Видеоадаптер

Условно видеоадаптеры можно разделить на три типа: алфавитно- цифровые, графические точечные и графические растровые видеоадаптеры. Первые два типа видеоадаптеров устроены достаточно просто и на сегодняшний день применяются крайне редко.

Алфавитно-цифровые адаптеры содержат оперативно запоминающее устройство (ОЗУ) в котором сохраняются коды символов, передаваемых оборудованием. Сами символы хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) монитора или видеоадаптера. При получении кода, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) считывает соответствующий символ из ПЗУ и выводит его на экран монитора, переводя указатель на место для следующего символа. Если количество символов превышает заданный предел (обычно это 80 символов), видеоадаптер автоматически вставляет код перевода строки. При этом существующая строка смещается вверх, а курсор переводится на первую позицию новой строки

Рис.12 алфавитно-цифровой видеоадаптер

Графический точечный видеоадаптер работает как точечный принтер. Для этого используются всего две команды. Команда рисования точки и команда перехода. Команды формируются центральным процессором и передаются в ОЗУ видеоадаптера. В результате в ОЗУ формируется готовая картинка, которая поточечно выводится на монитор. Особенностью таких видеоадаптеров является возможность выводить на монитор не только текст, но и примитивную графику (псевдографику).

Использование нескольких ЦАП, позволяет выводить несколько цветов. Для этого, вместо ОЗУ используется видео запоминающее устройству (ВЗУ), в котором сохраняются не только картинка, но и цветовой код каждой точки. Цветовой код задает параметры интенсивности для соответствующего ЦАП. Таким образом, вывод картинки представляет собой последовательную «печать» на экран монитора нескольких картинок в различных цветах. На рисунке 13 показана принципиальная схема графического адаптера точечного типа.

По аналогии с телевизором, в большинстве графических видеоадаптеров точечного типа используется разбиение цветов на три составляющий: красный R, зеленый G и синий В. Яркость каждого из цветов задается в пределах от 0 до 255. Таким образом, сочетание 255.0.0 соответствует красному цвету, а 255.255.255 - белому.

Рис.13 Графический точечный адаптер

Поскольку ЦАП могут работать независимо друг от друга, управляя каждый своим цветом, увеличивая их количество, мы можем увеличить количество выводимых цветов и оттенков. Так появились видеоадаптеры, поддерживающие 256, 35536, 16 миллионов цветов и т.д. Количество возможных цветовых комбинаций определяется как N², где N - количество ЦАП.

Кроме увеличения цветовой гаммы, графические видеоадаптеры позволили строить объемные модели. Для этого, в их конструкцию добавили дополнительный буфер памяти (Z-буфер).

Его назначение довольно простое. Допустим, нам нужно отобразить объемную картинку. Мысленно построим её в декартовой системе координат, с осями X,Y и Z. Теперь разрежем эту картинку на несколько слоев по оси Z. Совокупность этих срезов приблизительно отображает нашу первоначально задуманную объемную картинку. Z-буфер как раз и предназначен для хранениянесколько «срезов». Чем их больше, тем более реалистично отображается перспектива.

Кроме этого, появление Z-буфера позволило воссоздать эффект движения. Для этого объекты на одном из срезов перемещают, а на остальных оставляют неподвижными (как при создании кукольных мультфильмов’).

Рис.14 Графический точечный адаптер с Z-буфером

Графические адаптеры растрового типа изначально цифровые и уже не могут работать с аналоговыми мониторами. В их состав входит:

• Векторный графический процессор (ВГП), который используется для первоначального расчета векторного пространства. На основе этого пространства масштабируется и строится каркас выходного изображения. Благодаря такому перерасчету можно выводить картинку на мониторы с различным разрешением экрана.

• Растровый графический процессор (РГП), заменяющие ЦАПы видеоадаптеров предыдущего поколения. На РПГ «смешиваются» цвета для каждой точки поверхностей, образованных векторным каркасом. Поскольку смешивание цветов операция независимая, в составе одного чипа размещено несколько сотен графических процессоров. Они «обтягивают» готовый векторный каркас выходной картинки

• Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для получения команд от операционной системы. Информация хранимая в ОЗУ представляет собой объекты отображения. Эти объекты представляют собой набор примитивов, как правило, треугольников, которые

• В растровых адаптерах каждая точка выходной картинки вычисляется и записывается в специальное видео запоминающее устройство (видео-ЗУ). Поскольку информация по каждой точке достаточно объемная (несколько десяток килобайт), видео-ЗУ растровых видеоадаптеров должно быть не только большим, но быстрым (соизмеримым по скорости с работой оперативной памяти).

Рис.15 Растровый видеоадаптер

Таким образом, выходная картинка сначала преобразуется в векторный вид, где осуществляется масштабирование и перемещение изображения, а затем в растровую форму, где каждый вектор заменяется последовательностью пикселей, записываемых в видео-ЗУ. Сформированные поверхности обтягиваются РПГ в нужный цвет.

Для создания полутонов видео-ЗУ имеет несколько «плоскостей», число которых определяется количеством градаций черно-белого тона. В

зависимости от интенсивности тона, пиксель помещается на соответствующую плоскость. Разрядность задания атрибутов пикселя п и число градаций тона L связаны между собой соотношением n = log₂L. Наличие ВГП побудило производителей процессоров перенести его функции в центральный процессор, При этом не только повышается скорость обработки векторной картинки, но и центральный процессор может использовать свои «короткие» команды регистр-регистр для работы с видеоконтроллером. Надобность в специализированном контроллере видеоадаптера отпадает, что существенно улучшает возможности настройки центрального процессора и видеоадаптера.

Для того, чтобы оценить насколько увеличится производительность графического адаптера, воспользуемся методом конечных приборов. Будем считать что

CPU - 3Ggz х 64 Bit = 192Gb /с.

Mem- 2x1Ggz x 64 Bit = 128 Gb/c.

Video - 1Ggz x 128 Bit = 128 Gb/c.

Строим граф работы видеоадаптера в первом и во втором случаях

Таким образом, получаем 40% увеличение производительности видеосистемы при использовании технологии APU.

Системная плата

Назначение основной системной блаты (motherboard) в предоставлении основной системной магистрали всем модулям IBM- совместимого компьютера. Классическая системная плата строится на двух основных микросхемах - Северном и Южном мостах. Название это историческое и появилось как следствие отображения компьютера на схемах. До появления высокоскоростных шин AGP и PCI-express системная плата строилась на основе шинно-мостовой архитектуры, при которой чипсет связывал одновременно все устройства и сигналы передавались сразу ко всем устройствам. Особо отмечу, что системная плата формирует внутреннюю магистраль данных (основная шина данных) компьютера. Эта шина одна для всего компьютера и все данные между подключенными устройствами передаются по ней.

Северный мост (МВ)работает с «быстрыми» устройствами, такими как центральный процессор, видеокарта и оперативная память. На него ложится основная нагрузка по формированиюмагистралей между быстрыми устройствами. Поскольку каждое быстрое устройство имеет уникальный интерфейс, чтобы сформировать между ними магистраль необходимо перепрограммировать NB таким образом, чтобы эти устройства начали «понимать» друг друга. При этом следует учитывать, что на момент перепрограммирования, может потребоваться отключить центральный процессор от основной шины данных.

Делает это специальный процессор прерываний (PIC). Если о центральном процессоре можно говорить как о «сердце» компьютера, прокачивающего информацию, то PIC является его «мозгом», поскольку благодаря PIC, удается соблюдать баланс данных между быстрыми и медленными устройствами.

К примеру, довольно медленное устройство CD-ROM передает данные на другое медленное устройство - Жесткий диск. Процесс передачи данных заключается в том, что сначала на CD-ROM

заполняется буфер обмена, потом эти данные по основной шине данных передаются в буфер обмена жесткого диска. Данные из буфера записываются на диск и вся операция повторяется.

PIC в даннойситуации работает следующим образом:

1. Он отключает основную шину от CD-ROM, до тех пор, пока тот не сообщит ему, что буфер обмена полон.

2. Он дождется сообщения, что буфер обмена жесткого диска освобожден.

3. Только после того как два сообщения получены, будет предоставлена основная шина данных, для быстрого обмена данных между буферами устройств. После чего основная шина данных опять будет отключена.

При этом для CD-ROM и жесткого диска весь процесс кажется непрерывным.

Таким же образом, PIC поступает, когда два быстрых устройства требую быстрый канал связи. PIC отключает от основной шины центральный процессор, и предоставляет специальному контролеру DMA (DirectMemoryAccess), входящему в NB возможность перепрограммироваться для организации такого обмена. После чего, подключает устройства и центральный процессор к основной шине данных. Благодаря возможности перепрограммирования NB, мы получили возможность устанавливать несколько типов быстрых устройств. Например, одноядерные и много ядерные центральные процессоры имеют существенные различия, но могут работать с одним чипсетом. Контролер прямого доступа к памяти (DMA), совместно с PIC существенно разгружают центральный процессор при операциях обмена данными между устройствами.

DMA включает несколько спаренных линий -каналов DMA, которые подключаются к устройствам. При обмене данными два устройства использует канал DMA монопольно. Таким образом, достигается максимальная скорость обмена. Но, поскольку количество каналов ограничено, сами линии передаются от устройства к устройству.

При подключении к системе нового устройства, которое умеет использовать прямой доступ к памяти, обычно необходимо программно или аппаратно задать номер канала DMA, к которому будет приписано устройство.

Южный мост (SB) - представляет собой универсальный периферийный контролер. В его задачу входит возможность работы большого количества устройств с разной архитектурой между собой. Контроллеры, составляющие SB, позволяют различным устройствам, подключенным к компьютеру общаться между собой, играя роль переводчика. Здесь по аналогии с людьми, относящимися к различным языковым группам. Контроллер разъясняет обеим сторонам, как следует работать, чтобы достичь желаемого эффекта.

Для того чтобы устройство могло обратиться к контролеру у него должен быть адрес в общем адресном пространстве. Это адресное пространство резервируется системой для своих нужд из оперативной памяти и не используется операционной системой. Поэтому, например, при установке на 4GB оперативной памяти 32 битной операционной системы вы обнаруживаете, что около 256 Мб не хватает. Дело в том, что недостающие адреса зарезервированы для котроллеров ПК.

В составе SB обычно входит:

Для того чтобы устройство могло обратиться к контролеру у него должен быть адрес в общем адресном пространстве. Это адресное пространство резервируется системой для своих нужд из оперативной памяти и не используется операционной системой. Поэтому, например, при установке на 4GB оперативной памяти 32 битной операционной системы вы обнаруживаете, что около 256 Мб не хватает. Дело в том, что недостающие адреса зарезервированы для котроллеров ПК.

В составе SB обычно входит:

1.ICH (I/O controllerhub) -периферийный контроллер ввод - вывода, предназначенный дляподключения жестких дисков, сетевых контролеров и аудио.

2. Мультиконтролер для всевозможных интерфейсных шин данных (PCI, PCI Express или USB)

3. LPC - контролер для подключения устаревшего оборудования и BIOS.

Для работы в расширенном режиме SАТА жестких дисков используется AdvancedHostControllerlnterface (AHCI) — это механизм обмена данными со встроенной очередностью команд (NCQ) и возможностью горячей замены при использовании RAID.

Работа магистрали и всех устройств компьютера, включая центральный процессор, определяется генератором, который задает такты работы двоичных счетчиков в микросхемах. В большинстве

случаев в качестве генератора используется кварцевый резонатор на частоте 32768 Гц. Такая частота обеспечивает 215 циклов в секунду, что очень удобно для простых двоичных счетчиков. Генератор определяет физический предел производительности компьютера. Он соответствует 2**15 бит за секунду.

Рассмотрим шинно-мостовую архитектуру на примере чипсета AMD-760. Шина, к которой подключается множество устройств, является узким местом по ряду причин. Во-первых, из-за большого числа устройств, подключенных (электрически) к шине, не удается поднять тактовую частоту до уровня, достижимого в двухточечных соединениях. Во- вторых, шина, к которой подключается множество разнотипных устройств (особенно расположенных на картах расширения), обременена грузом обратной совместимости со старыми периферийными устройствами. Например, предусмотренные возможности повышения производительности PCI используются не всегда: расширение разрядности до 64 бит обходится слишком дорого (большое число проводников порождает свои проблемы), а повышение частоты до 66 МГц для шины возможно лишь если все ее абоненты поддерживают эту частоту. Достаточно установить одну «простую» карту PCI, и производительность центральной шины падает до начальных 133 Мбайт/с. То же можно сказать и о PCI-Х: достаточно подключить к ней одно устаревшее устройство PCI, и все протокольные усовершенствования будут отменены.

Современные системные платы строятся на основе хабовой архитектуры, при которой каждый модуль связан только с локальным хабом. Это позволяет обойти ограничения связанные с совместимостью.

В данном контексте хабы — это специализированные микросхемы, обеспечивающие передачу данных между своими внешними интерфейсами. Этими интерфейсами являются «прикладные» интерфейсы подключения процессоров, модулей памяти, шин расширения и периферийные интерфейсы (АТА, SATA, USB, FireWire, Ethernet). Поскольку к одной микросхеме все эти интерфейсы не подключить (слишком сложна структура и много требуется выводов), чипсет строится, как правило, из пары основных хабов (северного и южного), связанных между собой высокопроизводительным каналом.

Хабовая архитектура на примере чипсета Intel с ICH-6 Северный хаб чипсета выполняет те же функции, что и северный мост шинно-мостовой архитектуры: он связывает шины процессора, памяти и порта AGP. Однако на южной стороне этого хаба находится уже не шина PCI, а высокопроизводительный интерфейс связи с южным хабом. Пропускная способность этого интерфейса составляет 266 Мбайт/с и выше, в зависимости от чипсета.

Архитектура HyperTransport (НТ) разработаная компаниями AMD, AppleComputers, Broadcom, CiscoSystems, NVIDIA, PMC- Sierra, SGI, SiPackets, SunMicrosystems, Transmeta предложила замену шинного соединения компонентов системой двухточечных встречно направленных соединений. При этом достижима более высокая тактовая частота интерфейсов, что обеспечивает их более высокую (по сравнению с шиной) пропускную способность.

Главный мост (hostbridge) обеспечивает связь НТ с ядром — процессором и памятью. Периферийные контроллеры, требующие высокой пропускной способности, реализуются в виде НТ-туннелей. В архитектуре предусматривается и мостовая связь с шиной PCI. Архитектура НТ обеспечивает все типы транзакций процессоров и устройств PCI, PCI-X и AGP, используемые в PC. Транзакции выполняются в виде серий передач пакетов различных типов. Архитектура НТ основана на двусторонней пакетной передаче данных между парой устройств. Устройство НТ может выступать в роли инициатора или/и целевого устройства транзакций. По топологическим свойствам различают несколько типов устройств НТ:

• Туннель (tunnel) — устройство с двумя интерфейсами НТ; такие устройства могут собираться в цепочку (daisychain), образующую логическую шину. Цепочка подключается к хосту (процессору с главным мостом), отвечающему за конфигурирование всех устройств и управляющему работой НТ.

• Мост (bridge) — устройство, соединяющее одну логически первичную шину (подключенную к хосту) с одной или несколькими логически вторичными шинами (цепочками). Мост имеет набор регистров, информация которых позволяет управлять распространением транзакций между этими шинами (аналогично мосту PCI).

• Коммутатор (switch) — устройство с несколькими интерефейсами НТ, по структуре аналогичное нескольким мостам PCI, подключенным к одной (внутренней) шине.

• Тупик, или пещера (cave) — устройство с одним интерфейсом НТ.

Хабовая архитектура и НТ существенное отличаются друг от друга. Давайте посмотрим на граф подключения устройств в хабовой архитектуре.

Из рисунка видно, что в плане потоков данных центральным компонентом системы является оперативная память. Вполне очевидно, что компьютер должен быть сбалансирован по пропускной способности интерфейсов. Бессмысленно делать пропускную способность любого интерфейса выше пропускной способности

памяти — выигрыша в производительности системы это не даст, поскольку скорость в каждом потоке определяется наименьшей из скоростей его источника и приемника. Для повышения пропускной способности памяти для хабовой архитектуры применяется второй (третий, четвертый) канал памяти.

В случае НТ ситуация совершенно иная, в данном случае основной упор делается на Host Bridge, поскольку он задает потоки данных между устройствами. И увеличение производительности системы будет определяться Host Bridge

Технологически северный мост или хаб или host Bridge всегда расположены практически строго посередине между центральным процессором, оперативной памятью и видеокартой. Это расположение не случайно. Поскольку эти устройства работают как параллельные устройства. Другими словами за один такт работы могут передать несколько бит информации. Для того, чтобы передача была как можно скорее расстояние между модулями обмена должно быть как можно меньше. В этом случае сигналы не «растекаются» и требуется меньше тактов синхронизации.