32

ЛЕКЦИЯ 7

Видеосистемы ПЭВМ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Основной поток выходной информации при работе с персональным компьютером – визуальный, причём информация представляется в виде текста, в виде графики (схемы, диаграммы, рисунки), в виде мультимедиа информации (видео, аудио, анимация и пр.).

Как правило, видеосистемой ПЭВМ называют средства вывода текста или графики на какой-либо экран. В качестве оконечного устройства видеосистемы используют мониторы, мультимедийные проекторы, интерактивные доски. Данная лекция будет посвящена мониторам, остальные устройства будут рассмотрены в других лекциях.

Устройства, позволяющие подключать монитор к шине ПЭВМ, называют видеоадаптерами. Изначально их подразделяли на алфавитно-цифровые и графические. Графические адаптеры, кроме графической информации позволяли выводить и текстовую (символьную) информацию. Вся выводимая информация формировалась в результате действия и под управлением системных и прикладных программ.

По мере развития ПЭВМ у неё появились мультимедийные функции отображения и обработки движущихся изображений, живого видео, звуковой информации.

Современные аппаратные средства системного блока могут располагаться на раздельных картах разного функционального назначения или объединяться в одном комбинированном адаптере, который называется адаптером дисплея (Display Adapter).

Адаптер дисплея служит для формирования всех видов изображений и является промежуточным элементом между монитором и шиной компьютера.

Изображение строится по программе, исполняемой центральным процессором, совместно с графическими акселераторами (ускорителями) и сопроцессорами, служащими для повышения эффективности системы.

По сути, видеосистема ПЭВМ это программно-аппаратная структура, обобщённая схема которой приведена на Рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная схема видеосистемы ПЭВМ

Эта структура применима практически к любой ПЭВМ. Видеосистема содержит следующие узлы.

Монитор – устройство, позволяющее отображать выводимую информацию на экране ЭЛТ, плоской ЖК-панели, плазменной панели, светочувствительном синтетическом волокне и т.д. Все эти типы отображения применяются в настоящее время. Они имеют свои преимущества и недостатки, которые мы рассмотрим позже.

Интерфейс монитора – блок связи монитора с адаптером, он формирует выходные сигналы соответствующего типа (R,G,B, Video).

Контроллер экрана – устройство согласованного формирования сигналов сканирования видеопамяти (адреса и стробы чтения) и сигналов вертикальной и горизонтальной синхронизации монитора.

Видеопамять (VideoRAM) – специальная область памяти, из которой контроллер экрана организует циклическое чтение содержимого для вывода на экран и регенерации изображения.

Контроллер атрибутов (RAMDAC)–устройство, управляющее интерпретацией цветовой информации, хранящейся в видеопамяти.

Внешний интерфейс – блок связи видеосистемы с одной из шин компьютера.

Графический процессор – устройство повышения производительности программного построения изображений в видеопамяти (часто его называют акселератором).

Расширение BIOS – это часть BIOS компьютера, позволяющая устанавливать и переключать видеорежим, выполнять вывод символов и пикселей, очищать и прокручивать экран и другие функции.

Таким образом, применительно к PC IBM видеосистема представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих вывод на экран текстовой, графической, мультимедийной информации.

Экраны.

Одним из основных устройств видеосистемы является дисплей – устройство отображения, являющееся оконечным устройством видеосистемы. Несколько упрощая, можно сказать, что дисплеем принято называть устройство, расположенное на системном блоке компьютера или рядом с ним, которое и осуществляет визуализацию выводимых на экран данных.

Однако элементы этого устройства могут быть размещены не только в самом устройстве, но и на системной плате компьютера. А если иметь в виду программное обеспечение, осуществляющее подготовку и формирование выводимых данных, видео BIOS и другие программные продукты, то понятие дисплея должно трактоваться более широко.

Отметим, что дисплей может быть основан на различных физических принципах: здесь применяются электронно-лучевые трубки, плазменные панели, жидко – кристаллические экраны и другие приборы и материалы.

Первыми были дисплеи на электронно-лучевых трубках. Они применяются до сих пор и будут применяться в будущем, поскольку имеют ряд преимуществ, по сравнению с другими. Прежде всего, это качественный черный цвет, безинерционное динамическое изображение, возможность наблюдать изображение под углом к экрану.

В массовых, бытовых применениях, а также в мобильных системах – ЭЛТ дисплеи вытеснены мониторами на жидкокристаллических панелях – так называемые плоские дисплеи.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой вакуумный прибор с электромагнитной системой отклонения луча, которая характерна и для телевизионных, и для компьютерных мониторов.

Первые дисплеи на ЭЛТ появились ещё до персональных ЭВМ, и в них кроме ЭЛТ с окружающими её схемами генераторов развёртки и видео-усилителей находились и узлы, формирующие изображение (чаще алфавитно-цифровое).

В ПЭВМ узлы, формирующие изображение, размещаются в системном блоке, в результате дисплей, как оконечное устройство видеосистемы упростился и стал похож на монитор, применяемый в телевидении. Современный монитор содержит только ЭЛТ с видео - усилителями сигналов яркости лучей, генераторы развёрток, блок питания и схемы управления этими узлами.

Существенное влияние на технические характеристики дисплея в целом оказывает ЭЛТ, которая определяет характеристики эргономического типа: разрешение, шаг луча по горизонтали, яркость, контрастность, утомляемость пользователя и др.

Схема, поясняющая конструкцию ЭЛТ, на примере монохромного дисплея приведена на Рис. 2. а.

Схема, приведённая на рисунке, иллюстрирует простейшую трубку, которая уже не используется в современных дисплеях, но позволяет понять принцип действия ЭЛТ, без которого сложно понять работу дисплея в целом. Схема трубки содержит:

1. Электронную «пушку» – источник электронов.

2. Управляющую сетку – электрод, осуществляющий модуляцию луча в трубке.

3.Фокусирующую систему.

4. Отклоняющую систему, управляющую отклонением луча по строке и кадру.

5. Анод – электрод, на который подаётся высокое напряжение (несколько киловольт), обеспечивающее движение электронов от пушки к экрану трубки.

Внутренняя поверхность дна трубки покрыта специальным веществом – люминофором, частицы которого светятся, когда на них попадает пучок электронов. При хорошей фокусировке луча светящийся люминофор обеспечивает высокую чёткость и разрешающую способность трубки. Фактически определяет эти параметры генераторы развёрток (кадровой и строчной).

На Рис. 2. б приведена конструкция ЭЛТ с улучшенной фокусировкой фирмы Flatron. На рисунке цифрами помечены блоки:

1. Плоский экран электронно-лучевой трубки;

2. Специальное цветное покрытие;

3. Защитное стекло;

4. Блок фокусировки;

5. Корпус трубки;

6. 0,24-мм щелевая маска;

7. Рамка ограждения.

В цветных мониторах люминофор неоднороден – имеется три типа частиц в материале люминофора, каждая из которых при попадании на неё электронов даёт свечение своим, так называемым базовым цветом – красным, зелёным, синим (R,G,B). Соответственно, в трубке имеются три электронных пушки, каждая из которых «обстреливает» только «свои» частицы люминофора.

Электронные лучи всех трёх пушек синхронно сканируют экран. Управляя интенсивностью каждого из электронных лучей (величина тока луча) с помощью модуляторов, получают требуемый цвет изображения каждой точки экрана. Таким образом, в трубке строится три изображения – красное, зелёное и синее, которые, складываясь на экране, (аддитивная модель цветности) дают цветное изображение. Существуют различные технологии построения цветных ЭЛТ, различающихся типом модели цветности, способом наведения лучей на частицы люминофора и другими технологическими параметрами трубок.

Рис 2. Устройство ЭЛТ

Дисплеи на ЭЛТ имеют два неустранимых недостатка – большие габариты (объём) и большую потребляемую мощность. Это неприемлемо для портативных компьютеров (ноутбуков) и других мобильных систем. Кроме того, со временем ЭЛТ «перегорает», как и любой электровакуумный прибор.

На смену ЭЛТ, появился достаточно широкий спектр плоских экранов (панелей), удовлетворяющих основным требованиям, предъявляемым к дисплеям массового и мобильного применений:

1. Низкое энергопотребление.

2. Малый вес.

3. Простое управление панелью.

4. Хорошая «читаемость» изображений.

5. Высокая разрешающая способность,

6. Воспроизведение широкой цветовой гаммы.

В дисплеях с плоским экраном, получивших в литературе название «плоский дисплей», используются различные физические принципы для обеспечения свечения точек плоской панели. Различают следующие типы дисплеев:

1. Дисплеи на жидкокристаллических (ЖК) панелях – LCD-дисплеи (Liquid Crystall Display).

2. Плазменные панели (Gas Plasma).

3. Электролюминисцентные дисплеи (EL).

4. Светодиодные матрицы.

5. Дисплеи на светящихся полимерах (LEP).

Мониторы на ЖК-панелях (LCD-панелях) в настоящее время занимают большую часть рынка переносных компьютеров и ПЭВМ настольного типа массового применения.

ЖК-панель работает по принципу оптической поляризации отражённого или проходящего света, под действием электрического поля.

На Рис. 3 приведена структура LCD-панели.

Рис. 3. Структура LCD-панели

ЖК-панель представляет собой «бутерброд», состоящий из 2-х стёкол с поляризационными решётками.

ЖК - вещество, помещённое между стёклами, способно изменять направление (вектор) поляризации проходящего света в зависимости от состояния молекул ЖК - вещества. При отсутствии электрического поля поворот угла поляризации достигает величин от 90 до 270 для разных технологий.

Под действием электрического поля молекулы ЖК - вещества «распрямляются», и угол поворота уменьшается. Это позволяет (в сочетании с поляризационными решётками стёкол) управлять прозрачностью элемента экрана, изменяя величину электрического поля.

Таким образом, дисплейная панель представляет собой большую матрицу ячеек, каждая из которых находится на пересечении вертикальных и горизонтальных проводников (Рис. 3).

Существует две разновидности матриц – пассивная и активная.

В пассивной матрице на жидкие кристаллы воздействует поле самих координатных проводников при пропускании по ним импульсов тока.

Ячейкам пассивной матрицы свойственна инерционность порядка 300 – 400 миллисекунд. Специально для таких экранов применяется особый режим отображения указателя мыши на экране (курсора). За указателем тянется шлейф, без которого быстро перемещаемый указатель визуально теряется.

В активной матрице каждая дисплейная ячейка (Рис. 4) управляется транзистором (ТЯ - транзисторной ячейкой), которой, в свою очередь, управляют через координатные проводники, что приводит к увеличению контрастности свечения ячейки LCD и уменьшению инерционности матрицы ячеек. Цветные матрицы имеют более сложные транзисторные ячейки, состоящие из 3-х транзисторных элементов управления базисными цветами (R, G, B).

Таким образом, плоские TFT (Thin Film Transistor) LCD-дисплеи представляют собой «бутерброд» из двух стёкол, между которыми расположены слои: ЖК - вещество и матрица тонкоплёночных транзисторов.

Тонкоплёночный транзистор (TFT), применяется при производстве активных ЖК - матриц.

Его размеры составляют всего 10 нм, поэтому TFT достаточно сложны в изготовлении. Например, для создания 15-дюймового LCD-монитора необходимо использовать около 2,5 млн. транзисторов.

На переднем и заднем стёклах ЖК-панели нанесены поляризационные решётки с взаимно перпендикулярными направлениями вектора поляризации. ЖК - прослойка при отсутствии электрического поля поворачивает угол поляризации проходящего света на 90, благодаря чему «бутерброд» становится прозрачным для проходящих лучей. Под действием электрического поля от напряжения, подаваемого транзистором каждой ячейке матрицы, угол поляризации может быть уменьшен до 0. Чем больше приложенное напряжение, тем меньше угол поворота вектора поляризации и тем прозрачней будет ячейка ЖК - вещества. Инерционность ячеек активной матрицы составляет 20-30 мс, что позволяет воспроизводить «живое видео» среднего качества и динамические картинки.

Рис. 4. Активная матрица ЖК - экрана

В цветных дисплеях каждая точка экрана состоит из трех составляющих, каждая из которых снабжена своим светофильтром (R, G, B). Управляя тремя транзисторными схемами точки экрана, можно изменять его цвет и яркость.

Размер пикселя LCD-монитора близок к зерну ЭЛТ:

• дисплей с диагональю экрана 15 дюймов с разрешением 1024х768 имеет размер пикселя около 0,3 мм;

• дисплей с диагональю экрана 18 дюймов с разрешением 1280х1024 – около 0,28 мм.

Из-за инерционности LCD-монитора (20-30 мс) не требуется высокой частоты развёртки – даже при частоте кадровой развёртки в 60 Гц мерцания экрана нет.

LCD- мониторы не лишены недостатков:

- контрастность LCD-мониторов несколько ниже,

а инерционность выше, чем у ЭЛТ – мониторов;

• качество изображения зависит от угла наблюдения;

- хуже качество черного цвета.

Таким образом, ЭЛТ мониторы предпочтительней, если надо получить высококачественное художественное видеоизображение.

Такие мониторы весьма дороги, сложны, они крупногабаритные. В частности, они используются для создания специальных мультимедиа проекторов для показа фильмов в больших залах. Поскольку в таких применениях остро стоит проблема настоящего черного цвета (подробно рассмотрим это в лекции посвященной проекторам), у ЭЛТ есть все перспективы быть востребованными в будущем в системах высокого профессионального качества.

В массовых применениях, полностью будут доминировать плоские экраны.

Управление градациями яркости и цветом

Для создания полутоновых (чёрно-белых) изображений в дисплеях на ЭЛТ используется модуляция электронного луча трубки при помощи изменения напряжения, подаваемого на модулятор (сетку) трубки. Модулятор изменяет интенсивность электронного луча (ток электронного пучка) или количество электронов, попадающих на люминофор трубки. Если двоичный код, задающий интенсивность луча, одноразрядный, принимающий два значения – 0 и 1, градаций яркости всего две – чёрный и белый. В монохромных LCD-дисплеях организация управления яркостью строится с использованием аналогичных принципов, с той разницей, что вместо модуляции луча ЭЛТ происходит подача напряжения на - те или иные управляющие транзисторы активной LCD матрицы.

Очевидно, что для создания полутоновых изображений с несколькими градациями яркости необходимо увеличить количество двоичных разрядов, задающих яркость. В том случае, если количество разрядов равно трём, таблица интенсивности (тонов и полутонов) изображения будет иметь вид, приведённый на Рис. 5. Схема управления яркостью приведена на этом же рисунке, где в качестве примера рассматривается ЭЛТ монитор.

Рис. 5. Таблица интенсивности и схема управления яркостью полутоновых изображений

В приведённой схеме: ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь осуществляющий преобразование трёхразрядного двоичного кода, задающего яркость точки экрана (пикселя) и поступающего из видеопамяти на регистр пикселя. ВУ – видео-усилитель, согласующий амплитуду выходного сигнала ЦАП с величиной модулирующего сигнала (Uмод), подаваемого на модулятор ЭЛТ. Ах, и Ay адреса пикселя в видеопамяти. Таблица интенсивности (яркости), приведённая на рисунке, соответствует 8 градациям яркости луча от чёрного цвета до белого.

В монохромных LCD-дисплеях организация управления яркостью строится с использованием аналогичных принципов. Отличие в том, что сигналы из регистра пикселей поступают не на ЭЛТ, а на соответствующие управляющие транзисторы активной матрицы, естественно значения напряжения с ЦАП при этом другие.

Для управления выводом цветных изображений используются различные модели цветности. Наибольшее распространение получила в дисплеях RGB-модель (R –Red, красный, G – Green, зелёный, B –Blue, синий).

Ниже приведена Таблица 1 кодировки цветности, в которой к трём битам цветности (RGB) добавлен бит интенсивности (I), который увеличивает размер таблицы в два раза и позволяет получить цвет точки на экране двух градаций яркости. Каждый элемент таблицы принимает два значения – 0 или 1. При этом красный, зелёный и синий цвета являются основными или базовыми.

Таблица 1. Кодировка цветности

I	R	G	B	Оттенок цвета	I	R	G	B	Оттенок цвета
0	0	0	0	Чёрный	1	0	0	0	Тёмно-серый
0	0	0	1	Синий	1	0	0	1	Ярко-синий
0	0	1	0	Зелёный	1	0	1	0	Ярко-зелёный
0	0	1	1	Голубой	1	0	1	1	Ярко-голубой
0	1	0	0	Красный	1	1	0	0	Ярко-красный
0	1	0	1	Розовый	1	1	0	1	Ярко-розовый
0	1	1	0	Коричневый	1	1	1	0	Ярко-жёлтый
0	1	1	1	Белый	1	1	1	1	Ярко-белый

Рис. 6. Схема управления цветовой гаммой изображения

Схема управления цветовой гаммой изображения в соответствии с таблицей цветности приведена на Рис. 6.

В регистр цветности из видеопамяти поступают 4 бита, и каждому разряду регистра цветности соответствует свой цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), выходные напряжения которых управляют модуляторами цветной ЭЛТ.

Изложенный выше способ задания цветовой гаммы изображения на экране дисплея основан на так называемой первичной форме описания графической информации, в исходном графическом файле, и формирует изображение с постоянно заданным цветом.

Цветовую гамму изображения можно существенно расширить при увеличении количества разрядов, приходящихся на один цвет. Например, стандартный VGA-режим 12h (16 цветов, 640 х 480 точек) использовал 4 бита на пиксель (4 битовые плоскости видеопамяти), а режим 13h – 8 бит на пиксель. В Таблице 2 приведены объёмы видеопамяти в зависимости от разрешения экрана и количества цветовых оттенков.

Таблица 2. Объёмы видеопамяти

Разрешающая способность	Колич. бит на пиксель	Количество цветовых оттенков	Мин. объём видеопамяти (Мбайт)
640 х 480	4 8 16 24	16 256 65536 16777216	0,25 0,50 1,00 1,00
800 х 600	4 8 16 24	16 256 65536 16777216	0,25 0,50 1,00 1,50
1024 х 768	4 8 16 24	16 256 65536 16777216	0,50 1,00 1,50 2,50
1280 х 1024	4 8 16 24	16 256 65536 16777216	1,00 1,50 2,50 4,00
1600 х 1200	4 8 16 24	16 256 65536 16777216	1,00 2,00 4,00 6,00