2.3. Видеоподсистема: мо­ни­торы, видеоадаптеры

Одной из наиболее важных составных частей любого персонального компьютера является его видеоподсистема, под которой обычно понимают монитор, плату видеоадаптера и набор соответствующих программ–драйверов, поставляемых в комплекте с адаптером или в составе прикладных пакетов. Оба устройства (монитор и видеоадаптер) очень плотно взаимодействуют друг с другом, поэтому, говоря об одном из них, часто приходится упоминать и другое.

ЭЛТ-монитор. Подавляющее большинство современных настольных компьютеров используют мониторы (дисплеи) на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ – CRT: Cathode Ray Tube). Принцип действия такого устройства следующий (рис.23). Пучок электронов, испускаемый электродом (электронной пушкой), попадая па экран, покрытый люминофором, вызывает его свечение. На пути пучка электронов находятся дополнительные электроды: отклоняющая система, позволяющая изменять на правление пучка, и модулятор, регулирующий яркость получаемого изображения.

Любое текстовое или графическое изображение на экране монитора состоит из растра – множества дискретных точек, называемых пиксел (pixel – picture element).

Электронный луч периодически сканирует весь экран, образуя на нем близко расположенные строки развертки. По мере движения луча по строкам, видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость определенных пикселов, образуя некоторое видимое изображение.

Для получения цветного изображения люминофорное покрытие имеет точки трех типов свечения: красным, зеленым и синим цветами. Чтобы все три луча сходились строго в одну точку, и изображение было четким, перед люминофором ставят маску – панель с регулярно расположенными отверстиями (дельтавидная маска – Dot-Trio shadow-mask) или щелями (щелевая маска – Slot-mask). Часть мониторов оснащена маской из вертикальных проволочек (апертурная решетка – Aperture-grille), что усиливает яркость и насыщенность изображения. Чем меньше расстояние между соседними отверстиями или щелями (шаг маски), тем четче и точнее полученное изображение. Шаг маски измеряют в долях миллиметра. В современных мониторах шаг маски лежит в пределах 0,25 – 0,27 мм.

Размер экрана монитора измеряется в дюймах («^″») как расстояние между противоположными углами трубки кинескопа, по диагонали. Стандартными являются размеры: 14^″, 15^″, 17^″, 19^″, 20^″ и 21^″.

Разрешающая способность монитора определяется числом элементов изображения, которые воспроизводятся по горизонтали и вертикали, например, 640x480 или 1024x768.

Для формирования растра в мониторе используются специальные управляющие сигналы. В цикле сканирования луч движется по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла экрана к нижнему правому. Прямой ход луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонтальной), а по вертикали – сигналом кадровой (вертикальной) развертки. Последний сигнал характеризует частоту регенерации (обновления) изображения – частоту кадров, т.е. сколько раз в секунду монитор может полностью сменить изображение. Кадровая частота измеряется обычно в герцах (Гц) и во многом определяет устойчивость изображения (отсутствие мерцаний). Она зависит не только от свойств монитора, но и от настроек видеоадаптера. Чем выше частота кадров, тем устойчивей изображение. При частоте кадров ~ 60 Гц мелкое мерцание изображения видно невооруженным глазом, что недопустимо. Минимальным считается значение 75 Гц , нормативным – 85 Гц, а для мониторов повышенного комфорта 100 Гц и более.

Все современные мониторы можно разделить па три большие группы: с фиксированной частотой, с несколькими фиксированными частотами и мультичастотные (мультисканирующие). Мониторы с фиксированной частотой воспринимают синхроимпульсы какой-либо одной частоты, например, кадровой – 72 Гц, строчной – 35 кГц. Мониторы с несколькими фиксированными частотами менее критичны к значениям частот синхроимпульсов и, определению, могут работать с набором из двух или более сочетаний частот кадровых и строчных синхроимпульсов. Мультичастотные обладают способностью настраиваться на произвольные значения частот синхросигналов из некоторого заданного диапазона, например, 30 – 64 кГц для строчной и 70 – 100 Гц для кадровой.

Класс защиты монитора определяется стандартом, которому соответствует монитор из условий требований техники безопасности. Современные стандарты: MPR – II, ТСО – 92, ТСО – 95 и ТСО – 99, – содержат самые жесткие требования к монитору, прежде всего, в отношении таких показателей, как потребление энергии, тепловое и электромагнитное излучения.

Видеоадаптер (видеокарта). Это – устройство, которое отвечает за вывод графической информации на экран монитора, и от того, каким он будет, в немалой степени зависит удобство работы с компьютером.

На заре развития ПК видеокарты не было. В общей оперативной памяти была выделена небольшая экранная область памяти, в которую процессор заносил сведения об изображении. Специальный контроллер экрана считывал данные яркости отдельных точек экрана из ячеек памяти этой области и, в соответствии с ними, управлял разверткой горизонтального луча электронной пушки кинескопа. Выделение всех операций, связанных с управлением экраном, в отдельный блок произошло постепенно с переходом от монохроматических (черно-белых) мониторов к цветным и с увеличением разрешения экрана, т.к. выделенная область памяти стала мала для хранения графических данных.

Видеоадаптер (видеокарта) выполнен в виде отдельной платы, вставляемой в один из слотов расширения. Это устройство взяло на себя функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти.

Простейшим первым видеоадаптером был MDA (монохромный). Следующий – CGA – Color Graphics Adapter (цветной – 4 цвета).

Видеоадаптер EGA – Enhanced Graphics Adapter (16 цветов): видеопамять была разделена на отдельные битовые плоскости – слои, каждый из которых содержит биты только одного из трех основных цветов.

Видеоадаптер VGA – Video Graphics Array (256 цветов): в нем используется квадратный пиксел, т.е. соотношение числа пикселей но горизонтали и вертикали совпадает со стандартным соотношением сторон экрана 4:3.

Наконец появилось понятие SVGA – добавились более высокие режимы и дополнительный сервис, например, возможность установить произвольную частоту кадров. Число одновременно отображаемых цветов увеличилось до 65536 (High Color) и до 16,7 млн. (True Color), появились дополнительные текстовые режимы.

Графический пользовательский интерфейс, появившийся во многих операционных системах: стимулировал новый этап развития видеоадаптеров. Появилось понятие «графический ускоритель» (graphics accelerator). Это видеоадаптер, который производит выполнение некоторых графических функций на аппаратном уровне.

Первым препятствием для повышения быстродействия системы является интерфейс передачи данных, к которому подключен видеоадаптер. Как бы ни был быстр контроллер видеоадаптера, большая часть его возможностей останется незадействованной, если не будут обеспечены соответствующие каналы обмена информацией между ним, центральным процессором, оперативной памятью и дополнительными видеоустройствами. Основным каналом передачи данных является, конечно, интерфейсная шина материнской платы, через которую обеспечивается обмен данными с процессором и ОЗУ.

Помимо основной шины современный видеоадаптер имеет еще шину для обмена информацией с каким-либо дополнительным внешним устройством, например, TV-тюнером, MPEG - или DVD - декодером, системой захвата видеоизображений и т.п.

Видеопамять. Второе узкое место любого видеоадаптера – это пропускная способность (bandwidth) памяти самого видеоадаптера. Изображение, которое видимо на экране, хранится в памяти видеоадаптера. И его нужно прочитать из памяти и вывести на экран столько раз в секунду, сколько кадров в секунду показывает монитор. Эту проблему можно решить двояко: либо использовать специальные типы памяти, которые позволяют одновременно двум устройствам считывать из нее, либо установить очень «быструю» память.

FPM DRAM (Fast Page Mode Dynamic RAM) – основной тип видеопамяти, идентичный применяемым в системных платах. Используется асинхронный доступ, при котором управляющие сигналы жестко не привязаны к тактовой частоте системы. Активно применялся в компьютерах, выпущенных до 1996 г.

Обычные микросхемы DRAM в каждый конкретный момент времени могут выполнять либо запись информации, либо чтение. Именно поэтому, когда контроллер занят пересылкой содержимого видеопамяти на монитор (прямой ход кадровой развертки), процессор вынужден ждать завершения этой операции, прежде чем начать запись новых данных. VRAM (Video RAM) –двухпортовая память. Этот тип памяти обеспечивает доступ к данным со стороны сразу двух устройств (чтение / запись). Однако это все та же динамическая память – DRAM, скорость обмена с ней невелика.

WRAM (Window RAM) – вариант VRAM, с увеличенной примерно на 25% пропускной способностью и поддержкой некоторых часто применяемых функций, таких, как прорисовка шрифтов, перемещение блоков изображений и т.п.

EDO RAM (Extended Data Out RAM) – динамическое ОЗУ с расширенным временем удержания данных на выходе – тип памяти е элементами конвейеризации, позволяющий несколько ускорить обмен блоками данных с видеопамятью ~ на 25%.

Более дорогим решением является увеличение разрядности шины «память – контроллер», поскольку в этом случае требуются акселераторы с соответствующей разрядностью внутренней структуры. Большинство современных графических контроллеров имеют 32- или 64-разрядную внутреннюю структуру.

За формирование окончательного изображения на экране отвечает память RAMDAC (Random Access Memory Digital to Analog Converter). От его параметров напрямую зависит, насколько четким будет изображение на экране и насколько высокую кадровую развертку можно выставить.

Режимы работы видеоподсистемы. Видеоподсистемы работают в одном из двух режимов: текстовом или графическом. Первый представляет собой код, второй – атрибуты. Для преобразования кодов символов в точечные изображения служит знакогенератор, который обычно представляет собой ПЗУ, где хранятся изображения символов, разложенные по строкам.

Плоскопанельные мониторы. Недостатки ЭЛТ-мониторов: значительные масса, габариты и энергопотребление; наличие тепловыделения и вредного для здоровья пользователя излучения, – потребовали разработки принципиально других устройств. Таковыми являются плоскопанельные мониторы: жидкокристаллические (ЖК-мониторы), плазменные панели, электролюминесцентные, мониторы электростатической эмиссии, органические светодиодные мониторы.

Альтернативой электронно-луче­вому монитору является монитор на основе жидкокристалличе­ской матрицы (ЖК - мониторы) – множества миниатюрных ЖК – элементов, изменяющих свои цветовые характеристики под действием пропускаемого через кристалл тока.

ЖК-панель имеет несколько слоев, среди которых ключевую роль играют (рис.24) две стеклянные подложки и находящийся между ними слой жидких кристаллов – жидкости, обладающей анизотропией свойств (в частности, оптических), связанных с упорядоченностью ориентации молекул. На подложках проделаны параллельные бороздки, определяющие ориентацию жидких кристаллов. Бороздки двух подложек взаимно перпендикулярны. Нанесение таких бороздок обеспечивает одинаковые углы поворота для всех ячеек. Кроме того, на стеклянные подложки дополнительно нанесены слои, представляющие собой поляризационные фильтры. Они выполняют функции поляризатора и анализатора.

Молекулы жидких кристаллов в отсутствие напряжения под воздействием падающего или проходящего света поворачивают плоскость поляризации на угол π/2 (90⁰), что обеспечивает совпадение с ориентацией бороздок. В этом случае ЖК-ячейка прозрачна, поскольку при прохождении света вектор поляризации не изменяет своего направления (рис.24а). Молекулы таких ячеек называют твистированными нематическими.

При приложении напряжения (рис.24б) твистированная структура нарушается, ЖК-молекулы выстраиваются вдоль поля, и угол поворота плоскости поляризации отличен от π/2 (90⁰). Ячейка оказывается непрозрачной.

Для вывода цветного изображения на экран осуществляется подсветка монитора сзади. Цвет формируется в результате объединения ЖК-ячеек в триады, каждая из которых снабжена светофильтром, пропускающим один из основных цветов.

Технология, при которой угол закручивания молекул составляет π/2 (90⁰), называется твистированной нематированной (TN – Twisted Nematic). Современные технологии основаны на увеличении угла с π/2 (90⁰) до 3π/2 (270⁰). Это – так называемая STN-технология (Super Twisted Nematic). Другим способом усовершенствования является использование двух ячеек (технология DSTN – Dual Super Twisted Nematic), одновременно поворачивающих плоскости поляризации в противоположных направлениях.

Для повышения быстродействия ЖК–мониторов используют технологию двойного сканирования DSS (Dual Scan Screens), когда весь экран разбивается на четные и нечетные строки, обновление которых выполняется одновременно.

ЖК–монитор имеет ряд преимуществ: компактность и малую массу, малую толщину, безопасность в медицинском и экологическом отношении, малое потребление энергии, плоский экран, цифровой метод передачи информации в отличие от аналогового в мониторах на основе ЭЛТ. Однако для таких мониторов необходима специальная цифровая (DV) видеокарта.

Другой альтернативой ЭЛТ-мониторам являются самые современные, плазменные мониторы (PDP – Plasma Display Panel), у которых цветовую гамму изображения формирует плазма, меняющая свой цвет при прохождении электрического тока. Однако такие мониторы пока еще существенно дороже. Существуют также электролюминесцентные мониторы (ELD – Electric Luminescent Display), принцип действия которых основан на испускании света при возникновении туннельного эффекта в полупроводниковом p-n переходе. Существуют и другие мониторы, принцип действия которых основан либо на комбинации рассмотренных выше (например, мониторы электростатической эмиссии – FED: Field Emission Display), либо на применении новых конструкционных материалов (например, органические светодиодные мониторы – OLED: Organic Light-Emitting Diode Display или светоизлучающий пластик – LEP: Light Emission Plastics). Выбор той или иной модели монитора определяется характером работ пользователя на компьютере.