Подсветка флуоресцентными лампами с холодным катодом (CCFL)

Для CCFL-подсветки характерны относительно малое потребление и очень яркий белый свет. Используются две технологии: прямая и боковая подсветки (рис 6.18, а, б).

а) Прямая подсветка. Используется с многоцветными и/или точечно-матричными модулями жидкокристаллических дисплеев

б) Боковая подсветка. Такая структура используется для подсветки больших поверхностей светом от источника в виде трубки

Рис. 6.18. Конструктивы прямой и боковой подсветки флуоресцентными лампами с холодным катодом

В обоих случаях источником света являются флуоресцентные лампы с холодным катодом (источники локального светового пятна), свет от которых по всей площади экрана распределяется диффузорами (diffuser) и световодами (light guide). Боковая подсветка позволяет реализовать модули малой толщины и с меньшим потреблением. CCFL-подсветка используется в первую очередь в графических LCD, и срок службы СCFL-подсветки выше, чем у EL-подсветки — до 10–15 тыс. часов.

Посредством CCFL обеспечивается подсветка больших поверхностей, поэтому она используется преимущественно в больших плоскопанельных дисплеях. Большим достоинством CCFL является возможность получения бумажно-белого цвета, что делает CCFL практически единственным источником подсветки цветных дисплеев. Для работы флуоресцентных ламп необходимы преобразователи с выходным напряжением переменного тока от 270 до 300 В.

Отличительные особенности подсветки флуоресцентными лампами с холодным катодом (CCFL):

· высокая яркость;

· долговечность;

· малое потребление;

· излучение белого цвета;

· прямая и боковая подсветка;

· используется с многоцветными и/или точечно-матричными модулями ЖК-дисплеев.

Плазменные мониторы

Первый прототип плазменного дисплея появился в 1964 году. Его сконструировали ученые Иллинойского университета Битцер и Слоттоу как альтернативу кинескопному экрану для компьютерной системы Plato. Дисплей этот был монохромным, не требовал дополнительной памяти и сложных электронных схем и отличался высокой надежностью. Его предназначением было в основном индицировать буквы и цифры. Однако в качестве компьютерного монитора он так и не успел как следует реализоваться, поскольку благодаря полупроводниковой памяти, появившейся в конце 70-х, кинескопные мониторы оказались дешевле в производстве. Зато плазменные панели благодаря малой глубине корпуса и большому экрану получили распространение в качестве информационных табло в аэропортах, вокзалах и на биржах. Информационными панелями плотную занялась компания IBM, а в 1987 году бывший студент Битцера, доктор Лэрри Вебер, основал компанию Plasmaco, которая занялась производством монохромных плазменных дисплеев. Первый же цветной плазменный дисплей 21" был представлен фирмой Fujitsu в 1992 году. Разрабатывался он совместно с конструкторским бюро Иллинойского университета и компанией NHK. А в 1996 Fujitsu покупает компанию Plasmaco со всеми ее технологиями и заводом, и выбрасывает на рынок первую коммерчески успешную панель плазмы – Plasmavision с экраном разрешения 852 х 480 диагональю 42" с прогрессивной разверткой. Началась продажа лицензий другим производителям, первым среди которых стал Pioneer.

Плазменная панель представляет собой матрицу газонаполненных ячеек, заключенных между двумя параллельными стеклянными пластинами, внутри которых расположены прозрачные электроды, образующие шины сканирования, подсветки и адресации. Разряд в газе протекает между разрядными электродами (сканирования и подсветки) на лицевой стороне экрана и электродом адресации на задней стороне.

Рис. 6.19. Устройство плазменной панели

Рис. 6.20. Работа ячейки плазменной панели

Существующая проблема в адресации миллионов пикселей решается расположением пары передних дорожек в виде строк (шины сканирования и подсветки), а каждой задней дорожки в виде столбцов (шина адресации). Внутренняя электроника плазменных экранов автоматически выбирает нужные пиксели. Эта операция проходит быстрее, чем сканирование лучом на ЭЛТ-мониторах. В последних моделях PDP обновление экрана происходит на частотах 400—600 Гц, что не позволяет человеческому глазу замечать мерцания экрана.

Работа плазменной панели состоит из трех этапов.

1. инициализация, в ходе которой происходит упорядочивание положения зарядов среды и её подготовка к следующему этапу (адресации). При этом на электроде адресации напряжение отсутствует, а на электрод сканирования относительно электрода подсветки подается импульс инициализации имеющий ступенчатый вид. На первой ступени этого импульса происходит упорядочивание расположения ионов газовой среды, на второй ступени разряд в газе, а на третьей — завершение упорядочивания.

2. адресация, в ходе которой происходит подготовка пикселя к подсвечиванию. На шину адресации подается положительный импульс (+75 В), а на шину сканирования отрицательный (-75 В). На шине подсветки напряжение устанавливается равным +150 В.

3. подсветка, в ходе которой на шину сканирования подается положительный, а на шину подсветки отрицательный импульс, равный 190 В. Сумма потенциалов ионов на каждой шине и дополнительных импульсов приводит к превышению порогового потенциала и разряду в газовой среде. После разряда происходит повторное распределение ионов у шин сканирования и подсветки.

Таким образом, при подведении к электродам высокочастотного напряжения происходит ионизация газа или образование плазмы. В плазме происходит емкостной высокочастотный разряд, испускающий ультрафиолетовое излучение, которое вызывает свечение люминофора: красное, зелёное или синее. Это свечение, проходящее через переднюю стеклянную пластину, видит наблюдатель. Само ультрафиолетовое излучение через люминофор и переднюю часть экрана не проходит и вреда наблюдателю не наносит.

Преимущества PDP панелей:

1. Компактность. Толщина плазменных панелей не превышает 10-15 см.

2. Цветовой охват. «Автором» цвета является люминофор, аналогично CRT монитору. Следовательно, цветовые характеристики аналогичны. Некоторую проблему вызывает меньшая энергия ультрафиолетового излучения, по сравнению с потоком электронов.

3. Высокая яркость и контрастность изображения.

Недостатки PDP:

1. Высокая потребляемая мощность.

2. Низкая разрешающая способность.

3. Меньший, по сравнению с ЖК, срок службы (в среднем 30 тыс. часов против 60 -75 тыс. часов).

4. Высокая стоимость. Плазма экономически выгодна при диагонали экрана более 40 дюймов. При размерах 17-21 дюйм технология обходится слишком дорого.

5. «Боязнь» статичных картинок.

В связи с дороговизной панелей малых размеров и высокой потребляемой мощностью, мониторы PDP для ПК в настоящее время практически отсутствуют. На сайтах продавцов электронного оборудования есть сообщения о мониторах PDP диагональю в 40-42 дюйма, но их целесообразность для ПК, мягко говоря, сомнительна.

OLED мониторы

Французский учёный Андрэ Бернаноз и его сотрудники открыли электролюминесценцию в органических материалах в начале 1950-х, прикладывая переменный ток высокого напряжения к прозрачным тонким плёнкам красителя акридинового оранжевого и хинакрина. В 1960 году исследователи из компании Dow Chemical разрабатывали управляемые переменным током электролюминесцентные ячейки, используя легированный антрацен.

Низкая электрическая проводимость таких материалов ограничивала развитие технологии до тех пор пока не стали доступными более современные органические материалы, такие как полиацетилен и полипиррол. В 1963 году в ряде статей учёные сообщили о том, что они наблюдали высокую проводимость в допированном йодом полипирроле. Они достигли проводимости 1См/см. К сожалению, это открытие было «потеряно». И только в 1974 году исследовали свойства бистабильного выключателя на основе меланина с высокой проводимостью во «включенном» состоянии. Этот материал испускал вспышку света во время включения.

В 1977 году другая группа исследователей сообщила о высокой проводимости в подобно окисленном и легированном йодом полиацетилене. В 2000 году Алан Хигер, Алан Мак-Диармид и Хидеки Сиракава получили Нобелевскую премию по химии за «открытие и развитие проводящих органических полимеров». Ссылок на более ранние открытия не было.

Первое диодное устройство было создано в 1980-х компанией Eastman Kodak.

В 1990 году в журнале Nature появляется статья учёных, в которой сообщается о полимере с зелёной светимостью и «очень высоким КПД».

Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, поток электронов протекает через прибор от катода к аноду. Таким образом, катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя, или другими словами анод отдает дырки в проводящий слой. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. Это происходит ближе к эмиссионному слою, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается испусканием (эмиссией) электромагнитного излучения в области видимого света. Поэтому слой и называется эмиссионным.

 

Рис. 6.21. Схема 2х слойной OLED-панели: 1. Катод(−), 2. Эмиссионный слой, 3. Испускаемое излучение, 4. Проводящий слой, 5. Анод (+)

Прибор не работает при подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения. В этом случае дырки движутся к аноду, а электроны в противоположном направлении к катоду, и рекомбинации не происходит.

В качестве материала анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачный для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода часто используют металлы, такие как алюминий и кальций, так как они обладают низкой работой выхода, способствующей инжекции электронов в полимерный слой.

Существуют два вида OLED-дисплеев — PMOLED и AMOLED. Разница заключается в способе управления матрицей — это может быть либо пассивной матрицей (PM) или активной матрицей (AM).

В PMOLED-дисплеях используются контроллеры развертки изображения на строки и столбцы. Чтобы зажечь пиксель, необходимо включить соответствующую строку и столбец: на пересечении строки и столбца пиксель будет излучать свет. За один такт можно заставить светиться только один пиксель. Поэтому чтобы заставить светиться весь дисплей, необходимо очень быстро подать сигналы на все пиксели путем перебора всех строк и столбцов. Как это делается в старых ЭЛТ (электроно-лучевых трубках).

Рис. 6.22. Матрица PMOLED.

Дисплеи на базе PMOLED получаются дешевыми, но из-за необходимости строчной развертки изображения не возможно получить дисплеи больших размеров с приемлемым качеством изображения. Обычно размеры PMOLED-дисплеев не превышают 3" (7,5 см).

В AMOLED-дисплеях каждый пиксель управляется напрямую, поэтому они могут быстро воспроизводить изображение. Размеры AMOLED-дисплеев могут иметь большие размеры и на сегодня уже созданы дисплеи с размером 40" (100 см). Производство AMOLED-дисплеев дорогое из-за сложной схемы управления пикселями, в отличие от PMOLED-дисплеев, где для управления достаточно простого контроллера.

Рис. 6.23. Матрица AMOLED.

Существуют три схемы цветных OLED дисплеев:

· схема с раздельными цветными эмиттерами;

· схема WOLOD+CF (белые эмиттеры + цветные фильтры);

· схема с конверсией коротковолнового излучения.

Самый простой и привычный вариант – обычная трехцветная модель, которая в технологии OLED называется моделью с раздельными эмиттерами. Три органических материала излучают свет базовых цветов – R, G и B. Этот вариант самый эффективный с позиции использования энергии, однако, на практике оказалось довольно сложно подобрать материалы, которые будут излучать свет с нужной длиной волны, да еще с одинаковой яркостью.

Рис. 6.24. Принцип формирования цветного изображения в OLED мониторах.

Второй вариант реализуется гораздо проще. Он использует три одинаковых белых эмиттера, которые излучают через цветные фильтры, однако он значительно проигрывает по эффективности использования энергии первому варианту, поскольку значительная часть излученного света теряется в фильтрах.

В третьем варианте (CCM – Color Changing Media) применяются голубые эмиттеры и специально подобранные люминесцентные материалы для преобразования коротковолнового голубого излучения в более длинноволновые – красный и зеленый. Голубой эмиттер, естественно, излучает «напрямую». У каждого из вариантов есть свои достоинства и недостатки.
Другие виды OLED дисплеев

Рис. 6.25. Прототип TOLED дисплея.

TOLED — прозрачные светоизлучающие устройства TOLED (Transparent and Top-emitting OLED) — технология, позволяющая создавать прозрачные (Transparent) дисплеи, а также достигнуть более высокого уровня контрастности.

Прозрачные TOLED-дисплеи: направление излучения света может быть только вверх, только вниз или в оба направления (прозрачный). TOLED может существенно улучшить контраст, что улучшает читабельность дисплея при ярком солнечном свете.
Так как TOLED на 70 % прозрачны при выключении, то их можно крепить прямо на лобовое стекло автомобиля, на витрины магазинов или для установки в шлеме виртуальной реальности… Также прозрачность TOLED позволяет использовать их с металлом, фольгой, кремниевым кристаллом и другими непрозрачными подложками для дисплеев с отображением вперед (могут использоваться в будущих динамических кредитных картах). Прозрачность экрана достигается при использовании прозрачных органических элементов и материалов для изготовления электродов.

За счёт использования поглотителя с низким коэффициентом отражения для подложки TOLED-дисплея контрастное отношение может на порядок превзойти ЖКИ (мобильные телефоны и кабины военных самолетов-истребителей). По технологии TOLED также можно изготавливать многослойные устройства(например SOLED) и гибридные матрицы (Двунаправленные TOLED TOLED делает возможным удвоить отображаемую область при том же размере экрана — для устройств, у которых желаемый объём выводимой информации шире, чем существующий).

FOLED (Flexible OLED) — главная особенность — гибкость OLED-дисплея (Демонстрация гибкого OLED-дисплея от SONY). Используется пластик или гибкая металлическая пластина в качестве подложки с одной стороны, и OLED-ячеек и герметичной тонкой защитной пленки — с другой. Преимущества FOLED: ультратонкость дисплея, сверхнизкий вес, прочность, долговечность и гибкость, которая позволяет применять OLED-панели в самых неожиданных местах. (Раздолье для фантазии — область возможного применения OLED весьма велика).

Staked OLED — принципиально новое решение от UDC – Staked OLED, сложенные OLED-устройства. Основной особенностью новой технологии является размещение R-ячеек (G-, B-) в вертикальной (последовательно), а не в горизонтальной (параллельно) плоскости, как это происходит в ЖКИ-дисплее или электронно-лучевой трубке. В SOLED каждым элементом подпиксела можно управлять независимо. Цвет пиксела может быть отрегулирован при изменении тока, проходящего через три цветных элемента (в нецветных дисплеях используется модуляция ширины импульса). Яркостью управляют, меняя силу тока. Преимущества SOLED: высокая плотность заполнения дисплея органическими ячейками, посредством чего достигается хорошее разрешение, а значит, высококачественная картинка.(В SOLED-дисплеях в 3 раза улучшено качество изображения в сравнении с ЖКИ и ЭЛТ).

Преимущества технологии OLED:

1. Меньшие габариты и вес.

2. Отсутствие необходимости в подсветке (светодиоды сами излучают свет).

3. Возможность создания гибких и прозрачных экранов.

Недостатки:

1. Цветопередача. Продаваемые в настоящее время образцы (надеюсь, пока) отнюдь не демонстрируют фотографическое качество.

2. Срок службы. Светодиоды недолговечны, особенно синие. Со временем их цвет меняется и цветное изображение «расползается».

Пока OLED дисплеи нашли широкое применение в мобильной технике: производство OLED дисплеев больших диагоналей обходится очень уж дорого. Но не следует забывать о том, с каким трудом пробивали себе дорогу LCD мониторы, которым в настоящее время практически единолично принадлежит рынок мониторов для ПК и ноутбуков.

Видеоадаптеры ПК.

Видеоадаптер – это электронное устройство, преобразующее информацию, хранящуюся в памяти компьютера, в набор информационных и управляющих сигналов, передаваемых периферийному устройству (монитору) для отображения этой информации в графическом или текстовом виде. В литературе и Интернете встречается множество определений видеоадаптера и видеокарты, часто дополняющих, а нередко и противоречащих друг другу. В большой степени это связано с тем, что за достаточно короткий срок развития ПК, видеосистема компьютера претерпела много изменений, видеоадаптеры непрерывно изменялись и совершенствовались. Например, сейчас почти не говорят о выдаче информации на монитор в текстовом виде – любой текст отображается графическими средствами. Время, когда компьютер передавал монитору информацию в виде аналогового видеосигнала, также практически прошло и базовая функция старых видеокарт – формирование видеосигнала, практически утрачена. Ядром современного видеоадаптера является графический процессор, который занимается не только (и не столько) передачей информации в монитор, сколько ее обработкой, снимая эту нагрузку с центрального процессора. Например, все современные видеокарты осуществляют рендеринг (получение графического изображения по математической модели) графического конвейера OpenGL и DirectX на аппаратном уровне. В последнее время также имеет место тенденция использовать вычислительные возможности графического процессора для решения неграфических задач.

Одним из первых графических адаптеров для IBM PC стал MDA (Monochrome Display Adapter) в 1981 году. Он работал только в текстовом режиме с разрешением 80×25 символов (физически 720×350 точек) и поддерживал пять атрибутов текста: обычный, яркий, инверсный, подчёркнутый и мигающий. Никакой цветовой или графической информации он передавать не мог, и то, какого цвета будут буквы, определялось моделью использовавшегося монитора. Обычно они были чёрно-белыми, янтарными или изумрудными. Фирма Hercules в 1982 году выпустила дальнейшее развитие адаптера MDA, видеоадаптер HGC (Hercules Graphics Controller — графический адаптер Геркулес), который имел графическое разрешение 720×348 точек и поддерживал две графические страницы. Но он всё ещё не позволял работать с цветом.

Первой цветной видеокартой стала CGA (Color Graphics Adapter), выпущенная IBM и ставшая основой для последующих стандартов видеокарт. Она могла работать либо в текстовом режиме с разрешениями 40×25 знакомест и 80×25 знакомест (матрица символа — 8×8), либо в графическом с разрешениями 320×200 точек или 640×200 точек. В текстовых режимах доступно 256 атрибутов символа — 16 цветов символа и 16 цветов фона (либо 8 цветов фона и атрибут мигания), в графическом режиме 320×200 было доступно четыре палитры по четыре цвета каждая, режим высокого разрешения 640×200 был монохромным. В развитие этой карты появился EGA (Enhanced Graphics Adapter) — улучшенный графический адаптер, с расширенной до 64 цветов палитрой, и промежуточным буфером. Было улучшено разрешение до 640×350, в результате добавился текстовый режим 80×43 при матрице символа 8×8. Для режима 80×25 использовалась большая матрица — 8×14, одновременно можно было использовать 16 цветов, цветовая палитра была расширена до 64 цветов. Графический режим также позволял использовать при разрешении 640×350 16 цветов из палитры в 64 цвета. Был совместим с CGA и MDA.

Стоит заметить, что интерфейсы с монитором всех этих типов видеоадаптеров были цифровые, MDA и HGC передавали только светится или не светится точка и дополнительный сигнал яркости для атрибута текста «яркий», аналогично CGA по трём каналам (красный, зелёный, синий) передавал основной видеосигнал, и мог дополнительно передавать сигнал яркости (всего получалось 16 цветов), EGA имел по две линии передачи на каждый из основных цветов, то есть каждый основной цвет мог отображаться с полной яркостью, 2/3 или 1/3 от полной яркости, что и давало в сумме максимум 64 цвета.

В ранних моделях компьютеров от IBM PS/2, появляется новый графический адаптер MCGA (Multicolor Graphics Adapter — многоцветный графический адаптер). Текстовое разрешение было поднято до 640x400, что позволило использовать режим 80x50 при матрице 8x8, а для режима 80x25 использовать матрицу 8x16. Количество цветов увеличено до 262144 (64 уровня яркости по каждому цвету), для совместимости с EGA в текстовых режимах была введена таблица цветов, через которую выполнялось преобразование 64-цветного пространства EGA в цветовое пространство MCGA. Появился режим 320x200x256, где каждый пиксел на экране кодировался соответствующим байтом в видеопамяти, никаких битовых плоскостей не было, соответственно с EGA осталась совместимость только по текстовым режимам, совместимость с CGA была полная. Из-за огромного количества яркостей основных цветов возникла необходимость использования уже аналогового цветового сигнала, частота строчной развертки составляла уже 31,5 кГц.

Потом IBM пошла ещё дальше и сделала VGA (Video Graphics Array — графический видео массив), это расширение MCGA, совместимое с EGA и введённое в средних моделях PS/2. Это фактический стандарт видеоадаптера с конца 80-х годов. Добавлены: текстовое разрешение 720x400 для эмуляции MDA и графический режим 640x480. Режим 640x480 замечателен тем, что в нём используется квадратный пиксел, то есть соотношение числа пикселов по горизонтали и вертикали совпадает со стандартным соотношением сторон экрана — 4:3. Дальше появился IBM 8514/a с разрешениями 640x480x256 и 1024x768x256, и IBM XGA с текстовым режимом 132x25 (1056x400) и увеличенной глубиной цвета (640x480x65K).

С 1991 года появилось понятие SVGA (Super VGA — «сверх» VGA) — расширение VGA с добавлением более высоких режимов и дополнительного сервиса, например возможности поставить произвольную частоту кадров. Число одновременно отображаемых цветов увеличивается до 65 536 (High Color, 16 бит) и 16 777 216 (True Color, 24 бита), появляются дополнительные текстовые режимы. Из сервисных функций появляется поддержка VBE (VESA BIOS Extention — расширение BIOS стандарта VESA). SVGA воспринимается как фактический стандарт видеоадаптера где-то с середины 1992 года, после принятия ассоциацией VESA стандарта VBE версии 1.0. До того момента практически все видеоадаптеры SVGA были несовместимы между собой.

Графический пользовательский интерфейс, появившийся во многих операционных системах, стимулировал новый этап развития видеоадаптеров. Появляется понятие «графический ускоритель» (graphics accelerator). Это видеоадаптеры, которые производят выполнение некоторых графических функций на аппаратном уровне. К числу этих функций относятся: перемещение больших блоков изображения из одного участка экрана в другой (например, при перемещении окна), заливка участков изображения, рисование линий, дуг, шрифтов, поддержка аппаратного курсора и т. п. Прямым толчком к развитию столь специализированного устройства явилось то, что графический пользовательский интерфейс, несомненно, удобен, но его использование требует от центрального процессора немалых вычислительных ресурсов, и современный графический ускоритель как раз и призван снять с него львиную долю вычислений по окончательному выводу изображения на экран.

Современная графическая плата состоит из следующих частей (рис. 6.26):

1. Графический процессор (Graphics processing unit - графическое процессорное устройство) — занимается расчётами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики. Является основой графической платы, именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства. Современные графические процессоры по сложности мало чем уступают центральному процессору компьютера, и зачастую превосходят его по числу транзисторов. Архитектура современного GPU обычно предполагает наличие нескольких блоков обработки информации, а именно: блок обработки 2D-графики, блок обработки 3D-графики, в свою очередь, обычно разделяющийся на геометрическое ядро (плюс кэш вершин) и блок растеризации (плюс кэш текстур) и др.

2. Видеоконтроллер — отвечает за формирование изображения в видеопамяти, даёт команды RAMDAC на формирование сигналов развёртки для монитора и осуществляет обработку запросов центрального процессора. Кроме этого, обычно присутствуют контроллер внешней шины данных (например, PCI или AGP), контроллер внутренней шины данных и контроллер видеопамяти. Ширина внутренней шины и шины видеопамяти обычно больше, чем внешней (64, 128 или 256 разрядов против 16 или 32). Современные графические адаптеры (ATI, nVidia) обычно имеют не менее двух видеоконтроллеров, работающих независимо друг от друга и управляющих одновременно одним или несколькими дисплеями каждый.

3. Видеопамять — выполняет роль кадрового буфера, в котором хранится изображение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора (или нескольких мониторов). В видеопамяти хранятся также промежуточные невидимые на экране элементы изображения и другие данные. Видеопамять бывает нескольких типов, различающихся по скорости доступа и рабочей частоте. Современные видеокарты комплектуются памятью типа DDR, DDR2 или GDDR3. Следует также иметь в виду, что помимо видеопамяти, находящейся на видеокарте, современные графические процессоры обычно используют в своей работе часть общей системной памяти компьютера, прямой доступ к которой организуется драйвером видеоадаптера через шину AGP или PCIExpress.

4. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, RAMDAC - Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) — служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор. Возможный диапазон цветности изображения определяется только параметрами RAMDAC. Чаще всего RAMDAC имеет четыре основных блока — три цифроаналоговых преобразователя, по одному на каждый цветовой канал (красный, зелёный, синий, RGB), и SRAM для хранения данных о гамма-коррекции. Большинство ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал — получается по 256 уровней яркости на каждый основной цвет, что в сумме дает 16,7 млн. цветов (а за счёт гамма-коррекции есть возможность отображать исходные 16,7 млн. цветов в гораздо большее цветовое пространство). Некоторые RAMDAC имеют разрядность по каждому каналу 10 бит (1024 уровня яркости), что позволяет сразу отображать более 1 млрд. цветов, но эта возможность практически не используется. Для поддержки второго монитора часто устанавливают второй ЦАП. Стоит отметить, что мониторы и видеопроекторы, подключаемые к цифровому DVI выходу видеокарты, для преобразования потока цифровых данных используют собственные цифроаналоговые преобразователи и от характеристик ЦАП видеокарты не зависят.

5. Видео-ПЗУ (Video ROM) — постоянное запоминающее устройство, в которое записаны видео-BIOS, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п. ПЗУ не используется видеоконтроллером напрямую — к нему обращается только центральный процессор. Хранящийся в ПЗУ видео-BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до загрузки основной операционной системы, а также содержит системные данные, которые могут читаться и интерпретироваться видеодрайвером в процессе работы (в зависимости от применяемого метода разделения ответственности между драйвером и BIOS). На многих современных картах устанавливаются электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEРROM, Flash ROM), допускающие перезапись видео-BIOS самим пользователем при помощи специальной программы.

6. Система охлаждения — предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и видеопамяти в допустимых пределах.

Правильная и полнофункциональная работа современного графического адаптера обеспечивается с помощью видеодрайвера — специального программного обеспечения, поставляемого производителем видеокарты и загружаемого в процессе запуска операционной системы. Видеодрайвер выполняет функции интерфейса между системой с запущенными в ней приложениями и видеоадаптером. Так же как и видео-BIOS, видеодрайвер организует и программно контролирует работу всех частей видеоадаптера через специальные регистры управления, доступ к которым происходит через соответствующую шину.

 

 

Рис. 6.26. Структурная схема видеоадаптера.

Большой объем графической информации предъявляет высокие требования и к линиям связи основной памяти компьютера и видеоадаптера. В качестве примера, рассмотрим задачу передачи одного кадра VGA (как было сказано ранее, уже устаревшего). Стандарт VGA в числовом виде записывается как 649х480х256. Это означает, что кадр содержит 640 пикселов по горизонтали и 480 – по вертикали, причем каждый пиксел может иметь один из 256 допустимых цветов. Общий объем памяти, необходимой для хранения этого кадра, составит 640х480 = 307200 ячеек памяти разрядностью в 1 байт ( для 256 возможных комбинаций цветов нужно 8 бит, или 1 байт). Чтобы передавать в видеоадаптер всего 10 кадров в секунду (далеко не телевизионный стандарт, но для игр и офисных приложений во время действия этого стандарта считалось нормальным) скорость передачи должна составлять 3 072 000 байт/с. При улучшении качества цвета до 65536 цветов (16 бит на пиксел), требуемая скорость удваивается и составляет уже более 6 млн. байт/с. Первые видеокарты стандарта VGA подключались прямо к шине ISA, имеющей тактовую частоту 8,33 МГц. Понятно, что при передаче видеоинформации на видеокарту, шина будет практически полностью загружена. Процессор (да и весь «остальной» компьютер) может отдыхать, все равно никому ни с кем связаться не удастся. Таким образом, системная шина становится «узким местом», ограничивающим скорость работы компьютера с графическим интерфейсом. А теперь попробуем представить скорость, необходимую для передачи видеоинформации «современного» качества. Берем стандарт HDTV – 1920х1080 пиксел, три цвета по 8 бит на цвет. Итого получаем скорость 1,4 Гбит/с. Такого ни одна шина практически не выдержит (битрейт новейшей шины PCIe3 в одну сторону составляет 8 Гбит/с, но не видео же единым жив компьютер). К счастью (для шины), передача таких объемов информации «в лоб» в настоящее время не применяется. Видеоадаптер принимает сжатую информацию, а уже его графический процессор производит декодирование информации. Этот метод повышает требования к вычислительным возможностям графического процессора, но снижает загрузку системной магистрали компьютера, позволяя ему заниматься своей основной работой (конечно, если мы не считаем его основной работой показ фильмов высокого качества). Широко применяемые методы сжатия видеоинформации позволяют на несколько порядков уменьшить объем видеокадра, а значит и требуемую скорость передачи. Например, для MPEG2 требуется битрейт 20-25 Мбит/с, а для MPEG4 – 8-12 Мбит/с. Правда и эти «всего» 25 Мбит/с заставило, буквально как динозавров, вымереть не только поколение видеокарт, которые не успевали обработать всю эту информацию, но и два поколения материнских плат с системными шинами, не справившимися с такими объемами и скоростями передачи информации.

Рассмотрим шины, использующиеся для подключения видеокарт. Сразу оговоримся, что интегрированные видеоадаптеры, с данной точки зрения, отдельного интереса не представляют, т.к. по своей структуре они от видеокарт не отличаются, только поключены они непосредственно к системной магистрали, а не соединяются с ней через слот расширения.

Рассматривать совсем старые виды системных магистралей не будем, т.к. компьютер с видеокартой, вставленный в слот ISA, сейчас можно найти лишь, как экспонат музея истории ЭВМ.

Шина PCI.

PCI (англ. Peripheral component interconnect, дословно — взаимосвязь периферийных компонентов) — шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств (в том числе и видеокарт) к материнской плате компьютера. Первый образец этой шины был разработан специалистами фирмы IBM в 1991 году. Задачами этой шины была реализация всех возможностей (не вычислительных, а в смысле обмена с памятью и внешними устройствами) микропроцессоров Pentium. Кроме того, эта шина должна была обеспечить возможность автоконфигурации подключенных через нее внешних устройств. При разработке этой шины, ее создатели избежали ошибок, допущенных ассоциацией VESA (кстати, IBM тогда входила в ассоциацию VESA) при разработке шины VLB (VESA Local Bus). Шина VLB (1991 год) также была задумана для расширения возможностей шины ISA, некоторое время VLB и PCI конкурировали, но она имела ряд особенностей определивших ее проигрыш.

1. Будучи прямым развитием шины ISA, шина VLB представляла собой неизмененный слот ISA с установленным за ним в ряд дополнительным слотом. Идея была благородная (для пользователей). Устройства для шины ISA можно было просто включать в шину VLB. Были даже и наоборот некоторые платы VLB, сохранявшие работоспособность (хоть и ограниченную) в слоте ISA. Но основная задача шины VLB была – ускорение работы шины. Пользователи просто стали постепенно избавляться от старых «медленных» плат расширения.

2. Электрическая нагрузка, допустимая для шины VLB, позволяла подключить только 3 платы расширения. Это оказалось недальновидным решением.

3. Самым главным недостатком шины VLB оказалась ее приспособленность только к процессорам поколения 80486 (здесь разработчики тоже не смогли «заглянуть» вперед, хотя особой их вины и не было). Появление процессоров Pentium сделало эту шину столь же устаревшей, как и ISA.

В 1992 году выпущены первые платы с шиной PCI, с тактовой частотой 33 МГц и пропускной способностью 80 Мбайт/с (теоретически должно было быть 133 Мбайт/с, но это удалось сделать не сразу). Год спустя IBM вышла из VESA и начала продвигать стандарт PCI, сделав его открытым.

В 1995 году вариант PCI 2.1 обеспечил тактовую частоту 66 МГц и максимальную скорость передачи 533 Мбайт/с (для 64-битного варианта).

В 1997 году, в связи с появлением шины AGP, шина PCI перестает использоваться для установки видеокарт. В настоящее время интерфейс PCI постепенно вытесняется интерфейсами PCI Express, HyperTransport и USB. Теперь на материнскую плату ставят 1-2 слота PCI, а не 5-6, как раньше. Есть материнские карты, где этих слотов уже просто нет.

Компьютер с видеокартой PCI можно, пожалуй, еще встретить где-нибудь в дальнем уголке некоторых фирм, или у пользователей, не любящих выбрасывать работающую технику.

Шина AGP.

AGP (от англ. Accelerated Graphics Port, ускоренный графический порт) — разработанная в 1996 году компанией Intel, специализированная 32-битная системная шина для видеокарты. Появилась одновременно с чипсетами для процессора Intel Pentium MMX.

В отличие от PCI эта шина предназначена только для видеокарт. Так же как PCI, AGP работала на частоте 66 МГц, но имела ряд принципиальных особенностей, увеличивающих возможности видеокарты. Сразу же после разработки первого варианта (не имел особых преимуществ и поэтому практически не использовался), разработчики выпустили вариант AGP 2х, в котором за один такт можно было послать 2 блока данных. В 1998 году появился вариант AGP 4х, пересылавший уже 4 блока за такт. Благодаря этому, пропускная способность возросла до 1,5 Гбайт/с. Уровень напряжения при этом был снижен с обычных 3,3 В до 1,5 В. Затем появился вариант AGP 8х (8 блоков за такт, пропуск