатляющих 880 МГц, а памяти — до 5500 МГц. При этом снижение скорости при перегреве не должно влиять на производительность:

Набор разъемов такой же, как у Radeon HD 6800: два DVI, столько же mini-DisplayPort 1.2 и один HDMI 1.4a. Все это позволяет подключить к видеокарте до шести мониторов, смотреть Blu-ray 3D на стереотелевизорах и выводить звук в форматах Dolby TrueHD и DTS-HD Master Audio.

Во время работы карточка потребляет 250 Вт и требует подключения 8- и 6-pin вилок питания.

Новых топовых решений AMD до сегодняшнего дня так и не было об’явлено (после линейки Radeon HD 6800)

HD 6950 и вовсе не имеет прямого конкурента на данный момент.

 Весьма вероятно, что NVIDIA выпустит ей на замену нечто вроде обновленного чипа GF104 (GF114?) со всеми активными 384 потоковыми процессорами, 256-битной шиной памяти и намного более высокими тактовыми частотами. И, судя по нашим предположениям, такое решение вполне сможет конкурировать с Radeon HD 6950, так что борьба между производителями GPU за тех самых 86% пользователей ещё только начинается.

Графические ускорители серии Radeon HD 6900

• Кодовое имя чипа «Cayman»

• Технология 40 нм

• 2,64 млрд. транзисторов (почти на четверть больше, чем у Cypress и в 1,5 раза больше Barts)

• Площадь кристалла 389 мм² (в полтора раза больше, чем у Barts)

• Унифицированная архитектура с массивом общих процессоров для потоковой обработки многочисленных видов данных: вершин, пикселей и др.

• 256-битная шина памяти: четыре контроллера шириной по 64 бита с поддержкой памяти GDDR5

• Частота ядра до 880 МГц (для Radeon HD 6970)

• 24 SIMD-ядра, включающих 384 потоковых процессора, и в общем 1536 скалярных ALU для расчётов с плавающей точкой (целочисленные и плавающие форматы, поддержка точности FP32 и FP64 в рамках стандарта IEEE 754)