12 Видеосистемы ПК

8

ВИДЕОСИСТЕМЫ

ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

Основные принципы работы видеосистемы

Основным средством оперативного отображения информации в большинстве персональных компьютеров (ПК) является монитор (дисплей). В каждом ПК имеется видеосистема, предназначенная для формирования изображений, наблюдаемых на экране монитора. Она располагается на специальной видеоплате (плате видеоадаптера), которая соединяется с материнской платой ПК. Ее основу составляют специализированные схемы для генерирования электрических сигналов, управляющих монитором. По мере развития ПК совершенствовались и видеоплаты. В разные годы были созданы видеоадаптеры следующих типов: MDA, CGA, EGA, VGA, SVGA.

Все видеосистемы содержат электронные компоненты, формирующие сигналы синхронизации, цветности и управляющие генерированием текстовых символов. Кроме того, во всех видеосистемах имеется видеобуфер, предназначенный для хранения текстовой или графической информации, выводимой на экран. Основная функция видеосистемы заключается в преобразовании данных из видеобуфера в те сигналы, которые управляют монитором и формируют наблюдаемое на экране монитора изображение.

Любое текстовое или графическое изображение на экране состоит из огромного множества дискретных точек, называемых также пикселами. На рис. 1 приведена структурная схема видеосистемы в текстовом режиме.

Рис. 1

Основным средством отображения информации является монитор. Долгое время персональные компьютеры оснащались мониторами на основе электронно-лучевой трубки. Изображение в них формируется, как и в обычных телевизорах, с помощью электронного луча, который периодически сканирует экран, образуя стандартные, близко расположенные строки развертки, занимающие весь экран и называемые растром. По мере движения луча по строке развертки в схему управления лучом подается видеосигнал, изменяющий яркость каждого пиксела, и на экране появляется воспринимаемое человеком изображение.

Для получения немерцающего изображения необходимо повторять формирование растра и модуляцию луча 50 - 100 раз/с. Такое периодическое сканирование экрана называется регенерацией. В каждом цикле регенерации луч движется по зигзагообразной траектории, начиная с левого края верхней горизонтальной строки растра. После перемещения луча слева направо он быстро отклоняется вниз и влево на начало следующей строки растра. Когда луч сформирует последнюю строку растра, он возвратится в верхний левый угол экрана и цикл повторится.

Цветной дисплей работает примерно так же, но в нем действуют три электронных луча, формируемых отдельными электронными пушками и имеющих независимые схемы управления. Каждый луч "отвечает" за индикацию одного из основных цветов (красного, зеленого, синего). Любой из пикселов на экране цветного монитора физически образован тремя небольшими и близко расположенными точками и полосками люминесцентного вещества. При плавном изменении интенсивностей "красного", "зеленого" и "синего" лучей на экране можно получить любой цвет.

Размер пикселов в высококачественных мониторах составляет около 0.1 мм. Чем больше пикселов может быть образовано на экране монитора, тем более отчетливым и детальным получается изображение. Поэтому разрешающая способность является важнейшей характеристикой монитора. Другой характеристикой таких мониторов является частота кадровой развертки, показывающая, как часто происходит обновление изображения на экране. Чем она больше, тем стабильнее изображение на экране и тем меньше устает глаз человека. При этом характеристики видеоплаты и монитора должны соответствовать друг другу.

Однако ЭЛТ-мониторы постепенно уходят в прошлое и все большее число ПК оснащаются LCD-мониторами. Экран LCD-мониторов представляет собой массив сегментов (пикселов), заполненных жидкокристаллическим веществом. Под воздействием электричества жидкий кристалл может изменять ориентацию своих молекул в пространстве, а значит и свойства проходящего через него светового луча.

У этих мониторов изображение получается более четким и целостным, практически отсутствует какое-либо электромагнитное излучение и мерцание изображения, что особенно важно для людей, много работающих на ПК. Они имеют маленькие габариты и невысокое энергопотребление. Но в отличие от ЭЛТ-мониторов у LCD-мониторов существуют ограничения на угол обзора, может наблюдаться некоторая размытость изображения, если задать разрешение, меньше номинального разрешения для данного монитора, несколько большая инерционность приводит к “смазу” быстро изменяющихся изображений в видеофильмах или играх. Отдельные сегменты, из которых состоит экран LCD-монитора, могут выйти из строя и на изображении будут наблюдаться постоянно светящиеся точки. Они пока имеют более высокую стоимость, чем ЭЛТ-мониторы. Однако в последнее время происходит резкое совершенствование LCD-мониторов, и многие их недостатки стали не такими существенными.

В любой видеосистеме требуется память для хранения выводимой на экран информации. Эта память называется видеобуфером. Для образования на экране немерцающего, устойчивого изображения адаптер периодически считывает содержимое видеобуфера и преобразует его в видеосигнал, подаваемый в монитор. Емкость видеобуфера в различных видеосистемах варьируется от 4 Кбайт (адаптер MDA) до нескольких Мбайт (адаптер SVGA). Очевидно, чем больше емкость видеобуфера, тем более сложное изображение можно сформировать на экране монитора. Кроме того, в большинстве видеосистем емкость видеобуфера достаточна для того, чтобы хранить больше данных, чем требуется для заполнения экрана. Следовательно, в любой момент времени на экране наблюдается только часть ("страница") информации из видеобуфера. Это позволяет реализовать много интересных приемов управления выводом на экран.

Во всех видеосистемах имеются схемы, которые считывают и декодируют данные, хранящиеся в видеобуфере. В текстовом режиме для преобразования кодов символов в конечное изображение символов на экране предусмотрен знакогенератор. Он представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в котором хранятся так называемые символьные матрицы. Знакогенератор воспринимает код символов и номер строки развертки на символьной матрице и выдает соответствующий двоичный код, который преобразуется в видеосигнал.

Наряду с кодами символов в видеобуфере имеется информация, показывающая, как должно формироваться изображение символа. Такая информация для конкретной символьной позиции называется атрибутами. Примерами атрибутов могут служить повышенная яркость, мерцание, подчеркивание, цвет символа и окружающего его фона. Атрибутный контроллер воспринимает атрибуты каждого символа и соответствующим образом воздействует на формируемые сигналы.

Схемы, образующие контроллер ЭЛТ, предназначены для синхронизации считываемых из видеобуфера данных с сигналами управления монитором.

Кодирование цветов

Известно, что цвет является композицией трех основных цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). В зависимости от того, какой "вес" имеет каждый из этих цветов, получается все разнообразие цветов окружающего нас мира. В цифровых компьютерах "вес" каждого цвета представляется некоторым числом. В простейшем случае для кодирования каждого из основных цветов достаточно по одному биту (1 - цвет включен, 0 - цвет выключен). Эти биты обозначаются R, G и B. Из трех основных цветов с двоичным кодированием получается 8 цветовых комбинаций. Когда все цвета выключены, получается черный цвет. Если ввести еще один бит, который управляет яркостью (Brightness) или интенсивностью (Intensity), то получается 16 4-битных комбинаций (рис.2), называемых IRGB-цветом и приведенных в табл.1.

Рис. 2

Таблица 1

Номер	I	R	G	B	Название	Компонент
0	0	0	0	0	Черный	Нет
1	0	0	0	1	Синий	Синий
2	0	0	1	0	Зеленый	Зеленый
3	0	0	1	1	Голубой	Зеленый + синий
4	0	1	0	0	Красный	Красный
5	0	1	0	1	Вишневый	Красный + синий
6	0	1	1	0	Коричневый	Красный + зеленый
7	0	1	1	1	Белый	Красный + зеленый + синий
8	1	0	0	0	Серый	Intensity (I)
9	1	0	0	1	Ярко-синий	I + синий
10	1	0	1	0	Ярко-зеленый	I + зеленый
11	1	0	1	1	Ярко-голубой	I + зеленый + синий
12	1	1	0	0	Ярко-красный	I + красный
13	1	1	0	1	Ярко-вишневый	I + красный + синий
14	1	1	1	0	Желтый	I + красный + зеленый
15	1	1	1	1	Ярко-белый	I + красный + зеленый + синий

Режимы работы видеосистемы

Монитор любого компьютера может работать в двух режимах: текстовом и графическом.

В текстовом режиме экран разделяется на отдельные символьные позиции, в каждой из которых выводится один символ. Обычно на экране формируются 25 текстовых строк, содержащих по 80 символов. Символьные позиции определяются двумя координатами: номером текстовой строки (координата Y) и номером текстового столбца (координата X). Начало координат (1,1) находится в верхнем левом углу рабочей области экрана.

В видеобуфере каждой символьной позиции соответствуют два байта (рис. 3). Байт с четным адресом содержит код символа, т.е. определяет, что выводится в данной символьной позиции. Соседний байт с большим нечетным адресом содержит атрибуты, определяющие, как формируются изображения символа (яркий, мерцающий и т. д.). Байты, содержащие коды символов и атрибуты, размещаются в видеобуфере последовательно. Адаптер считывает их и с помощью знакогенератора преобразует в видеосигнал.

Изображение символа формируется на точечной матрице, размер которой зависит от используемого адаптера и режима. Точки, образующие изображение символа, называются передним планом, а остальные точки - фоном. Чем больше размер точечной матрицы, тем выше качество изображения символов.

Цвета пикселов переднего плана и фона определяются младшей и старшей тетрадами атрибутного байта. Способ интерпретации атрибутных байтов зависит от конкретной видеосистемы. В общем формат атрибутного байта состоит из двух тетрад (рис. 3). Младшая тетрада определяет атрибуты переднего плана, т.е. цвет и интенсивность самого символа, а старшая тетрада влияет на атрибуты фона. Содержимое тетрад атрибутного байта преобразуется в сигналы управления монитором. Например, в адаптере CGA четыре бита прямо соответствуют сигналам цветов и интенсивности, но в адаптерах EGA, VGA и SVGA применяются более сложные способы дешифрации с дополнительным табличным преобразованием через регистры палитры и регистры цвета цифроаналогового преобразователя (ЦАП).

Рис. 3

В графическом режиме цветовое значение каждого пиксела хранится как один или несколько битов в видеобуфере и считывается на экран, возможно, с дополнительным табличным преобразованием. Если пиксел в видеобуфере кодируется n битами, одновременно на экране можно наблюдать 2ⁿ цветов. Чем больше пикселов на экране и чем больше битов в видеобуфере отведено на каждый пиксел, тем более сложные и качественные изображения получаются на экране.

Так в режиме High Color цвет каждого пиксела кодируется 16 битами и на экране можно наблюдать 2¹⁶=65536 оттенков. В режиме True Color цвет каждого пиксела кодируется 32 битами, что позволяет наблюдать более 16 млн. оттенков.