4.3 Програмування відеосистеми комп’ютера (cga, ega, vga).

EGA (англ. Enhanced Graphics Adapter - Усовершенствованный графический адаптер) — стандарт мониторов и видеоадаптеров для IBM PC, расположенный между CGA и VGA по своим характеристикам (цветовое и пространственное разрешение). Выпущен IBM в августе 1984 года.[1] Видеоадаптер EGA позволяет использовать 16 цветов при разрешении 640×350 пикселов. Видеоадаптер оснащён 16 кБ ПЗУ для расширения графических функций BIOS.

Адаптер EGA при разрешении 640×350 позволяет одновременно использовать 16 цветов из возможных 64-х (по два бита на красную, зелёную и синюю составляющие). EGA также поддерживает 16-цветные варианты графических режимов CGA 640×200 и 320×200; в этом случае можно использовать только цвета из палитры CGA. Исходные режимы CGA также поддерживаются, хотя EGA не полностью аппаратно совместим с CGA. EGA может выводить изображение на MDA-монитор, эта возможность включается с помощью переключателей на плате, при этом доступен только режим 640×350.

Плата EGA подключается к шине ISA, начиная с 8-битной версии. Базовая версия EGA имела 64 кБ видеопамяти, чего было достаточно для монохромной графики высокого разрешения и цветной графики в режимах 640×200 и 320×200. Со временем большая часть плат EGA стала выпускаться с 256 кБ видеопамяти. Некоторые клоны EGA сторонних производителей (в частности, ATI Technologies и Paradise) поддерживают расширенные графические режимы (например, 640×400, 640×480 и 720×540), автоматическое определение типа монитора и, иногда, специальный чересстрочный режим для CGA-мониторов.

Стандарт EGA был замещён стандартом VGA, представленным IBM в апреле 1987 года с моделью компьютера PS/2.

Видеопамять EGA физически делилась на 4 плоскости равного размера — от 16К (младшие модели) до 64К (старшие).

Прямое отображение сразу всей видеопамяти в адресное пространство процессора было невозможно, все плоскости всегда отображались по одному и тому же адресу — 0xa0000 для 16цветных графических режимов и 0xb8000 для всех остальных. Таким образом, один и тот же адрес адресовал сразу 4 байта, расположенные как бы «параллельно» друг другу в 4 плоскостях.

Для доступа процессора к такой видеопамяти EGA содержал т. н. секвенсор. Секвенсор поддерживал 3 режима записи в видеопамять и 2 режима чтения, и имел немалое количество управляющих регистров.

При записи использовались регистры:

маска плоскости. Запись не вносила изменений в те плоскости, биты которых в данном регистре были установлены в 0.

маска битов. Для каждого байта в каждой плоскости запись не изменяла те биты, которые были установлены в 0 в данном регистре.

логическая операция. 16 стандартных логических операций, они же используются в Windows GDI. В результате записи бит видеопамяти устанавливался в логическую функцию от бита пришедших от процессора данных и старого значения бита видеопамяти. Код логической операция есть 4 бита, бит данных процессора выбирал между старшими и младшими 2, а старое значение бита видеопамяти — между четными и нечетными. Выбранный бит кода логической операции и являлся новым значением бита видеопамяти. Например, логическая операция 0000b — установить все в чёрное, 1111b — все в белое, 1100b — обычное копирование битовой карты, 0011b — копирование с инвертированием, 1010b — пустая операция, 0101b — инвертирование старого содержимого, 1110b — OR старого содержимого с новым, 1000b — AND старого и нового, 0110b — XOR.

циклический сдвиг данных, поступивших от процессора (только для режима 0).

В режиме 0 байт, поступивший от процессора, понимался как новое значение для 4 байтов 4 плоскостей. В режиме 2 использовались только 4 бита в байте, поступившем от процессора. Для плоскостей, у которых в этом байте был 1 — использовалось значение 11111111b, для остальных — 00000000b.

В режиме 0 чтения использовался регистр выбора плоскости, чтение читало байт из выбранной плоскости.

В режиме 1 использовался регистр выбора бита, секвенсор извлекал 4 бита, позиция которых была задана регистром выбора, из 4 плоскостей и комбинировал их в 4битное значение (старшие 4 бита обнулялись).

В графических режимах CGA использовалась только плоскость 0, секвенсор всегда находился в состоянии по умолчанию и не использовался.

В текстовых режимах для хранения кодов символов и атрибутов использовалась та же плоскость 0, а плоскость 1 использовалась для хранения таблиц знакогенератора. Секвенсор обычно находился в состоянии по умолчанию, кроме случая загрузки знакогенератора — для этого регистр маски плоскости переключали в 2, писали данные знакогенератора по тому же адресу 0xb8000 и затем переключали маску обратно в 1.

Во всех 16цветных графических режимах использовались все 4 плоскости, каждая из которых хранила монохромную картинку для одного из 4 компонент общего цвета — красного, зелёного, синего и интенсивности (в палитре по умолчанию). Комбинированием битов из 4 плоскостей получалось 4битное значение цвета пиксела (индекса в палитру).

4битные значения цветов пропускались через 16 регистров палитры, каждый из которых содержал 6 битное значение цвета — по 2 бита на R, G и B. Это же 64битное значение затем выставлялось на кабель, ведущий к монитору.

Регистры палитры были реализованы только на запись без возможности чтения.

В текстовых режимах используется два типа шрифтов. Стандартный шрифт EGA формируется матрицей 7×9 в ячейке 8×14 пикселов. Для совместимости с CGA используется шрифт с матрицей 7×7 в ячейке 8×8 пикселов.

EGA — первый видеоадаптер IBM, позволяющий программно менять шрифты текстовых режимов.

Доступны следующие режимы:[2][3]

80×25 символов (ячейка 8×14 пикселов; разрешение 640×350 пикселов).

40×25 символов (ячейка 8×8 пикселов; разрешение 320×200 пикселов).

80x43 символов (ячейка 8×8 пикселов; разрешение 640×350 пикселов). Данный режим не является стандартным. Для его использования необходимо сначала установить режим 80×25, а затем загрузить шрифт 8×8 с помощью команды BIOS.

EGA всегда использовал частоту кадров в 60Гц, и мог использовать одну из двух частот строк — 21.8 КГц для 350 строк (все текстовые режимы и режим 640x350x16) и 15.7 КГц для 200 строк (все остальные графические режимы).

VGA (англ. Video Graphics Adapter) — стандарт мониторов и видеоадаптеров. Выпущен IBM в 1987 году для компьютеров PS/2 Model 50 и более старших[1]. VGA являлся последним стандартом, которому следовало большинство производителей видеоадаптеров.

Видеоадаптер VGA, в отличие от предыдущих видеоадаптеров IBM (MDA, CGA, EGA), использует аналоговый сигнал для передачи цветовой информации. Переход на аналоговый сигнал был обусловлен необходимостью сокращения числа проводов в кабеле. Также аналоговый сигнал давал возможность использовать VGA-мониторы с последующими видеоадаптерами, которые могут выводить большее количество цветов[2].

Официальным последователем VGA стал стандарт IBM XGA, фактически же он был замещен различными расширениями к VGA, известными как SVGA.

Термин VGA также часто используется для обозначения разрешения 640×480 независимо от аппаратного обеспечения для вывода изображения, хотя это не совсем верно (так, режим 640х480 с 16-, 24- и 32-битной глубиной цвета не поддерживаются адаптерами VGA, но могут быть сформированы на мониторе, предназначенном для работы с адаптером VGA, при помощи SVGA-адаптеров). Также этот термин используется для обозначения 15-контактного D-subminiature разъёма VGA для передачи аналоговых видеосигналов при различных разрешениях.

VGA (так же, как и EGA) состоит из следующих основных подсистем (в народе словом "секвенсер" называли набор регистров управления доступом к плоскостям видеопамяти):

Графический контроллер (Graphics Controller), посредством которого происходит обмен данными между центральным процессором и видеопамятью. Имеет возможность выполнять битовые операции над передаваемыми данными.

Видеопамять (Display Memory), в которой размещаются данные, отображаемые на экране монитора. 256 кБ DRAM разделены на четыре цветовых слоя по 64 кБ.

Последовательный преобразователь (Serializer или Sequencer) — преобразует данные из видеопамяти в поток битов, передаваемый контроллеру атрибутов[3].

Контроллер атрибутов (Attribute Controller) — с помощью палитры преобразует входные данные в цветовые значения.

Синхронизатор (Sequencer) — управляет временны́ми параметрами видеоадаптера и переключением цветовых слоёв.

Контроллер ЭЛТ (CRT Controller) — генерирует сигналы синхронизации для ЭЛТ[4][5].

В отличие от CGA и EGA, основные подсистемы располагаются в одной микросхеме, что позволяет уменьшить размер видеоадаптера (EGA тоже был реализован в одном чипе, по крайней мере его тайванские неоригинальные клоны). В компьютерах PS/2 видеоадаптер VGA интегрирован в материнскую плату [2].

режимах и секвенсор для доступа процессора к ней), за исключением нижеследующего:

иной разъем и кабель к монитору (и иные мониторы), аналоговый, а не 2 бита на цвет. Этот разъем и кабель не менялись около 15 лет (до появления цифровых пакетно-ориентированных технологий DVI, HDMI и DisplayPort, пришедших из мира бытовой видеотехники) и использовались далее в куда более высоких разрешениях. Даже стандартные VGA мониторы сплошь и рядом были способны показывать режим 800x600 при использовании с более современной видеокартой (все зависело от качества блоков развертки монитора и их способности не сорвать генерацию на таких повышенных частотах). В настоящее время (все современные видеокарты совместимы с VGA сверху вниз) слово "VGA" в обиходе oзначает именно этот тип подключения монитора, ныне устаревший, но все еще актуальный.

18битные цвета в палитре вместо 6битных, такой богатый набор позволял, например, реализовать ночь, плохую погоду, "заколдованные" режимы и мерцающие цвета в играх одной лишь палитрой (как в Ultima VII)

наличие 256-цветных режимов, стандартный - 320x200, недокументированными (на деле документированными в документациях на аппаратуру VGA, но не включенными в BIOS и его документацию) ухищрениями можно было получить 320x240 (квадратные пиксели, т.н. "режим Х") и выше

максимальный 16цветный режим - 640x480 (квадратные пиксели)

во всех 200строчных графических режимах сканлиния повторялась 2 раза, что давало 400 физических строк развертки монитора, что сильно улучшало качество картинки даже в младших режимах (отсутствие щелей между строк развертки).

высота ячейки знакогенератора - 16 сканлиний, а не 14, как у EGA, что давало те же 400 строк развертки во всех текстовых режимах (кроме режимов совместимости со знакогенератором EGA). Таким образом, VGA всегда использовал 400 строк развертки, кроме двух старших 16цветных режимов, где их было 480 и 350. Режим Х также использовал 480 строк.

все регистры (палитры, секвенсера и т.д.) доступны на чтение, EGA имел ряд регистров "только для записи" (например, палитра).

В стандартных текстовых режимах символы формируются в ячейке 9×16 пикселов, возможно использование шрифтов других размеров: 8—9 пикселов в ширину и 1—32 пиксела в высоту. Размеры самих символов, как правило, меньше, так как часть пространства уходит на создание зазора между символами. Функция для выбора размера шрифта в BIOS отделена от функции выбора видеорежима, что позволяет использовать различные комбинации режимов и шрифтов. Имеется возможность загрузки восьми и одновременного вывода на экран двух различных шрифтов[2][6].

В VGA BIOS хранятся следующие виды шрифтов и функции для их загрузки и активации:

8×16 пикселов (стандартный шрифт VGA),

8×14 (для совместимости с EGA),

8×8 (для совместимости с CGA).

Как правило, эти шрифты соответствуют кодовой странице CP437. Также поддерживается программная загрузка шрифтов, которую можно использовать, например, для русификации[7].

Доступны следующие стандартные режимы:

40×25 символов, 16 цветов, разрешение 360×400 пикселов.

80×25 символов, 16 цветов, разрешение 720×400 пикселов.

80×25 символов, монохромный, разрешение 720×400 пикселов[4].

Используя шрифты меньших размеров, чем стандартный 8×16, можно увеличить количество строк в текстовом режиме. Например, если включить шрифт 8×14, то будет доступно 28 строк. Включение шрифта 8×8 увеличивает количество строк до 50 (аналогично режиму EGA 80×43)[8][9].

В текстовых режимах для каждой ячейки с символом можно указать атрибут, задающий способ отображения символа. Существует два отдельных набора атрибутов — для цветных режимов и для монохромных. Атрибуты цветных текстовых режимов позволяют выбрать один из 16-ти цветов символа, один из 8-ми цветов фона и включить или отключить мерцание (возможность выбора мерцания можно заменить на возможность выбора одного из 16-ти цветов фона), что совпадает с возможностями CGA. Атрибуты монохромных режимов совпадают с атрибутами, доступными у MDA, и позволяют включать повышенную яркость символа, подчёркивание, мерцание, инверсию и некоторые их комбинации[2].

В отличие от своих предшественников (CGA и EGA) видеоадаптер VGA имел видеорежим с квадратными пикселами (то есть, на экране с соотношением сторон 4:3 соотношение горизонтального и вертикального разрешений было также 4:3). У адаптеров CGA и EGA пикселы были вытянуты по вертикали.

Стандартные графические режимы

320×200 пикселов, 4 цвета.

320×200 пикселов, 16 цветов.

320×200 пикселов, 256 цветов (новый для VGA).

640×200 пикселов, 2 цвета.

640×200 пикселов, 16 цветов.

640×350 пикселов, монохромный.

640×350 пикселов, 16 цветов.

640×480 пикселов, 2 цвета. При разрешении 640×480 пиксел имеет пропорции 1:1 (новый для VGA).

640×480 пикселов, 16 цветов (новый для VGA)[4].

Нестандартные графические режимы (X-режимы)

Перепрограммирование VGA позволяло достичь более высоких разрешений по сравнению со стандартными режимами VGA. Наиболее распространённые режимы таковы:

320×200, 256 цветов, 4 страницы. Ничем внешне не отличающийся от режима 13h (320×200, 256 цветов), этот режим имел четыре видеостраницы. Это позволяло реализовать двойную и даже тройную буферизацию.

320×240, 256 цветов, 2 страницы. В этом режиме страниц меньше, зато квадратные пиксели.

360×480, 256 цветов, 1 страница. Наибольшее разрешение на 256 цветах, которое позволяет VGA.

Во всех этих режимах используется плоскостная организация видеопамяти, концептуально похожая на используемую в 16цветных режимах, но использующая для формирования цвета по 2 бита из каждой плоскости, а не по 1 - т.е. биты 0-1 байта 0 в плоскости 0 давали биты 0-1 цвета пиксела 0, те же биты в плоскости 1 - биты 2-3 цвета, и т.д.Следующие биты того же байта давали цвета следующих пикселов, т.е. 4 расположенные "один параллельно другому" по одному адресу байта в 4 плоскостях задавали цвет 4 пикселов.

Такая организация видеопамяти позволяла использовать всю видеопамять карты, а не только плоскость 0 в 64К, для формирования 256цветной картинки, что давало возможность использования высоких разрешений, или же многих страниц.

Для работы с такой памятью использовался тот же секвенсер, что и в 16цветных режимах.

Зато из-за особенностей контроллера видеопамяти копирование данных в видеопамять происходит вчетверо быстрее, чем в режиме 13h (это сильно зависит от конкретного машинного кода, исполняющего копирование, и конкретного сценария рисования, а именно заливки сплошным цветом, в общем случае плоскостная видеопамять куда медленнее обычной, и именно потому в SVGA от нее отказались полностью).

Термин «X-режим» (англ. Mode X) был придуман Майклом Абрашем в 1991 году для обозначения нестандартного режима 320×240 с 256 цветами. Этот режим был открыт (путем изучения IBMовской документации на аппаратуру VGA, которая в те времена была защищена на правовом уровне и не ходила в виде файлов в публичном доступе, опубликованы были только вызовы VGA BIOS, которые не умели включать эти режимы) различными программистами независимо друг от друга, но стал известным благодаря статьям Майкла Абраша в журнале «Dr. Dobb’s Journal»[10].

CGA (англ. Color Graphics Adapter) — видеокарта, выпущенная IBM в 1981 году, и первый стандарт цветных мониторов для IBM PC.

Является первой видеокартой IBM, поддерживающей цветное изображение.

Стандартная видеокарта CGA имеет 16 килобайт видеопамяти и может подключаться либо к NTSC-совместимому монитору или телевизору, либо к RGBI монитору. Основанная на видеоконтроллере Motorola MC6845, видеокарта CGA поддерживает несколько графических и текстовых видеорежимов. Максимальное поддерживаемое разрешение — 640×200, наибольшая цветовая глубина — 4 бита (16 цветов).

Максимальная цветовая глубина CGA — четыре бита, что позволяет использовать палитру из 16 цветов.

Младшие три бита соответствуют красному, зелёному и синему цветам и электронным лучам монитора.

Чёрный цвет означает, что все лучи практически выключены.

Сине-зелёный цвет достигается смешением синего и зелёного лучей, пурпурный — синего и красного и оранжево-коричневый — зелёного и красного. Белый (светло-серый) достигается смешением всех трёх лучей.

Оставшиеся восемь цветов достигаются установкой четвёртого бита — бита интенсивности — что даёт более яркую версию каждого из цветов, хотя на многих мониторах тёмно-серый нельзя было отличить от чёрного. Цветовая модель CGA «RGB плюс бит интенсивности» также называется RGBI.

Исключением является цвет № 6: если строго следовать модели RGBI, цвет № 6 будет отображаться как оливковый (#AAAA00). Однако IBM решила включить дополнительную схему в цветной монитор, ослабляющую зелёный компонент цвета № 6. В результате получается коричневый цвет (#AA5500). [1]

Стандартные текстовые режимы

40×25 символов, 16 цветов. Каждый символ имеет размер 8×8 точек. Эффективное разрешение экрана — 320×200 пикселов (пропорции пиксела — 1:1,2), при этом невозможно обращение к каждому пикселу отдельно. Всего доступно 256 различных символов, начертания которых хранятся в ПЗУ видеокарты. Для каждого выводимого символа возможно задать цвет самого символа и цвет фона, оба цвета выбираются из палитры (см. таблицу). Видеокарта обладает достаточным объёмом ОЗУ для хранения восьми видеостраниц.

80×25 символов, 16 цветов. Используется тот же набор символов, что и для режима 40×25. Эффективное разрешение экрана — 640×200 пикселов (пропорции пиксела — 1:2,4), также невозможно обращение к отдельным пикселам. Так как на экран возможно вывести вдвое больше символов, ОЗУ видеокарты достаточно для хранения четырёх видеостраниц.

Стандартные графические режимы

Фиксированная четырёхцветная палитра № 1 и № 2 (см. рисунок).

320×200 пикселов, так же, как и у текстового режима 40×25. Несмотря на узкую палитру, CGA отличался от других видеосистем того времени тем, что возможно обращение к любому отдельно взятому пикселю, без каких-либо конфликтных зон. Одновременно можно использовать только четыре цвета, которые нельзя выбрать самостоятельно — для данного режима определены две палитры:

Пурпурный, сине-зелёный, белый и цвет фона (по умолчанию — чёрный).

Красный, зелёный, коричневый/жёлтый и цвет фона (по умолчанию — чёрный).

При установке бита интенсивности доступны яркие варианты палитр.

640×200 пикселов, так же, как и у текстового режима 80×25. Возможно обращение к отдельным пикселам. Этот режим монохромный, доступны только белый и чёрный цвет (цвета можно изменить).

Дополнительные настройки и видеорежимы

Фиксированная четырёхцветная палитра № 3 (см. рисунок).

В графическом режиме 320×200 цвет фона можно изменить с чёрного на любой из 16-цветной палитры.

В графическом режиме 640×200 основной цвет можно изменить с белого на любой из 16-цветной палитры.

В текстовом режиме можно изменить цвет бордюра (пространства вокруг основной области).

В графическом режиме 320×200 возможно использовать третью четырёхцветную палитру.

Текстовый режим 80×25 с помощью настройки видеоконтроллера можно заставить работать как 16-цветный графический режим 160×100.

Некоторые из этих приёмов можно комбинировать. В большинстве программ эти возможности не применялись, однако есть примеры их использования среди компьютерных игр.

Дефекты

Самый заметный аппаратный дефект CGA — «снег» в текстовом режиме 80×25. Видеопамять CGA не поддерживает одновременную запись и чтение. В результате, если микропроцессор производит запись в видеопамять в тот момент, когда она читается видеоадаптером — на экран выводятся случайные пикселы. Этот дефект исправлен во многих клонах CGA.

Для программистов ещё одной помехой является чересстрочный формат видеопамяти в графических режимах.

Стандартные видеорежимы не полностью используют видеопамять.