Типи відеоадаптерів

Монітору необхідне джерело вхідних даних. Сигнали, що подаються на монітор, поступають з відеоадаптера, що вбудованого в систему або підключається до комп'ютера.

Існує три способи підключення комп'ютерних систем до електронно-променевого або рідкокристалічного монітора.

• Окрема відеоплата. Цей метод, для реалізації якого потрібні роз'єми розширення AGP або PCI, забезпечує найвищий рівень ефективності і максимальну експлуатаційну гнучкість при виборі об'єму пам'яті і необхідних можливостей.

• Набір мікросхем графічного ядра, вбудований в системну плату. Ефективність цього методу нижча, ніж при використанні окремої відеоплати, а об'єм пам'яті змінити практично неможливо.

• Набір мікросхем системної плати з інтегрованим відеоадаптером. Найнижча вартість будь-якої графічної конфігурації і досить низька ефективність, особливо для тривимірних ігор або роботи з графічними програмами. Роздільна здатність і можливості перенесення кольорів нижчі, ніж при використанні окремих відеоадаптерів.

Як правило, відеоадаптери використовуються в більшості систем, створених на основі системної плати Baby-AT або ATX, тоді як в системній плати LPX, NLX і Micro-АТХ звичайно використовуються вбудовувані набори мікросхем графічного ядра. У багатьох сучасних недорогих комп'ютерах, створених на базі системної плати формфактора Micro-ATX, Rex-ATX або NLX, використовуються набори мікросхем системної логіки з інтегрованою відеосистемою, як в серії Intel 810. Модернізація систем з інтегрованим графічним ядром (мікросхем відеосистеми, що містять набір, або набір мікросхем системної плати, включаючий графічне ядро) звичайно здійснюється за допомогою окремої відеоплати. Проте в системи такого типу роз'єм AGP як правило не включається.

Відеоадаптери

Відеоадаптер формує сигнали управління монітором. З появою в 1987 році комп'ютерів сімейства PS/2 компанія IBM ввела нові стандарти на відеосистеми, які практично зразу ж витіснили старі. Більшість відеоадаптерів підтримує принаймні один з наступних стандартів:

• MDA (Monochrome Display Adapter);

• HOC (Hercules Graphics Card);

• CGA (Color Graphics Adapter);

• EGA (Enhanced Graphics Adapter);

• VGA (Video Graphics Array);

• SVGA (Super VGA);

• XGA (extended Graphics Array).

В даний час на ринку можна знайти адаптери VGA, SVGA і XGA. Решта типів відеоадаптерів вже можна вважати реліктами комп'ютерної ери.

Адаптер VGA

У комп'ютерах PS/2 більшість схем відеоадаптера розташована на системній платі. Ці схеми реалізовані у вигляді спеціалізованої інтегральної мікросхеми і випускаються компанією IBM. Для того, щоб пристосувати новий стандарт до раніших систем, IBM випустила так званий адаптер дисплея PS/2 (PS/2 Display Adapter), який частіше називають платою VGA. Цей відеоадаптер містить всі електронні схеми, необхідні для підтримки специфікації VGA, на одній повнорозмірній платі з 8-бітовим інтерфейсом. Сама IBM давно припинила виробництво плати VGA, але вони ще зустрічаються в деяких комп'ютерах.

BIOS VGA — це програма, призначена для управління схемами VGA. Через BIOS програми можуть ініціювати деякі процедури і функції VGA, не звертаючись при цьому безпосередньо до адаптера. Таким чином, програми стають апаратно-незалежними і можуть викликати деякі функції, що зберігаються в системній BIOS.

Подальший розвиток і вдосконалення VGA, пов'язане з модернізацією апаратури, приведе до появи відповідної модифікації BIOS. При цьому можуть бути додані нові функції. Таким чином, адаптер VGA навіть після модернізації виконуватиме всі графічні і текстові функції, введені в його специфікацію у момент створення. Використовуючи адаптер VGA, можна працювати зі всіма програмами, спочатку розробленими для адаптерів MDA, CGA і EGA.

У ідеальному випадку програмісти повинні користуватися інтерфейсом BIOS, а не звертатися до програмно доступних компонентів відеоадаптера. Тільки в цьому випадку гарантується сумісність програм зі всіма нинішніми і майбутніми моделями відеоадаптерів. Проте досить часто програмісти, вважаючи, що це поліпшить якість продукту, звертаються до адаптера напряму, без посередництва BIOS. В результаті створюється високопродуктивний програмний продукт, міцно прив'язаний до однієї-єдиної моделі апаратури.

Вся апаратура VGA забезпечує відображення до 256 відтінків на екрані з палітри в 262 144 кольори (256 Кбайт). Природно, для цього повинен використовуватися аналоговий монітор.

Монітори VGA бувають не тільки кольоровими, але і монохромними. Накладаючи (підсумовуючи) сигнали всіх кольорів, одержують 64 градації сірого замість відтінків різних кольорів, причому перетворення кольору в яскравість виконується програмами BIOS. Програма підсумовування ініціалізується в тому випадку, якщо BIOS при завантаженні системи знаходить монохромний монітор. У цій програмі використовується перетворення, в якому формула бажаного кольору переписується так, щоб в неї були включені всі три основні кольори, внаслідок чого утворюється нова градація сірого. Таким чином, виведений на екран колір певної ділянки зображення полягає, наприклад, з 30% червоного, 59% зеленого і 11% синього, а виглядає як сірий. Користувачі, що віддають перевагу монохромному монітору, в цьому режимі можуть працювати з програмами, спроектованими для кольорового відображення.

В даний час основним адаптером VGA вважається адаптер з 16-ма кольорами і роздільною здатністю 640x480. Ці параметри повинні підтримуватися всіма адаптерами, що працюють під управлінням операційної системи Windows. Якщо при завантаженні системи виникають проблеми, то вона завантажується в так званому безпечному режимі, де за умовчанням використовується адаптер VGA в режимі 640x480, 16 кольорів.

Адаптери SVGA

З появою відеоадаптерів XGA і 8514/А конкуренти IBM вирішили не копіювати ці розширення VGA, а почати випуск дешевших адаптерів з роздільною здатністю, яка вища за роздільну здатність продуктів IBM. Ці відеоадаптери утворили категорію Super VGA, або SVGA.

SVGA володіють ширшими можливостями, ніж плата VGA. Спочатку SVGA не був стандартом. Під цим терміном малися на увазі численні і відмінні одна від одної розробки різних компаній, вимоги до параметрів яких були жорсткішими, ніж вимоги до VGA.

Наприклад, одні відеоадаптери пропонували декілька форматів зображення (800x600 і 1024x768) з роздільною здатністю вище, ніж у VGA, тоді як інші мали таку ж або навіть більшу роздільну здатність (але і обширнішу палітру відтворних відтінків в кожному форматі). Не дивлячись на відмінності, всі ці відеоадаптери відносяться до категорії плати SVGA.

Зовні плата SVGA мало чим відрізняється від своїх побратимів VGA. На них встановлені такі ж роз'єми.

Стандарти SVGA асоціації VESA

У жовтні 1989 року асоціація VESA, враховуючи складність програмування безлічі модифікацій плати SVGA, що випускаються, запропонувала стандарт для єдиного програмного інтерфейсу з цією платою. До цієї асоціації увійшли представники більшості компаній, що випускають апаратуру для ПК, у тому числі і апаратуру відображення.

Мал. 15.9. Роз'їм SVGA

Таблиця 15.4. Призначення контактів стандартного 15-контактного роз'єму VGA

Контакт	Сигнал	Напрям передачі
1	Червоний	Вихід
2	Зелений	Вихід
3	Синій	Вихід
4	Монітор ID 2	Вхід
5	Логічний нуль (самотестування монітора)	-
6	Загальний для червоного аналогового	-
7	Загальний для зеленого заставного	-
8	Загальний для синього аналогового	-
9	Ключ (контакт пропущений)	-
10	Загальний для синхронізації	-
11	Монітор ID 0	Вхід
12	Монітор ID 1	Вхід
13	Синхронізація рядків	Вихід
14	Синхронізація кадрів	Вихід
15	Монітор ID 3	Вхід

Новий стандарт був названий VESA BIOS Extension. Якщо відеоадаптер задовольняє цьому стандарту, програмним шляхом легко визначити специфічні відповідності і використати їх надалі. Достоїнство VESA BIOS полягає у тому, що для роботи з будь-яким адаптером SVGA програміст може використовувати єдиний драйвер. З адаптерами SVGA різних моделей від різних виробників можна спілкуватися через єдиний програмний інтерфейс VESA.

В даний час більшість адаптерів SVGA, що випускаються, підтримує специфікацію VESA BIOS Extension. Ця підтримка в основному необхідна для DOS-програм реального режиму (в основному ігор) і операційних систем, відмінних від Windows. Для користувачів Windows 9x і Windows NT/2000 ці розширення BIOS не потрібні, оскільки для роботи використовується відеодрайвер встановленого відеоадаптера.

Існуючий стандарт VESA на плату SVGA передбачає використання практично всіх поширених варіантів форматів зображення і кодування колірних відтінків, аж до роздільної здатності 1280x1024 пікселів при 16 777 216 відтінках (24-бітове кодування кольору). Деякі відеоадаптери підтримують роздільну здатность 1880x1440. Проте іноді відеоадаптер SVGA, який рекламується як VESA-сумісний, не працює з конкретним драйвером, наприклад з драйвером на 800x600 пікселів з 256-ма кольорами, який входить в Windows.

Компоненти відеосистеми

Для роботи відеоадаптера необхідні наступні основні компоненти:

• BIOS (Basic Input/Output System — базова система вводу-виводу);

• графічний процесор, іноді званий набором мікросхем системної логіки відеоадаптера;

• відеопам'ять;

• цифроаналоговий перетворювач, він же DAC — Digital to Analog Converter;

• роз'єм;

• відеодрайвер.

Багато популярних адаптерів сьогодні мають додаткові модулі, призначені для спеціальних цілей, наприклад для прискорення відображення тривимірних об'єктів.

Мал. 15.10. Hercules 3D Prophet ll GTS Pro— типовий відеоадаптер середнього класу, оптимізований для комп'ютерних ігор. У цьому адаптері, як і в більшості сучасних графічний плати, використовується незмінна Flash-BIOS

BIOS відеоадаптера

Відеоадаптери мають свою BIOS, яка подібна системною BIOS, але повністю незалежна від неї. (Інші пристрої в комп'ютері, такі як SCSI-адаптери, можуть також мати власну BIOS.) Якщо ви включите монітор першим і негайно подивитеся на екран, то зможете побачити пізнавальний знак BIOS відеоадаптера на самому початку запуску системи.

BIOS відеоадаптера, подібно системній BIOS, зберігається в мікросхемі ROM; вона містить основні команди, які надають інтерфейс між устаткуванням відеоадаптера і програмним забезпеченням. Програма, яка звертається до функцій BIOS відеоадаптера, може бути автономною програмою, операційною системою або системної BIOS. Звернення до функцій BIOS дозволяє вивести інформацію про монітор під час виконання процедури POST і почати завантаження системи до початку завантаження з диска будь-яких інших програмних драйверів.

BIOS відеоадаптера, як і системну BIOS, можна модернізувати двома способами. Якщо BIOS записана в мікросхемі EEPROM, то її вміст можна модифікувати за допомогою спеціальної програми, що поставляється виробником адаптера. Інакше мікросхему можна замінити новою, знову-таки поставляється виробником. BIOS, яку можна модифікувати за допомогою програмного забезпечення, іноді називається flash BIOS.

Оновлення BIOS відеоадаптера може бути потрібним в тому випадку, якщо старий адаптер використовується в новій операційній системі або виробник знаходить істотний дефект в первинному коді програми. Але не впадайте в спокусу модернізувати BIOS відеоадаптера тільки тому, що з'явилася нова, переглянута версія. Прагніть слідувати правилу: не модернізуйте, якщо в цьому немає необхідності.

Графічний процесор

У конструкції відеоадаптера може використовуватися один з трьох типів процесора або спеціалізованого комплекту мікросхем. Тип пристрою, який буде встановлений в конкретній плати, практично не залежить від стандарту відображення, підтримуваного відеоадаптером VGA, SVGA або XGA.

Найстаріша архітектура відеоадаптерів називається структурою із збереженням кадру зображення (frame-buffer technology). Вона припускає методику побудови зображення, при якій відеоадаптер відповідає тільки за зберігання і регенерацію статичного кадру зображення. Сам же кадр будується виключно зусиллями програми і центрального процесора комп'ютера. Природно, при такій методиці на центральний процесор лягає величезне навантаження, оскільки він повинен практично повністю управляти побудовою всіх деталей зображення.

У сучасній комп'ютерній графіці застосовується також спеціалізований графічний співпроцесор. Така архітектура припускає включення до складу відеоадаптера власного процесора, який виконував би всі обчислення, необхідні для побудови зображення. При цьому центральний процесор майже повністю звільняється для виконання інших задач (не пов'язаних безпосередньо з формуванням картинки). Таким чином, відібравши практично всі графічні функції у центрального процесора комп'ютера і поклавши їх на спеціалізований (максимально для цього пристосований) процесор відеоадаптера, ця архітектура забезпечує мінімальний час реакції системи.

Існує проміжний варіант архітектури — відеоакселератор (accelerator chip) з обмеженим набором функцій. Така архітектура, вживана в багатьох відеоадаптерах, представлених на сучасному комп'ютерному ринку, припускає, що електронні схеми відеоадаптера вирішують алгоритмічно прості, але віднімаючі багато часу задачі. Зокрема, електронні схеми відеоадаптера виконують побудову графічних примітивів — прямих ліній, кіл і т.п., а за центральним процесором комп'ютера залишається конструювання зображення, розкладання його на складові і пересилка у відеоадаптер інструкцій, наприклад: намалювати прямокутник певного розміру і кольору.

У сучасних графічних системах застосовується також процесор тривимірної графіки (ЗD-графіки), використовуваний практично у всіх відеоадаптерах, оптимізованих для комп'ютерних ігор, а також в більшості найпоширеніших відеоплат. Процесор тривимірної графіки, що є блоком обробки ЗD-графіки, розташовується в наборі мікросхем акселератора і використовується для формування зображення багатокутників, створення світлових ефектів і промальовування півтонів. Вартість ЗD-графічних процесорів залежить від використаних наборів мікросхем, модулів пам'яті і швидкодії RAMDAC (цифроаналогового перетворювача з ОЗУ).

Таким чином, при виборі відеоадаптера уважно віднесіться до підбору необхідного набору мікросхем і зверніть увагу на виконувані їм операції.

Системна плата з інтегрованим графічним ядром

Впродовж цілого ряду років вбудована графічна система була одним з основних елементів недорогих комп'ютерів. При цьому аж до недавнього часу більшість стандартних компонентів графічної системи була перенесена безпосередньо на системну плату. У багатьох недорогих системах, зокрема створених на основі системної плати форм-фактора LPX, стандартні відеосхеми типа VGA були включені в системну плату. Робочі характеристики і можливості вбудованої відеосистеми лише небагато чим відрізняються від плати розширення, використовуючих ті ж або подібні набори мікросхем. Крім того, в більшості випадків вбудовану відеосистему можна з успіхом замінити відеоадаптером.

Слід помітити, що процес інтеграції системної плати з іншими компонентами привів до розробки наборів мікросхем, що включають підтримку відео- і аудіофункцій 3D. По суті, в набір мікросхем системної плати була включена велика частина раніше згадуваних компонентів відеоплати, при цьому як відеопам'ять використовується частина основної системної пам'яті. Метод сумісного використовування основної системної пам'яті, що одержав назву уніфікованої архітектури пам'яті (Unified Memory Architecture — UMА), також використовувався вбудованим графічним ядром, що містить власні набори мікросхем. Проте з підвищенням ступеня інтеграції наборів мікросхем системної плати цей метод набув ширше поширення.

Першою серед виробників інтегрованих наборів мікросхем, що містять відео і аудіокомпоненти, була компанія Cyrix. У Cyrix, що входила тоді в корпорацію National Semiconductor, був розроблений набір з двох мікросхем, що одержав назву MediaGX. Набір MediaGX об'єднав в собі функції процесора, контроллера пам'яті, обробки звуку і графіки, що дозволило значно зменшити вартість комп'ютерів, що випускаються (правда, їх продуктивність була набагато нижчою, ніж систем класу Pentium з аналогічними тактовими частотами). Після того, як компанія Cyrix була продана VIA Technologies, в National Semiconductor створили поліпшену версію MediaGX, що одержала назву Geode GX1, яка призначалася для використовування в малопотужних мережевих клієнтах-терміналах, інтерактивних комп'ютерних приставках і інших пристроях.

Компанія Intel стала наступним розробником інтегрованих наборів мікросхем, що сповістила із створенням набору серії 810 (кодова назва Whitney) про початок широкомасштабної промислової підтримки цієї конструкції. До числа наборів мікросхем Intel, що мають інтегроване графічне ядро, відносяться наступні:

• все сімейство Intel 810;

• Intel 815 і 815Е.

Intel не є єдиною компанією, розробляючою інтегровані набори мікросхем; існує ще декілька провідних виробників, що займаються створенням подібних наборів мікросхем системної логіки, призначених для недорогих комп'ютерів і системної плати, створеної на базі процесорів Intel і AMD.

На жаль, перераховані набори мікросхем не зможуть задовольнити любителів сучасних комп'ютерних ігор. Не дивлячись на це, інтегрованої графічної системи, створеної на їх основі і включаючої підтримку AGP 2х і швидших 3D-функций, цілком достатньо для користувача, що працює із стандартними офісними програмами.

Відеопам'ять

При формуванні зображення відеоадаптер звертається до пам'яті. Місткість пам'яті на відеоадаптері (відеопам'яті) може бути різною: 4, 8, 16, 32, 64 або 128 Мбайт. Більшість сучасних плати мають мінімум 64 Мбайт, а в багатьох комп'ютерах встановлена відеопам'ять об'ємом 128 Мбайт. Додаткова пам'ять не збільшує швидкодії відеоадаптера, але дозволяє підвищити роздільну здатність зображення і/або кількість відтворних кольорів.

Як відеопам'ять можуть використовуватися мікросхеми пам'яті різних типів.

Прискорювачі тривимірної графіки (3D Accelerator)

Зображення тривимірних об'єктів можуть складатися з величезної кількості елементів. У програмах створення тривимірної графіки використовується технологія зберігання в пам'яті і обробки не самих зображень, а набору абстрактних графічних елементів, що становлять ці зображення. До недавнього часу для перетворення цих абстрактних елементів в "живі" образи, крім програм створення тривимірної графіки, потрібні спеціальні програми. Вони перенавантажували процесор, і, як наслідок, сповільнювалася робота всієї решти програм.

Зараз ситуація змінилася. Поєднання вищих роздільних здатностей екрану, 24- або 32-розрядного кольору і спеціальних процесорів для обробки тривимірної графіки привело до появи комп'ютерних ігор нового покоління. Наприклад, сучасні тривимірні спортивні ігри, що дозволяють змінювати освітлення і кут огляду, настільки реалістичні, що випадковий спостерігач цілком може прийняти гру за звичну телепередачу.

Набір примітивних тривимірних об'єктів, вживаних в ранніх комп'ютерних іграх, давно не відповідає сьогоднішнім вимогам. В цілому персональні комп'ютери мають серйозних конкурентів в ігровому світі (більш того, зараз індустрія префіксальних ігор витісняє ігри для ПК) в особі високоефективних спеціалізованих ігрових консолей, таких як Sony PlayStation 2 і Nintendo GameCube (а також Xbox від Microsoft, яка була створена на базі персонального комп'ютера). Щоб залишитися "на плаву" в світі розваг, що бурхливо розвивається, персональний комп'ютер повинен ефективно працювати з тривимірною реалістичною анімацією, виконуваною в режимі реального часу. Саме цю потребу і забезпечують акселератори тривимірної графіки.

Отже, головною функцією програм створення тривимірної графіки є перетворення графічних абстрактних об'єктів в зображення на екрані комп'ютера. Як правило абстрактні об'єкти включають три складових.

• Вершини. Задають місцеположення об'єкту в тривимірному просторі; саме їх положення задається координатами X, У і Z.

• Примітиви. Це прості геометричні об'єкти, за допомогою яких конструюються складніші об'єкти. Їх положення задається розташуванням визначальних точок (звично вершин). Для конструювання зображень тривимірних об'єктів при побудові примітивів враховується також ефект перспективи.

• Текстури. Це двомірні зображення, або поверхні, що накладаються на примітиви. Програмне забезпечення підсилює ефект тривимірності, змінюючи вид текстур залежно від положення примітиву (тобто відстані до примітиву і його нахилу); цей процес називається перспективною корекцією. У деяких програмах використовується інша процедура, звана відображенням MIP; в цьому випадку застосовуються різні версії однієї і тієї ж текстури, які містять різну кількість деталей (залежно від відстані до об'єкту в тривимірному просторі). При відображенні об'єктів, що віддаляються, зменшується насиченість і яскравість кольорів текстури.

Ці абстрактні математичні описи повинні бути візуалізовані, тобто перетворені у видиму форму. Процедура візуалізації грунтується на жорстко стандартизованих функціях, призначених для складання цілісного зображення, що виводиться на екран, з окремих абстракцій. Нижче представлені дві стандартні функції.

• Геометрізація. Визначення розмірів, орієнтації і розташування примітивів в просторі і розрахунок впливу джерел світла.

• Растеризація. Перетворення примітивів в пікселі на екрані з нанесенням потрібних затінювань і текстур.

У сучасні відеоадаптери, в яких графічний процесор може виконувати функції прискорення тривимірної графіки, вбудовуються спеціальні електронні схеми, що виконують растеризацію набагато швидше, ніж програмне забезпечення. Нижче перераховані функції растеризації, здійснювані більшістю призначених для цього сучасних наборів мікросхем.

• Растрове перетворення. Визначення того, які пікселі екрану покриваються кожним з примітивів.

• Обробка півтонів. Колірне наповнення пікселів з плавними колірними переходами між об'єктами.

• Утворення текстури. Накладення на примітиви двомірних зображень і поверхонь.

• Визначення видимості поверхонь. Визначення пікселів, що покриваються найближчими до глядача об'єктами.

• Анімація. Швидке і чітке перемикання між послідовними кадрами рухомого зображення.

• Згладжування. Плавна зміна колірних меж для згладжування контурів формованих об'єктів.