3.5. Пристрою висновку інформації з комп'ютера. Монітори
Монітори з електронно-променевою трубкою
Монітор являє собою коробку, що містить електронно-променеву трубку і її джерела харчування. Електронно-променева трубка містить у собі електронную пушку, що вистрілює пучок електронів на фосфоресцентний екран у передній частині трубки, як показано на рис. 2.26, а. (Кольорові монітори містять три електронні пушки: одну для червоного, другу для зеленого і третю для сийого кольору.) При горизонтальному розгорненні пучок електронів (промінь) розгортаєся по екрані приблизно за 50 мкс, утворити майже горизонтальну смугу на екрані. Потім промінь робить горизонтальний зворотний хід до лівого краю, щоб почати наступне розгорнення. Пристрій, що так, лінія за лінією, створює изображение, називається пристроєм растрового розгорнення. Горизонтальне розгорнення контролюється лінійно зростаючим напряжениїм, що впливає на пластини горизонтального відхилення, розташований ные ліворуч і праворуч від електронної гармати. Вертикальне розгорнення контролюєся більш повільно зростаючою напругою, що впливає на пластини вертикального відхилення, розташовані під і над електронною гарматою. После визначеної кількості розгорнень (від 400 до 1000) напруга на пластинах вертикального і горизонтального відхилення спадає, і промінь повертається у верхний лівий кут екрана. Повне зображення відновляється від 30 до 60 разів у секунду. Руху лучачи показані на рис. 2.26, 6. Хоча ми описали роботу электронно-лучевых трубок, у яких для розгорнення лучачи по екрані використовуються электрические полючи, у багатьох моделях замість електричних використовуються магнітные полючи (особливо в дорогих моніторах).
Для одержання на екрані зображення з крапок усередині електронно-променевої трубки знаходиться сітка. Коли на сітку впливає позитивна напруга, електрони збуджуються, промінь направляється на екран, що через якийсь час починає світитися. Коли використовується негативна напруга, электрони відштовхуються і не проходять через сітку, і екран не запалюється. Таким прораз напруга, що впливає на сітку, викликає появу відповідающего набору битов на екрані. Такий механізм дозволяє переводити двоичный електричний сигнал на дисплей, що складається з яскравих і темних крапок.
Жидкокристаллические монітори
Електронно-променеві трубки занадто громіздкі і важкі для використання в портативних комп'ютерах, тому для таких екранів необхідна зовсім інша технологія. У таких випадках найчастіше використовуються жидкокристаллические дисплеї. Ця технологія надзвичайно складна, має кілька варіантів втілення і швидко міняється, тому ми з необхідності зробимо її описание по можливості коротким і простої.
Рідкі кристали являють собою грузлі органічні молекули, що рухаються, як молекули рідин, але при цьому мають структуру, як у кристала.
Вони були відкриті австрійським ботаніком Рейницером (Rheіnіtzer) у 1888 році і вперше стали застосовуватися при виготовленні різних дисплеїв (для калькуляторов, годин і т.п. ) у 1960 році. Коли молекули розташовані в одну лінію, оптичні качества кристала залежать від напрямку і поляризації воздействующего світла. При використанні електричного полючи лінія молекул, а следовательно, і оптичні властивості можуть змінюватися. Якщо впливати променем світла на рідкий кристал, інтенсивність світла, що виходить із самого рідкого кристала, може контролюватися за допомогою електрики. Це властивість искористається при створенні індикаторних дисплеїв.
Екран жидкокристаллического дисплея складається з двох скляних паралельале розташованих пластин, між якими знаходиться герметичне пространство з рідким кристалом. ДО обох пластин приєднуються прозорі электроды. Штучне чи природне світло за задньою пластиною висвітлює екран зсередини. Електроди, підведені до пластин, використовуються для того, щоб зздать електричні полючи в рідкому кристалі. На різні частини екрана віздіє різна напруга, і в такий спосіб можна контролювати изображение. ДО передньої і задньої пластин екрана приклеюються поляроиды, оскільки технологія дисплея вимагає використання поляризованого світла. Загальна структура показана на мал. а.
В даний час використовуються різні типи жидкокристаллических дисплеев, але ми розглянемо тільки один з них – дисплей зі скрученим нематикому. У цьому дисплеї на задній пластині знаходяться малюсінькі горизонтальні желобки, а на передньої – малюсінькі вертикальні желобки, як показано на рис. б. При відсутності електричного полючи молекули направляються до цим желобкам. Тому що вони (желобки) розташовані перпендикулярно друг до друга, молекули рідкого кристала виявляються скрученими на 90?.
На
задній пластині дисплея знаходиться
горизонтальний поляроид. Він пропускает
тільки горизонтально поляризоване
світло. На передній пластині дисплея
знаходиться вертикальний поляроид.
Він пропускає тільки вертикально
поляризованне світло. Якби між пластинами
не було рідкого кристала, горизонтально
поляризоване світло, пропущений
поляроидом на задній пластині, блокировался
б поляроидом на передній пластині, що
робило би екран цілком чорним.
Однак скручена кристалічна структура молекул, крізь яку проходить світло, розвертає площину поляризації світла. При відсутності электрического полючи жидкокристаллический екран буде цілком освітлений. Якщо подавати напруга до визначених частин пластини, скручена структура разрушается, блокуючи проходження світла в цих частинах.
Для подачі напруги звичайно використовуються два підходи. У дешевому пассивном матричному індикаторі обидва електроди містять рівнобіжні проводи.
Наприклад, на дисплеї розміром 640x480 електрод задньої пластини містить 640 вертикальних проводів, а електрод передньої пластини – 480 горизонтальних проводів. Якщо подавати напруга на один з вертикальних проводів, а потім посилати імпульси на один з горизонтальних, можна змінити напруга у визначеній позиції пиксела і, таким чином, зробити потрібну крапку темної.
Якщо то ж саме повторити з наступним пикселом і т.д. , можна одержати тимную смугу розгорнення, аналогічну смугам в електронно-променевих трубках. Обычале зображення на екрані перемальовується 60 разів у секунду, щоб створювалося враження постійної картинки (так само, як в електронно-променевих трубках).
Другий підхід – застосування активного матричного індикатора. Він коштує гораздо дорожче, ніж пасивний матричний індикатор, але зате дає зображення кращої якості, що є великою перевагою. Замість двох наборів перпендикулярно розташованих проводів в активного матричного індикатора мається малюсінький елемент переключення в кожній позиції пиксела на одному з електродів. Змінюючи стан перемикачів, можна створювати на екрані произвольную комбінацію напруг у залежності від комбінації битов.
Дотепер ми описували, як працюють монохромні монітори. Досить сказати, що кольорові монітори працюють на основі тих же загальних принципів, що і онохромні, але деталі набагато складніше. Щоб розділити білий колір на красный, зелений і синій, у кожній позиції пиксела використовуються оптичні фильтры, тому ці кольори можуть відображатися незалежно друг від друга. Із сочетания цих трьох основних квітів можна одержати будь-як колір.
Відеоадаптери.
Пристрій, що називається відеоадаптером (чи відеокартою, відеоплатою, відео) є в кожнім комп'ютері. У виді пристрою, інтегрованого в системну плату, або як самостійний компонент. Головна функція, виконувана відеокартою,- перетворення отриманої від центрального процесора інформації і команд у формат, що сприймається електронікою монітора, для створення зображення на екрані. Монітор звичайно є невід'ємною частиною будь-якої системи, за допомогою якого користувач одержує візуальну інформацію.
Таким чином, зв'язування відеоадаптера і монітора можна назвати відеопідсистемою комп'ютера.
Те, як ці компоненти справляються зі своєю роботою, і в якому виді користувач одержує відеоінформацію, включаючи графіку, текст, живе відео, впливає на продуктивність як самого користувача і його здоров'я, так і на продуктивність усього комп'ютера в цілому.
От чому при покупці компонентів відеопідсистеми необхідно зробити розумний вибір.
Якщо виробник відеокарти відомий, то варто відвідати його офіційний сайт і завантажити свіжу версію драйверів.
Також Вам знадобиться мати свіжу версію набору MS Dіrect.
Причому, драйвер відеоадаптера повинний бути сертифікований на відповідність Dіrect.
Якщо у Вас стара плата і виробник більше не випускає для неї нових версій драйверів, має сенс скористатися драйвером з постачання ОС чи поискать необхідний драйвер на сайте Mіcrosoft. Це підвищить продуктивність і може додати нові можливості, такі, як настроювання частоти розгорнення вручну.
Деякі відеоадаптери, наприклад Matrox Mіllennіum і Dіamond Vіper v330, мають флеш биос (програмно перепрограмувальне ПЗУ), тобто допускають його відновлення.
Нові версії биосов можна завантажити з офіційного сайта виробника, але перш, ніж зважитися на відновлення, уважно вивчите інструкцію і прочитайте про те, які проблеми вирішить цей апгрейд.
Якщо Ваша плата улаштовує Вас своєю роботою і продуктивністю, то не варто експериментувати.
Якщо ви не знаєте, який відеоадаптер встановлен у Ваш комп'ютер, виключи харчуванн комп'ютер, запас викрутк (звичайно хрестов), терпінн, і розкри корпус.
Відеоадаптер може бути інтегрований у системну плату, тоді треба довідатися, хто є виробником материнської плати і чий видеочип використаний. Багато виробників brandname комп'ютерів застосовують інтегровані відеокарти, тому що це обходиться дешевше, у цьому випадку нові драйвери швидше за все можна знайти на сайте произхводителя комп'ютера, або на сайте виробника відеопроцесора.
Звичайно вбудовуються в материнську плату чипы виробництва S3, Cіrrus Logіc і ATі. Деякі виробники системних плат теж інтегрують відеоадаптери, тоді драйвер, насамперед , варто шукати на їхній офіційних сайтах.
Якщо відеокарта виконан у вид окрем плат, то необхідно вийня вона з слота і уважно диви_ на предмет пошук магічн напис, щоМ могущих розповіс проП т, хто же зроби ц пристрі Звичайно на самій платі карти присутня назва виробника і марка моделі відеоадаптера. Іноді виробника можна визначити по наклейці на мікросхемі з видеобиосом (звичайно, биос має вид прямокутної, плоскої пластини, знизу від якої відходять ніжки по двох сторонах, і встановленої в панельку). Якщо нічого цього немає і немає нічого, що вказує на виробника, виходить, у Вас установлена noname відеокарта, зроблена де-небудь у чи Китаї Індії.
Такі плати звичайно дуже дешево коштують, і хоча при їхньому створенні застосовуються дійсні процесори відомих виробників, через використання дешевих биосов і не завжди якісних інженерних і технологічних рішень продуктивність і якість роботи цих адаптерів не завжди виправдують чекання. У цьому випадку варто спробувати використовувати драйвери з офіційного сайта виготовлювача відеопроцесора (якщо такий є), а якщо там драйвера не виявиться, скористатися драйвером зі стандартного постачання ОС.
Якщо Ви використовуєте ОС Wіndows NT
У цьому випадку установка комплекту Dіrect відбувається трохи інакше.
Вам необхідно установити Servіce Pack 3 (SP3), у комплект постачання якого входить Dіrect. Причому спочатку треба установити драйвери для всіх присутніх у системі пристроїв, а лише потім установлювати SP3. Якщо в конфігурації системи відбулися які-небудь зміни, то буде необхідно знову переустановити SP3, тому не забирайте далеко це програмне забезпечення.
Усе це стосувалося оптимізації роботи відеопідсистеми під ОС Wіndows. Оптимізація під DOS у більшості випадків робиться за рахунок завантаження в оперативну пам'ять спеціальних драйверів і розширень видеобиоса. Але з кожним місяцем ця проблема стає усе менш актуальної, тому що більшість додатків уже працюють і випускаються для роботи в середовищі з графічним інтерфейсом, а всі новітні ігри орієнтовані для використання інтерфейсів додатків типу Dіrect3D чи OpenGL.
Ваша нова відеокарта повинна ма RAMDAC (перетворювач цифров сигнал процесор комп'ютер у аналогов сигнал монітор) достатн продуктивніст, тому що від ц залежа, з як швидкіст дан проП зображенн попада у монітор На сьогоднішній день швидкість роботи RAMDAC не повинна бути менше 135MHz, рекомендується хоча б 170MHz.
Це забезпечить прийнятну частоту регенерації (тобто швидкість, з яким обновляються кадри, що формують зображення) екрана на моніторах аж до 17". Професіонали повинні вибирати відеоадаптер з RAMDAC, що працює на частоті не менш 220MHz.
RAMDAC може бути інтегрований у чип графічного процесора, а може розміщатися й окремо, тобто бути зовнішнім. Якість RAMDAC прямо впливає на показники продуктивності і якості усієї відеопідсистеми. Помітимо, що використовувати з відеоадаптером, що має могутній RAMDAC, монітор, що має слабкі частотні характеристики, не має змісту, так само як і у випадку зі зворотною ситуацією. Компоненти відеопідсистеми повинні відповідати один одному.
Небагато технічних подробиць.
Перш ніж стати зображенням на моніторі, двоичные цифрові дані обробляються центральним процесором, потім через шину даних направляються у відеоадаптер, де вони обробляються і перетворяться в аналогові дані і вже після цього направляються в монітор і формують зображення. Спочатку дані в цифровому виді із шини попадають у відеопроцесор, де вони починають оброблятися. Після цього оброблені цифрові дані направляються у відеопам'ять, де створюється образ зображення, що повинне бути виведене на дисплеї.
Потім, усе ще в цифровому форматі, дані, що утворять образ, передаються в RAMDAC, де вони конвертуються в аналоговий вид, після чого передаються в монітор, на якому виводиться необхідне зображення.
Таким чином, майже на всьому шляху проходження цифрових даних над ними виробляються різні операції перетворення, стиску і збереження. Оптимизируя ці операції, можна домогтися підвищення продуктивності усієї відеопідсистеми. Лише останній відрізок шляху, від RAMDAC до монітора, коли дані мають аналоговий вид, не можна оптимизировать.
Розглянемо докладніше етапи проходження даних від центрального процесора системи до монітора.
Швидкість обмін даними між CPU і графічним процесором прямо залежить від частоти, на якій працює шина, через яку передаються дані. Робоча частота шини залежить від чипсета материнської плати. Для відеоадаптерів оптимальними по швидкості є шина PCІ і AGP. При існуючих версіях чипсетов шина PCІ може мати робочі частоти від 25Mhz до 66MHz, іноді до 83Mhz (звичайно 33MHz), а шина AGP працює на частотах 66MHz і 133MHz.
Чим вище робоча частота шини, тим швидше дані від центрального процесора системи дійдуть до графічного процесора відеоадаптера.
Ключовий момент, що впливає на продуктивність відеопідсистеми, поза залежністю від специфічних функцій різних графічних процесорів – це передача цифрових даних, оброблених графічним процесором, у відеопам'ять, а відтіля в RAMDAC. Саме вузьке місце будь-якої відеокарти – це відеопам'ять, що безупинно обслуговує два головних пристрої відеоадаптера: графічний процесор і RAMDAC, що вічно перевантажені роботою. У будь-який момент, коли на екрані монітора відбуваються зміни (іноді вони відбуваються в безупинному режимі, наприклад, рух покажчика миші, миготіння курсору в редакторі і т.д.), графічний процесор звертається до відеопам'яті. У той же час, RAMDAC повинний безупинно зчитувати дані з відеопам'яті, щоб зображення не пропадало з екрана монітора. Тому, щоб збільшити продуктивність відеопам'яті, виробники застосовують різні технічні рішення. Наприклад, використовують різні типи пам'яті з поліпшеними властивостями і просунутими чи можливостями збільшують ширину шини даних, по якій графічний чи процесор RAMDAC обмінюються інформацією з відеопам'яттю, використовуючи 32-розрядну, 64-розрядну чи 128-розрядну відеошину.
Ніж більш високий дозвіл екрана використовується і чим більше глибина представлення кольору, тим більше даних потрібно передати з графічного процесора у відеопам'ять і тем швидше дані повинні зчитуватися RAMDAC для передачі аналогового сигналу в монітор.
Неважко помітити, що для нормальної роботи відеопам'ять повинна бу постійно доступн для графічн процесор і RAMDAC, щоМ повинні постійно здійснюва читанн і запис.
У нормальних умовах доступ RAMDAC до відеопам'яті на максимальній частоті можливий лише після того, як графічний процесор завершить звертання до пам'яті (операцію чи читання запису), тобто RAMDAC змушений чекати, коли наступить його черга звернутися з запитом до відеопам'яті для читання і навпаки.
Виробники відеоадаптерів по-різному вирішують цю проблему.
Один з варіантів – використовувати двухпортовую відеопам'ять.
Т.е. графічний процесор здійснює читання з чи відеопам'яті запис у неї через один порт, а RAMDAC здійснює читання даних з відеопам'яті, використовуючи другий незалежний порт. У результаті графічному процесору більше не треба очікувати, поки RAMDAC завершить свої операції з відеопам'яттю, і навпаки, RAMDAC більше не потрібно очікувати, поки графічний процесор не завершить свою роботу з відеопам'яттю.
Такий тип пам'яті з двухпортовой організацією називається VRAM (Vіdeo RAM). Насправді, реалізація цієї технології трохи складніше, ніж просто зробити два незалежних порти для читання і запису, тому виробництво такої пам'яті обходиться недешево. Зате це пояснює, чому відеоадаптери, що використовують VRAM, коштують так дорого і працюють так швидко. Аналогічним образом улаштована пам'ять WRAM (Wіndow RAM), що теж є двухпортовой і застосовується на видеплатах компанії Matrox.
Ця пам'ять має кращу організацію, завдяки чому вона працює швидше, ніж VRAM. Відеоадаптери, оснащені двухпортовой пам'яттю, звичайно забезпечують високу частоту відновлення екрана при високій глибині представлення кольору, що порозумівається просто. Висока частота регенерації екрана означає, що RAMDAC посилає в монітор повний образ зображення набагато частіше, ніж при більш низьких показниках частоти вертикального розгорнення. Відповідно при цьому RAMDAC необхідно частіше звертатися в режимі читання до відеопам'яті.
Така можливість мається при використанні відеопам'яті типу VRAM/WRAM, за рахунок можливості звертання до пам'яті через другий порт. У випадку ж зі звичайною відеопам'яттю (типу FP DRAM/EDO DRAM) такої можливості ні, тому продуктивність відеоадаптера істотно нижче.
Усе сказане елементарно підтверджується тестами при їхньому проведенні з різними рівнями частоти регенерації (відновлення) екрана.
Аналогічна ситуація спостерігається й у випадку використання режимів з високою глибиною представлення кольору.
Наприклад, при 8-бітній глибині представлення кольору (256 квітів) при дозволі 1024x768 RAMDAC повинний вважати з відеопам'яті 786,432 байт даних, щоб послати на монітор повний образ зображення.
Якщо колір має глибину представлення 24 біт (16млн. квітів), то для відправлення на монітор образа в такому ж дозволі RAMDAC потрібно вважати з відеопам'яті вже 2,359,296 байт, що, зрозуміло, займає більше часу.
Це, до речі, пояснює, чому, використовуючи недорогі відеоадаптери, не можна використовувати таку ж високу частоту відновлення екрана в режимі True color, як і при меншій кількості квітів.
Іншим методом для збільшення продуктивності є збільшення ширини (розрядності) шини, через яку графічний процесор і RAMDAC обмінюються даними з відеопам'яттю.
Список літератури
Каган Б.М. Електронні обчислювальні машини і системи: Навчальний посібник для вузів. – М: Энергоатомиздат, 1991.
Э.Таненбаум. Архітектура комп'ютера. – С.Пб.: – Питер, 2003.
Конспект лекцій за курсом: "Цифрові ЕОМ", ОДАХ, 2001.
Основи комп'ютерної техніки. Кравчук, Шонин.
Майорів С.А., Новиков Г.И. Структура електронних обчислювальних машин. – Л: Машинобудування, 1989.
Лю Ю-Чжен, Гибсон Г. Мікропроцесори сімейства 8086/8088. Архітектура, програмування і проектування мікрокомп'ютерних систем. – М.: Радіо і зв'язок, 1987.
Сташин В.В. і ін. Проектування цифрових пристроїв на однокристальних мікроконтролерах. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 224 с.
Мікропроцесори і микроэвм у системах автоматичного керування: Довідник / С.Т.Хвощ і ін. – Л.: Машинобудування. 1987. – 640 с.
Комп'ютерний журнал CHІ. Твій персональний комп'ютер, 1/2005 березень.