3.8. Механизм вызова программ обработки прерываний в эвм

Особенности системы прерываний ЭВМ, с процессорами архитектуры IA-32, определяются наличием в ней виртуальных адресов и механизма защиты памяти и задач. (в реж-м 8086)

В реальном режиме работы ЭВМ таблица прерываний ITD использует 4-х байтовые элементы (их еще называют векторы), 16 разрядов которых загружаются в RG CS (регистр сегментов памяти, т.е. их адресов) а другие 16 разрядов в RG IP (регистр для относительного адреса).

В защищенном режиме таблица использует 8-ми байтовые дескрипторы типа шлюз. (В этом случае таблица называется таблицей дескрипторов прерываний IDT).

Дескриптор – служебное слово, описывающее массивы данных и команд, содержит информации:

- о размере массива

- о месте массива в памяти (об начальном адресе программы обработки)

- о типе данных

- о режиме защиты и т.д.

Размер и размещение самой таблицы IDT в памяти определяется с помощью RG IDTR.

Команды LIDT и SIDT предназначены для загрузки в этот регистр нового содержимого и сохранения текущего.

Схема обращения к таблице IDT выглядит следующим образом:

Шлюз – это точка входа в табл. IDT и определяет связь между прерываемой и прерывающей программами.

Обращение к элементам (дескрипторам) таблицы IDT осуществляется по команде INTn формата:

Различные источники прерываний задают этот код по разному.

Исключения вводят его изнутри (по внутренним линиям) аппаратные маскируемые прерывания вводят код в цикле магистрали:

«подтверждение прерывания – INTA»

В таблице IDT размещаются дескрипторы типа:

- шлюз задачи – дескрипторы переключения задач

- шлюз прерывания и – ловушки – для вызова соответствующих процедур обработки

Формат дескриптора:

Эти коды используются для вызова соответствующей программы (процедуры) обработки прерывания.

Процедура – это короткая программа с набором определенных параметров, выполнение которой может быть организовано с помощью команды вызова.

Число слов (биты 4-0) – это число параметров, которое переносится из стека текущей программы в стек новой при прерывании.

При получении процессором запроса происходит следующее:

Содержимое RG FLAGS и текущее значение адреса (содержимое RG CS и RG IP) сохраняется в списке. Для некоторых исключений заносится и 32-разрядный код ошибок, по которому процедура обслуживания может выявить причину ошибки.

Вводится в процессор 8-разрядный код (вектор прерывания), определяющий точку входа в таблицу IDT. По содержимому дескриптора IDT вызывается соответствующая программа обработки прерывания. По окончании этой программы, выполняется команда IRET, старое состояние процессора восстанавливается и прерванная программа продолжает выполняться с соответствующей команды.

В заключение следует отметить, что была рассмотрена система прерываний процессоров архитектуры IA-32, которая постоянно совершенствуется.

Системы прерываний процессоров других архитектур, как ARM, 68000 и т.д. отличаются по разному, но суть самого прерывания остается примерно одинаковой.

Глава 4 Видеосистема эвм

Важной функцией ЭВМ является отображение информации для пользователя, которое обеспечивается ее видеосистемой.

Видеосистему ЭВМ можно разделить на 3 части:

- первая: монитор (Display) на основе применения ЭЛТ, жидкокристаллических (наиболее распространенных) экранов, газоплазменных, на основе электростатической эмиссии, органических светодиодов и др.

Помимо монитора, изображение из ЭВМ можно выводить на различные проекционные устройства с экранами больших размеров. Изображение передается на проекционное устройство с видеоадаптера ЭВМ второй частью видеосистемы

- видеоадаптер состоит: из блоков формирования сигналов управления изображением текстовой и графической информации на экране монитора или проектора, и памяти для хранения данных изображения.

- третье частью видеосистемы являются интерфейсы для сопряжения видеоадаптера с СР и монитором, и передачи данных между ними

Построение видеосистемы базируется на принципах формирования телевизионного изображения.

4.1. Основы формирования телевизионного изображения

Параметры изображения на экране монитора ЭВМ, как и телевизора обоснованы характеристиками зрительной системы человека: такими как:

1. Разрешающая способность зрения, принята в инженерной психологии за 1’ угловую минуту. Определяется остротой зрения (способность различать мелкие детали, которая зависит от:

- уровня яркости и расстояния до объекта, его положения в пространстве, от возраста.

Минимальный размер объекта h определяется:

2. Инерционность зрения: в зрительной системе после начала воздействии света на глаз, его ощущение нарастает в течение 0,1 – 0,25 с, причем чем больше яркость тем быстрее она ощущается. При выключении света ощущение исчезает аналогично.

Отсюда слитность вспышек света наступает при их частоте 20-25Гц которая называется критической частотой мелькания fкр.

Зависимость fкр от яркости Вя:

(эмпирическая зависимость)

Fкр =9,6 Вя + 26.8 (кандела)

Экран дает яркость разную 100-200 КД/м2

3. Восприятие контраста и числа градаций яркости

Коэффициент контрастности:

K = (Bmax – Bmin)/ Bmax, где Bmax и Bmin – границы изменения яркости

В инженерной психологии известно отношение:

∆В/Вmin =σ = const, которое называется пороговым контрастом.

При заданном коэффициенте контрастности К и отношения σ число градаций m_гр яркости, обеспечивающее хорошее восприятие изображения можно определить эмпирическим выражением:

m_гр≈ln K/ σ. Значения m_гр = 100 достаточно для нормального восприятия.

4. Восприятие цвета глазом, описывается теорией 3-х компонентного восприятия, разработанной V/D/ Ломоносовым, впоследствии дополненной в Германии в 1852 г. Гельмгольцем, в 1935 г. Федоровым В.И. и Федоровой Н.Т. в СССР.

Смешение трех основных цветов: красного (R), зеленого (G) и синего (B) дает всю гамму цветовых оттенков.

Цвета глазом воспринимаются неравномерно:

Цветовой оттенок F образуется в соответствии с соотношением:

fF = rR + gG + bB

где f, r, g и b – множители (коэффициенты) указывающие на количество излучаемого цвета.

5. Поле зрения, определяет формат экрана

Поле зрения по вертикали меньше чем по горизонтали. Отсюда в телевидении принят формат экрана как 4:3

4.2. Принципы формирования изображения на экране ЭЛТ.

ЭП – электронная пушка (катод) излучает поток электронов, который фокусируется (сжимается) фокусной системой (Ф.С.) Модулятор при подаче на него напряжения, модулирует луч по интенсивности, тем самым управляет яркостью свечения на экране ЭЛТ.

О.С. – отклоняющая система, при подаче на нее линейно изменяющихся напряжений отклоняет его по X – по горизонтали и по Y – вертикали с частотами fc (строчная) и fk (кадровая)

fc = 1/Tc и fk = 1/Tk.

Формирование изображения на экране основано на его разложении и синтезе в передающей и приемной частях телевизионной и видеосистем соответственно с учетом рассмотренных характеристик зрительно системы человека.

Для этого применяется линейные строчная и кадровая развертки

Упрощенная структура сигнала одной строки

Описание сигнала

ССИ – строчный синхроимпульс, обеспечивает синхронизацию развертки по строкам передающей и приемной частей системы в начале каждой строки.

СГИ – полностью запирает луч во время его обратного хода

КСИ – кадровый синхроимпульс (на рис. не показан), обеспечивает синхронизацию начала кадра, вырабатывается в начале первой строки (совпадает с ССИ №1).

КГИ – гасит луч во время обратного хода луча с конца кадра в его начало.

Видеосигнал подается на модулятор трубки.

При цифровой передаче: видеосигнал по теореме Котельникова преобразуется в цифровой, передается а в приемной части преобразуется в аналоговый и подается на модулятор трубки для управления интенсивности луча. Дискретная передача более помехоустойчивая.

Аналоговый сигнал дает большее число градаций яркости, что улучшает качество изображения. (Вспомним, что зрительная система очень чувствительна к изменению яркости).

В цветных изображениях все происходит аналогично только для каждого сигнала цвета в отдельности.

В цветных мониторах есть 3 ЭП, каждая из которых вырабатывает луч для одного из трех цветов. Экран в них строится иначе: пиксел на строке состоит из 3-х точек. Каждая из которых при попадании своего луча возбуждает определенный цвет, а их смешение дает гамму цветовых оттенков.

Историческая справка

Первая теория 3х- компонентного восприятия цвета была разработана в 1756 году М.В. Ломоносовым. В 1883 г. немецким ученым Паулем Нипко изобрел диск, на котором кодировал изображение набором отверстий с последующим воспроизведением на селеновую матрицу на основе фотоэффекта, открытого английским ученом У.Смитом. Таким образом появилось механическое телевидение, которое практически было реализовано только в 1925 году.

Электронное телевидение начало развиваться с 1907 года. Первый патент на электронное телевидение получил проф. Петербургского университета Борис Розинг, однако передача была возможна только неподвижных изображений.

Прорывом в телевидении стал иконоскоп (прообраз ЭЛТ) открытый россиянином Владимиром Зворыкиным, работавшим в США и советским ученым Семеном Кашаевым в 1931 году.

Движущееся изображение впервые было передано в СССР изобретателем Борисом Грабовским, хотя качество его было неважным.

Первые регулярные передачи черно-белого телевидения были осуществлены в Германии в 1931 году, а в СССР в 1939 году.

В 1953 году регулярные передачи цветного телевидения начались в США.

В настоящее время стандартизацией в области видео систем занимается международная организация VESA

Стандарты телевидения.

Стандартизацией в области видеосистем занимается международная организация VESA – Video Electronic Standard Associotion – ассоциация по стандартизации в области электроники.

Общепринятые телевизионные стандарты:

NTSC – National Television Standards Committee – национальный комитет по телевизионные стандартам (США).

525 стр. х 640 пикс. Х 30 Гц (кадр), квадратурная модуляция поднесущей для передачи цветноразностных сигналов.

Применяется в США, Японии, Канаде, Латинской Америке и др.

PAL – Phase – alternating line – фазопеременная линия.

600 стр.х800пикс.х 25 Гц (кадр), квадратурная модуляция поднесущей для передачи цветоразностных сигналов. Отличие от NTSC в периодическом изменении фазы поднесущей одного из цветоразностных сигналов от строки к строке на 180^о.

Разработан в Германии, применяется в Европе, Азии и Латинской Америке.

SECAM – (франц.) – Seguentiel couler a memorire – последовательный цвет с памятью. Применяется в России, Африке, Азии.

625стр. х 800пикс.х25 Гц (кадр) Имеет версии SECAM 1,2,3.

В СССР разработан улучшенный вариант НИИР (SECAM4).

Использует две поднесущих для передачи цветоразностных сигналов.

Примечание. Квадратурная модуляция представляет собой сумму двух несущих колебаний одной частоты, но сдвинутых по фазу на 90 градусов:

S (t) = I(t) cos(2Пfot) + Q(t)sin(2Пfot)

Где I(t) и Q(t) – модулирующие сигналы fo – несущая частота

Первую 3хкомпонентную систему телевидения предложил Полумордвинов Александр Аполонович в 1900 г.

Первый проект 2-х цветного телевидения предложил в Германии выходец из России в 1925 г. – Ованес Абгарович Адамян. В этом же году вернулся в Россию.

4.2. Разновидности мониторов ЭВМ

Их существует много. Черно-белые используются редко, поэтому рассматриваться не будут.

Мониторы можно разделять по типу экрана или по способу управления изображением.

1. ЭЛТ – электронно-лучевые трубки:

а) С теневой маской: на экране на месте пиксела наносится триада точек люминофора 3х цветов. На экран накладывается так называемая теневая маска – металлическая пластина (на основе материал – инвар) с отверстиями совпадающими с точками люминофора триад. Электронные лучи (от 3х электронных пушек трубки) сведенные в одно место (триаду), проходят через эти отверстия триады (каждый из 3х лучей попадает в точку своего цвета RGB) попадают на точку люминофора вызывая ее свечение.

Суммарная площадь свечения пиксела из 3-х точек меньше площади пиксела, так как пространство вокруг точек люминофора не светится.

б) ЭЛТ со щелевой маской (Slot mask). Маска аналогичная с той разницей, что люминофор наносится по вертикальным линиям в виде прямоугольников, что дает большую площадь свечения пиксела;

в) ЭЛТ с апертурной решеткой. Люминофор наносится в виде чередующихся линий, что увеличивает площадь свечения.

Последние 2 типа применяются наиболее часто.

Основные параметры мониторов на основе ЭЛТ.

1. Возможность сохранения установленных параметров.

2. Разрешение монитора, желательное не ниже 1024х768 а мультизадачные не ниже 1280х1024.

3. Наиболее качественные мониторы типов: Black Trinitron, Black Matrix, Black Planar.

4. Геометрические искажения (обусловлены нелинейностью развертывающих напряжений: строчные и кадровые).

Проверяются по тестовой таблице (аналогичной телевизионной). Искажения не должны превышать 3х мм.

5. Частота переключений режимов текстового в графический и наоборот должна быть высокой.

6. Потребляемая мощность не должна превышать 60 Вт.

7. Антибликовое покрытие экрана

8. В ЭЛТ должна быть предусмотрена защита от вредных излучений: рентгеновского, инфракрасного, электростатического поля.

Для этого примеряются различные фильтры:

- сеточные – защищают слабо, хотя дешевые.

- пленочные не защищают от электростатического поля

- стеклянные (в стекло добавлены атомы тяжелых металлов) многослойные, дорогие, обеспечивают полную защиту, применяются в современных ЭЛТ.

Вопросами защиты занимается Шведский национальный совет по измерениям и тестированию.

Его рекомендациям следуют практически все производители ЭЛТ.

2. Жидкокристаллические мониторы (ЖК – мониторы)

(LCD – жидкокристаллический дисплей).

Принцип действия:

Экран состоит из 2х пластин – подложек, верхнюю называют поляризатором, нижнюю анализатором. Между подложками размещается жидкокристаллическое вещество, имеющее молекулы вытянутой формы, которые называют нематическими. Молекулы упорядоченно ориентированы вдоль бороздок – линий нанесенных на подложку. Коэффициент преломления их в этом случае равен нулю.

Молекулы обладают и другим свойством: их ориентация меняется пропорционально приложенному внешнему электрическому полю, и следовательно меняют коэффициент преломления. Используя эти 2 свойства и был создан электронно-управляемый светофильтр, названный ЖК – дисплеем.

В нем роль зерен люминофора выполняют ЖК-ячейки, каждая из которых генерирует пиксел изображения, управляя интенсивностью потока света, проходящего через него от люминесцентного источника с холодным катодом.

ЖК – ячейка управляется Uверт. и Uгориз., подключаемыми спец. коммутаторами по проводникам.

Требуется жесткая синхронизация работы коммутаторов.

Управление яркостью свечения ячейки происходит за счет изменения Uверт. и Uгориз., и следовательно приложенного поля.

Управление цифровое, поэтому число градаций яркости будет меньше чем у ЭЛТ. Цветной экран реализуется за счет того, что пиксел формируется 3мя ЖК-ячейками пропускающими каждая свой цвет.

ЖК-дисплеи насчитывают уже несколько поколений.

Одно из первых был изготовлен монитор на основе технологии Twisted Nematic - вытянутое кручение. Связано с закрученной ориентацией молекул.

Его недостатки:

1. Низкое быстродействие ячеек

2. Взаимное их влияние друг на друга. (поля влияли)

3. Качество зависело от внешнего освещения

4. Ограниченный угол обозрения

5. Низкая яркость и ограниченный размер.

Радикальное улучшение пришло при использовании технологии активных ЖК-ячеек, у каждой из которых появился собственный электронный ключ, на основе тонкопленочного транзистора, коммутирующего более высокое напряжение. Это позволило резко увеличить быстродействие с 700 до 150мс и менее и контрастность. Такие экраны называют TET ( Thin Film Transistor) – тонкопленочный транзистор, разработанный “Toshiba”.

Современный адаптер способен обслуживать как ЭЛТ так и TFT – мониторы.

Основные характеристики ЖК – мониторов.

1. Размер и ориентация экрана. В отличие от ЭЛТ размер экрана совпадает с размером изображения. У ЭЛТ – изображение меньше экрана из-за краевых искажений, которых у ЖК-мониторов нет. Ориентаци: у ЭЛТ только ландшафтная, когда ширина > высоты. При работе с текстом удобнее является портретная (высота > ширины). Связано это со свойствами поля зрения человека. ЖК – монитор позволяет разворот на 90^о и использовать портретную ориентацию.

2. У ЖК- мониторов небольшое поле обозрения (плохо видно сбоку, сверху и снизу)

3. Разрешающая способность у ЖК-монитора фиксирована и определяется размером ячейки. Например: при полосе пропускания 80 МГц разрешение 1024х768 стр на экране 16,1” при полосе 135 Мгц – 1280х1024 (фирмы IBM).

4. Частота развертки: типичные 30-60 КГц – строчная и 75-85 Гц – кадровая.

5. Яркость типовая 150-200 Кд/м².

6. Контрастность 130:1 – 300 : 1.

7. Инерционность 30-70 мкс

8. Цветовая палитра меньше чем у ЭЛТ, из-за цифрового управления яркостью (ограниченное число разрядов).

9. Проблемные пикселы могут быть (заклинившие) могут возникать из-за несовершенства технологии изготовления.

3. Помимо ЖК – мониторов существуют:

а) Плазменные (Plasma Display Panel – PDP) вместо ЖК – вещества используется ионизированный газ. Дорогие пока. По качеству лучше ЖК.

б) Электролюминисцентные – Els. Используется полупроводниковый р-п- переход с туннельным эффектом при изготовлении ячейки: Свечение под напряжение 100 В, надежны, потребление > чем у ЖК.

Недостаток: чистота цвета тускнеет при ярком внешнем освещении.

в) Мониторы с электростатической эмиссией – FED – Field Emission Display. Используется гибрид технологий: ЭЛТ и ЖК – мониторов. Пиксел – зерно люминофора, активизация которого осуществляется не электронным лучом, а ключом наподобие – TFT (тонкопленочный транзистор). Требует напряжения 5000 В. Высокое качество изображения, инерционность 5мкс. (Пока в продаже встречается редко).

г) Органические светодиодные – Organic Light – Emitting Diode Display – OLEDs или LEP – Light Emission Plastics - светоизлучающий пластик – это полимер имеющий свойство полупроводимости, под действием тока – светиться. Малое потребление (3В), дешевый, тонкий экран (2 мм), эластичный, инерционность – 2мкс.

Недостаток: низкая яркость, пока монохромный.

В заключение следует отметить, что большинство проекционных устройств больших размеров используют вышерассмотренные свойства экранов мониторов, могут управляться сигналами с видеоадаптера ЭВМ.

Появились подобные устройства, формирующие 3х-мерные изображения.

Основаны на эффекте бинокулярного зрения или стереозрения.

Мониторы ЭВМ могут быть как с цифровым управлением изображением, так и с аналоговым.

В телевидении управление яркостью - аналоговым сигналом.

1. Цифровые: первыми из них были черно-белые – управление интенсивностью луча двоичное: «1» -> 5В – свечение, «0» -> 0В отсутствие свечения. Эти два сигнала подавались прямо на модулятор ЭЛТ. Такие мониторы назывались ТТЛ – мониторами по аналогии с ТТЛ – логикой. Сигналы формировались графической картой MDA – 2 градации яркости.

В цветных мониторах сигнал формировался картами CGA или EGA для каждого цвета уже в виде 2х разрядного кода, дававшего 4 уровня яркости и получали 2⁴ = 16 оттенков цвета.

2. Аналоговые мониторы. Работают с видеоадаптером VGA и выше. Видеосигнал управления модулятором может принимать любое значение в диапазоне от 0 до 0,7 В, следовательно число градаций яркости может быть весьма большим, которое определяются разрядностью ЦАП и емкостью памяти видеоадаптера.

Например: VGA в монохромном режиме может давать 64 оттенка серого, SVGA – до 256 оттенков.

Цветной режим: 256х256х256 = 16777216 оттенков цвета.

3. Мультизадачные мониторы делятся на 3 группы:

- фиксированной частотой разверток

- с несколькими фиксированными частотами

- многочастотные, которые чаще называют мультизадачными, которые могут настраиваться на любую частоту в диапазонах 30-64 Кгц – строчная 50-420 Гц – кадровая.

4.3. Логическая организация видеопамяти и режимы работы монитора

Существует 2 основных режима работы монитора: графический и текстовый. Соответственно может быть организавана и память видеоадаптера.

Графический режим

Каждому пикселу на экране соответствует ячейка памяти, которая сканируется схемами видеоадаптера синхронно с движением луча, то есть с частотой регенерации.

Число бит памяти на каждый пиксел определяет число его состояний:

Число цветов, градаций яркости, мерцание и т.д.

Например: 4 бита – 16 цветов

8 бит – 256 цветов

24 бита – 16,7 млн. цветовых оттенков.

В последнем случае биты распределяются между красным, зеленым и синим в соотношении 8:8:8, следовательно, один цвет имеет 256 градаций.

Логическая организация памяти определяет при этом число бит на пиксел.

1.Такая организация называется линейным отображением пикселов в видеопамяти.

2.Многослойное отображение пикселов.

Аналогично организуется память при 8 битах на пиксел.

Емкость видеопамяти для хранения одного кадра изображения в графическом режиме: 800пикс.х600 стр. х 1 байт/256 градаций = 480 Кбайт.

1600 пикс х 1200 строк х 1 байт = 2 Мбайта

Для цветного отображения соответственно в 3 раза больше.

Если емкость видеопамяти велика, можно организовывать несколько кадров одновременно. Растровый формат хранения изображения, в котором биты отображают пиксел, принято называть битовой картой.

Формирование битовой карты производится процессором, что для него не сложно а пересылка информации в видеопамять является проблемой надо передать большое количество информации в короткие промежутки времени – во время обратного хода луча. Особенно это сложно при формировании динамичных изображений.

Пути решения этой проблемы:

1. Повышение быстродействия памяти – скорости записи

2. Увеличение разрядности шин графического адаптера, по которым передаются данные в видеопамять: это шина интерфейса ЭВМ и внутренняя шина адаптера (PCI, AGP)

3. Повышение скорости построения видеоизображения за счет кэширования памяти.

4. Сокращение объемов информации, передаваемой графическому адаптеру, который наделяется интеллектом, а именно в адаптер включается процессор для промежуточной обработки изображения.

В этом случае, процессор адаптера сам формирует изображение по командам центрального процессора. Например:

1. Команды рисования: отрезков, дуг, прямоугольников, эллипсов и т.д., которые описываются в векторном виде, что компактнее.

2. Копирование блока с одного места экрана на другое, путем пересылке бит из одной области видеопамяти в другую внутри самого адаптера.

В графическом адаптере применяется аппаратная поддержка окон, когда окно для каждой задачи имеет свою область видеопамяти а адаптер сканирует память не линейно, а перескакивая с одной области памяти на другую.

Помимо дисплейного процессора (который еще называется графическим сопроцессором по отношению к центральному) имеющего доступ и к основной памяти ЭВМ, в графическом мониторе может быть графический акселератор – отдельная плата со своими процессором и оперативной памятью. Он работает в автономном режиме с целью обработки изображения.

Текстовый режим работы монитора

Работает иначе. Формирование символов обеспечивает знакогенератор с памятью. Ячейка памяти содержит код символа, определяющий его индекс в таблице символов и его атрибуты изображения.

Экран организуется в виде матрицы знакомест, например, размером 25 стр х 80 симв в строке.

Знакогенератор может быть организован в виде ПЗУ или ОЗУ, емкость которых определяется форматом знакоместа и числом формируемых символов.

Часто используемые форматы знакомест: 8х8, 9х14, 9х16 точек.

Принцип формирования символа:

На старшие разряды ПЗУ поступает код символа, а на младшие – номера строк в знакоместе. В графическом режиме выходные данные поступали прямо из видеопамяти.

При применении ОЗУ изображение символа задается программно, что обеспечивает применение большего набора разных шрифтов. Требуемая емкость видеопамяти в текстовом режиме например, при 8-битовом кодировании и матрице 8х8 составляет 28*8 = 2 Кбайта 8-разрядных слов, а в графическом потребовалось бы 32 Кбайта.

Поскольку в текстовом режиме в адаптер передаются только коды символов, то заполнение экрана происходит в десятки раз быстрее.