4.7. Видеоадаптеры

4.7.1. Назначение и принцип работы видеоадаптера

Вторым основным компонентом видеосистемы PC является видеоадаптер. Иногда его называют видеокартой.

Интерфейс между компьютером и устройством отображения был единственным назначением первых видеоадаптеров: MDA = Monochrome Display Adapter – адаптер монохромного дисплея; CGA = Color Graphics Adapter – цветной графический адаптер; HGC – Hercules Graphics Card; EGA = Enhanced Graphics Adapter – улучшенный графический адаптер; VGA = Video Gate Array – вентильная матрица для формирования видеосигнала (первоначально), позже – VGA = Video Graphics Adapter – графический адаптер, формирующий видеосигнал. Однако по мере развития PC на видеоадаптер стали возлагаться дополнительные функции: аппаратное ускорение 2D- и 3D-графики; обработка видеосигналов; приём телевизионных сигналов и многое другое.

Для решения этих задач в состав видеоадаптера начали включать дополнительные узлы, в результате чего современный видеоадаптер превратился в мощное универсальное графическое устройство.

Видеоадаптер определяет следующие характеристики видеосистемы: максимальное разрешение и частоты развёрток (совместно с монитором); максимальное количество отображаемых оттенков цветов; скорость обработки и передачи видеоинформации, определяющую производительность видеосистемы и PC в целом.

Помимо видеосигнала, видеоадаптер формирует сигналы горизонтальной и вертикальной синхронизации, используемые при формировании растра на экране монитора: сигналы H-Sync и V-Sync.

Функционирует видеоадаптер следующим образом. CPU формирует цифровое изображение в виде матрицы n-разрядных чисел и записывает его в видеопамять. Участок видеопамяти, отведённый для хранения цифрового образа текущего изображения (кадра), называется кадровым буфером, или фрейм-буфером (от англ. Frame Buffer – кадровый буфер). Видеоадаптер последовательно считывает содержимое ячеек кадрового буфера и формирует на выходе видеосигнал, уровень которого в каждый момент времени пропорционален значению, хранящемуся в ячейке цифрового кода соответствующего пикселя. Сканирование видеопамяти осуществляется синхронно с перемещением электронного луча по экрану ЭЛТ или переключением ключей переключения пикселями плоских мониторов. В результате яркость каждого пикселя на экране монитора оказывается пропорциональной значению соответствующей ячейки памяти видеоадаптера. По окончании просмотра ячеек, соответствующих одной строке растра, видеоадаптер формирует импульсы строчной синхронизации H-Sync, инициирующие обратный ход луча по горизонтали (для монитора на ЭЛТ) или переключение на следующую строку ячеек (для плоского монитора). По окончании сканирования кадрового буфера видеоадаптер выдаёт сигнал V-Sync, вызывающий движение луча снизу вверх (для плоских мониторов – переключение на первый пиксель первой строки).

Таким образом, частоты строчной и кадровой развёртки определяются (ограничиваются) скоростью считывания содержимого видеопамяти, т.е. видеоадаптером.

Режимы работы видеоадаптера

Совокупность всех параметров, характеризующих режим работы видеоадаптера (разрешение, количество отображаемых цветов, частота кадровой развёртки, способ адресации участков экрана) называется видеорежимом.

Все видеорежимы делятся на графические и текстовые. Различие в режимах существенно только для видеоадаптера. Монитор в обоих режимах работает одинаково.

В графическом режиме содержимое каждой ячейки кадрового буфера (матрицы n-разрядных чисел) является кодом цвета соответствующего пикселя экрана. Разрешение экрана при этом также равно . Адресуемым элементом экрана является минимальный элемент изображения – пиксель. По этой причине графический режим называют также режимом APA (All Points Addressable – все точки адресуемы). Иногда число n называют глубиной цвета. При этом количество одновременно отображаемых цветов равно , а размер кадрового буфера, необходимого для хранения цветного изображения, – с разрешением бит.

Графический режим является основным режимом видеосистемы современного PC, поскольку в этом режиме на экране монитора можно вывести текст, рисунок, фотографию, анимацию или видеосюжет. В графическом режиме работает видеосистема под управлением Windows. Однако для эффективной работы в графическом режиме необходим современный видеоадаптер.

В текстовом (символьном) режиме, как и в графическом, изображение на экране монитора представляет собой множество пикселей и характеризуется разрешением . Однако все пиксели разбиты на группы, называемые знакоместами, или символьными позициями (Character positions или Character boxes – символьные ячейки) размером . В каждом из знакомест может быть отображён один из 256 символов таблицы ASCII. На экране монитора умещается символьных строк по символов в каждой. Типичным текстовым режимом является символов.

Изображение символа в пределах каждого знакоместа задаётся точечной матрицей (dot matrix). Размер матрицы зависит от типа видеоадаптера и текущего видеорежима. Точки матрицы, формирующие изображение символа, называют передним планом (foreground), остальные – задним планом, или фоном (background).

Графическое изображение символа хранят в виде набора двоичных чисел, записанных в ROM Video BIOS. Такую часть ПЗУ называют аппаратным знакогенератором (Hardware character generator). Совокупность изображений 256 символов называется шрифтом. Аппаратный знакогенератор хранит шрифт, который автоматически используется видеоадаптером сразу же после включения компьютера (обычно это буквы английского алфавита и набор специальных символов). Адресом ячейки знакогенератора является порядковый номер символа.

Для кодирования изображения символа на экране используется 2 байта: один – для задания номера символа, второй – для указания атрибутов символа (цвета символа и фона, подчёркивания, мигания, отображения курсора). Если на экране имеется знакомест, то объём видеопамяти, необходимый для хранения изображения, составляет байт. Эту область видеопамяти называют видеостраницей (video page). Видеостраница является аналогом кадрового буфера в графическом режиме, но имеет значительно меньший объём. В наиболее распространённом текстовом режиме символов размер видеостраницы составляет 4000 байт, в режиме – 2000 байт. На практике для удобства адресации под видеостраницу отводят 4 Кбайт = 4096 байт и 2 Кбайт = 2048 байт, соответственно, при этом «лишние» байты (96 и 48) не используются.

Главная особенность текстового режима заключается в том, что адресуемым элементом экрана является не пиксель, а знакоместо. Иными словами, в текстовом режиме нельзя сформировать произвольное изображение в любом месте экрана – можно лишь отобразить символы из заданного набора, причём, только в отведённых символьных позициях. Другим существенным ограничением текстового режима является узкая цветовая палитра – в данном режиме может быть отображено не более 16 цветов.

Текстовый режим имеет одно важное преимущество – незначительные затраты ресурсов на его реализацию.

Из-за требований совместимости даже современные видеоадаптеры имеют текстовые видеорежимы 108h, 109h, 10Ah, 10Bh, 10Ch.