Базовые системы отображения

Базовые системы отображения.

Без возможности видеть результаты своей работы, персо­нальный компьютер стал бы бесполезным инструментом. Необхо­димо каким либо образом наблюдать за сигналами компьютерной системы, что бы знать, чем она занимается в данный момент. Сегодня реализацией подобного рода функций занимается виде­осистема.

Видеосистема не всегда была неотъемлемой частью компь­ютеров. Последние существовали уже тогда, когда ещё не было телевидения в его сегедняшнем понимании. Первые процессоры в качестве выходных устройств использовали принтеры, кото­рые позволяли получить твёрдую копию выходного результата, что тоже очень важно в нашем переменчивом мире.

Стандартными средствами для отображения текста явля­ются дисплеи, работающие с картами символов. Специальная область памяти зарезервирована для хранения символа, кото­рый предстоит изобразить на экране. И программы пишут текст на экран, заполняя символами эту область памяти. Экран, ча­ще всего, представляется матрицей 80 на 25 символов.

Образ каждого символа, который появляется на экране, хранится в специальной микросхеме ПЗУ. Эта память относится к видеоцепям компьютера.

Каждый символ на экране формируется множеством точек. Несколько видеостандартов, используемых IBM и другими фир­мами, отличаются количеством точек, используемых при форми­ровании символов.

IBM четыре раза меняла назначение ОЗУ под видеосисте­му. Во-первых, это касается PC и XT. Еще один вариант используется в PCjr и последний предназначается для всех последних улучшеных видеосистем.

Первые две видеосистемы PC использовали различные об­ласти памяти и поэтому могли работать одновременно. Обычно одна область памяти предназначается для монохромного дисп­лея, а другая для цветного. Используются одни и те же об­ласти памяти для любого режима в независимости от использу­емого адаптера дисплея. Память монохромного экрана располо­гается по адресу В0000 , цветного - В8000. Для обеспечения совместимости все новые видеосистемы могут работать через эти же адреса, даже если они хранят дополнительную информа­цию еще где-либо.

Программы, заносящие информацию на экран, должны знать, какую память они должны использовать для этого. Нуж­ную информацию можно получить, прочтя информацию из специ­ального байта памяти - флага видеорежима. Он предназнача­ется для указания: какого вида адаптер дисплея установлен внутри компьютера и используется в настоящее время. Он поз­воляет компьютеру знать, с каким дисплеем - монохромным или цветным - он имеет дело.

Этот байт позволяет так же указать - с цветным или черно-белым дисплеем работает компьютер даже в том случае, если установлен адаптер, способный работать с двумя видами дисплеев. Байт флага видеорежима размещается в начале опе­ративной памяти, по адресу 0463. Для кодировки текущего дисплея используется байт 0В4 - для указания монохромного режима и 0D4 - для цветного.

По стандарту IBM символы, видимые на экране, не хра­нятся в непрерывной последовательности. Символы, которые мы видим на экране, располагаются в байтах памяти с промежут­ком в один байт. Эти промежуточные байты отведены для хра­нения параметров изображаемых символов. Четный байт памяти содержит символ, а нечетный - хранит его атрибуты.

Излишки выделенной памяти могут использоваться для хранения нескольких изображений экранов. Каждый такой образ называется видеостраницей. Все базовые видеосистемы разра­ботаны таким образом, чтобы реализовать быстрое переключе­ние с одной страници на другую. Это позволяет изменять изображения экрана почти без всяких задержек. С помощью пе­реключателей можно управлять скоростью замены экранных страниц.

Базовая цветная система IBM имеет возможность работать в режиме с изображением текста в 40 столбцах экрана. Этот режим позволяет работать пользователю с компьютером через телевизионный приемник вместо дисплея. Телевизор не облада­ет такой точностью, как монитор компьютера. 80 столбцов текста на экране телевизора сливаются. При уменьшении числа столбцов текста в два раза, требуется в два раза меньше па­мяти для хранения. Это в свою очередь позволяет в два раза увеличить число видеостраниц.

По прошествии времени IBM улучшила качество своих ви­деосистем и соответственно увеличила объем памяти, исполь­зуемой для нее. Для символьных дисплеев эта память исполь­зуется для реализации новых видеорежимов, которые позволяют разместить на экране больше строк (до 43) и увеличить число видеостраниц. Некоторые видеосистемы могут реализовывать свои собственные режимы при работе с текстом. Они могут размещать текст в 60 строках и 132 столбцах.

Псевдографика

Графическое изображение легко получить в любом тексто­вом режиме. Так как с помощью 1 байта можно закодировать 256 символов - это число с избытком перекрывает весь алфа­вит и все цифры, IBM использует свободные значения для ко­дировки некоторых специальных символов. Большинство этих дополнительных символов создано для формирования графи­ческих изображений.

При помощи этих символов, используемых в качестве кир­пичиков, можно формировать на экране структуры всевозможной конфигурации. Некоторые дополнительные символы формируют изображение в виде двойных линий, уголков и пробелов, поз­воляя легко формировать обрамление текста. Эти символы на­зываются псевдографикой.

С другой стороны стороны, качество псевдографики - са­мое низкое, по сравнению с любой другой графической систе­мой, реализуемой РС. Изображение, формируемое графическими блоками, имеет острые углы и грубое наполнение. Округлую деталировку и плавные переходы невозможно получить, исполь­зуя большие графические блоки. Поэтому такой инструмент представляется слишком грубым во многих применениях.

Однако псевдографика является единственно доступной во всех системах IBM как с цветным, так и черно-белым монито­ром. Она реализует наипростейшие графические построения.

Растровая графика

Одним вариантом улучшения качества графического изоб­ражения является уменьшение размеров самих графических бло­ков. При помощи меньших блоков можно сформировать менее уг­ловатое изображение с большей деталировкой. Чем меньше раз­мер блоков, тем лучше качество получаемого изображения. Од­нако характеристики дисплейной системы накладывают ограни­чения на эту пропорцию. Размер блока не может быть меньше точки экрана. Поэтому самое лучшее изображение можно полу­чить при работе с индивидуальными точками экрана.

Эти точки представляют из себя элементарные частицы, из которых формируются любые блочные конструкции и называ­ются пикселями. Однако не все системы способны работать с элементарными точками видеосистемы. В некоторых из них пиксели образуются при помощи некоторого множества экранных точек. И системы способны оперировать только с целыми пикселями, а не отдельными точками экрана.

Наилучших результатов можно достичь, выделив некоторую область памяти для хранения информации по отбражению на эк­ране каждого пикселя изображения, как это сделано для текстового режима, когда каждому символу выделяется два байта. В системах IBM информация по каждому пикселю хра­нится в одном или болле битах памяти. Такие системы часто называются системами с растровой графикой. Альтернативой данной технологии является описание пикселя с использовани­ем адресации памяти. Последний метод называют графикой с адресацией всех точек.

Растровая графика потенциально имеет больше возмож­ностей для формирования более точного изображения. Большее количество обрабатываемых пикселей означает реализацию большего числа деталей. Число точеки, соответственно, по­тенциально возможное число пикселей во много раз превышает число символов, изображаемых на экране: от 64 до 128 раз.

Однако недостатком такой разрешающей способности раст­ровой графики является использование болльшого объема памя­ти. Закрепление за каждой точкой экрана одного или двух байтов памяти пропорционально увеличит общий ее объем, зак­репляемой за видеосистемой. Графические системы IBM с наи­меньшим качеством требуют 128 К памяти при закрепленнии за каждой точкой только одного байта. хотя по сегодняшним стандартам 128 К - небольшой объем, но не следует забывать, что при разработке графики для РС времена были другие. Поэ­тому для первых персональных компьютеров было выделено только 16 К оперативной памяти под графическую информацию.

Графический сопроцессор

Точно так же, как арифметический сопоцесоор способен существвенно повысить быстродействие РС при расчете сложных математических функций, графический сопроцессор может уско­рить работу компьютера при формировании изображения на эк­ране монитора. Причем ускорение работы очень существенно, потому что графический сопроцессор способен обрабатывать огромные объемы графической информации - сотни тысяч пиксе­лей за несравнимо более короткий промежуток времени, по сравнению с центральным микропроцессором. Современные гра­фические сопроцессоры Intel 82796 и Texas Instruments TMS34010 широко используются в высокопроизводительных системах. IBM также создала свою графическую систему, раз­местив ее на отдельной плате - 8415А.

Графические сопроцессоры являются основой для создания скоростных видеосистем. Точно так же, как для математи­ческих сопроцессоров, графическим сопроцессорам требуется свое програмное обеспечение. Кроме того, во многих случаях им требуется специфические, более дорогие мониторы.

Графические операционные системы

Проблема с програмным обеспечением может быть решена при помощи специальных графических операционных систем, та­ких, как Microsoft Windows или Digital Research GEM - при работе в среде DOS, или Presentation Manager - для OS/2. Эти системы служат мостом, связывающим программы пользова­теля и усовершенствованные видеосистемы, включая и реализо­ванные на графических сопроцессорах.

Алгоритм их работы напоминает алгоритм работы BIOS. Он основывается на использовании вызова специальных подпрог­рамм по формированию соответствующего изображения на видео­дисплее. Графические системы переводят поступающие команды на язык понятный для графических сопроцессоров или других видеоустройств. Таким образом, пользователю нужно только оперировать образами, формируемыми графическими системами. Насыщение систем новыми функциями является делом разработ­чика графического пакета.

Например, программе нужно очистить экран. Для этого она должна передать графическому пакету соответствующую ко­манду, и только. Все взаимодействие с техническим обеспече­нием реализует сама графическая система. Однако ей необхо­димо знать точно, на какой видеосистеме нужно очистить эк­ран, чтобы сформировать команды надлежащим образом. Графи­ческие пакеты распознают устройства технического обеспече­ния по средствам програмного драйвера, устанавливаемого в файле CONFIG.SYS. При замене видеосистемы потребуется толь­ко заменить один драйвер, используемый грфической операци­онной системой, и все пользовательские программы будут ра­ботать с новой системой отображения.

Видеоадаптеры

Сначала существовал только один тип персональных компьютеров IBM, который комплектовался тоже только одно­типными вдеодисплеями. Его экран был однотонно-зеленым. Текст изображался грубым шрифтом, а из графических средств реализовывалась только псевдографика. Все достоинства этого времени - у пользователя не болела голова, какую виде­осистему использовать для своего РС.

Мног воды утекло с тех пор, и все технологии компь­ютерных подсистем шагнули далеко вперед. Видеосистемы со­вершенствовались, как ни что другое, буквально с каждым днем. И пользователю приходится решать сложную задачу: ка­кой видеоадаптер выбрать из нескольких десятков имеющихся сейчас на рынке в условиях существования полдюжины "офици­альных" видеостандартов, и нескольких десятков видеосистем, реализующих идеи, позволяющие превзойти эти стандарты.

Почти полностью все развитие видеостандартов происхо­дило на основании видеоадаптеров, предлагаемых IBM в своих компьютерах. Прогресс шел постоянно, начиная от жуткого зе­леного экрана, до сегодняшних полноцветных дисплеев с высо­кой разрешающей способностью. Параллельно увеличивалось вредное влияние видеосистем на глаза человека.

Адаптер монохромного дисплея

Этот адаптер часто называют просто MDA от Monochrome Display Adapter, хотя его официальное имя - Monochrome Display, или Parallel Printer Adapter.

Слово монохромный отражает самую важную характеристику MDA. Он был создан для работы с одноцветным дисплеем. Пер­воначально он работал с экранами зеленого цвета, которыми обеспечивались преимущественно все системы IBM того времени.

Слова "адаптер дисплея" несут функциональное описание. Это устройство преобразует сигналы, распространяющиеся по шине РС, к форме, воспринимаемой видеосистемой. Возможность подключения принтера к этому адаптеру является его досто­инством, потому что позволяет подключить принтер без использования еще одного разъема расширения.

MDA является символьной системой, не обеспечивающей никакой другой графики, за исключением расширенного мно­жества символов IBM. Это был первый адаптер IBM и до недав­него времени он был лучшим адаптером для обработки текстов, обеспечивающим самое четкое изображение символов, по срав­нению с любыми дисплейными системами, выпущенными до PS/2.

Текстовый режим был целью разработки адаптера. Тогда IBM не могла вообразить, что кому-либо понадобится рисовать схемы на дисплее.

Символы MDA

Для обеспечения подключения терминалов, используемых в больших компьютерных системах, IBM для изображения символа в MDA использовала площадь экрана в 9 х 14 пикселей, а сам символ был 7 х 9. Дополнительное пространство использова­лось для разделения каждого символа, что увеличивало читае­мость.

Для реализации тогдашних стандартов видеотерминалов, обрабатывающих символы по 80 столбцам и 25 рядам, требова­лось 740 горизонтальных пикселей и 350 вертикальных - 252000 точек на экран.

Частота MDA

При работе с таким количеством точек IBM пошла на компромисс. При отображении информации с большой частотой потребовалось бы более широкополосный монитор, чем тот, ко­торый был доступен(во всяком случае за небольшие деньги) во время разработки РС. IBM слегка уменьшил используемую частоту, доведя ее до 50 Гц и компенсировала возможность появления мерцания экрана использованием люминофора с боль­шим остаточным свечением. Таким образом появился стандарт IBM на монохромный дисплей.

Используемая более низкая частота давала дополнительно время электронной пушке обрабатывать каждую строку изобра­жения. Однако даже с такой форой плотность точек по монох­ромным стандартам IBM требовала увеличения горизонтальной частоты по отношению к используемой в популярном видеомони­торе - телевизионном приемнике 7 - 18,1 КГц против 15,525 КГц.

Цветной графический адаптер

Первым растровым дисплейным адаптером, разработанным IBM для РС, был цветной графический адаптер - CGA (Color Graphic Adapter). Представленная альтернатива MDA ослепила, привыкши к зеленому, компьютерный мир. Новый адаптер обеспечивал 16 ярких чистых цветов. Помимо этого, он обла-

дал способностью работать в нескольких графических режимах

с различной разрешающей способностью.

Как об этом говорит наименование адаптера, он предназ­начался для формирования графического изображения на цвет­ном экране. Однако он обеспечивал работу и с монохромными дисплеями, созданными не IBM для платы MDA. Он мог работать в паре как с монохромными, так и с композитными мониторами, и даже с модулятором телевизионных приемников. (Тем не ме­нее вы не можете подключить CGA к телевизору если у послед­него нет композитного видеовхода). Обеспечивает также рабо­ту светового пера.

CGA - Это многорежимный дисплейный адаптер. Он может использоваться и для символьных и для побитных технологий. Для каждой из них он реализует несколько режимов. Он содер­жит 16 Кб памяти, прямо доступных центральному микропро­цессору.

Символьные режимы CGA

Символьный режим функционирования CGA устанавливается по умолчанию. В этом режиме функционирование CGA напоминает MDA. Главным отличием этих двух адаптеров является то, что второй был создан для работы с нестандартными вертикальными и горизонтальными частотами, обеспечивая более четкое изоб­ражение. CGA же использует стандартные частоты - те, что используются композиционными дисплеями. Это дает возмож­ность быть совместимым с большим семейством мониторов, но в то же время уменьшает качество изображения.

Для того, чтобы обеспечить функционирование с 15,525 КГц горизонтальной частоты и 60 Гц вертикальной, CGA разде­лил дисплей на матрицу в 640 горизонтальных пикселей и 200 вертикальных. Для того, чтобы расположить 2000 символов на экране размером 80 х 25 символов - в формате MDA - исполь­зуются ячейки 8 х 8 пикселей.

16 Кб памяти CGA позволяют работать с 4 страницами текста. Обычно в текстовом режиме используется единственная страница - первая. Остальные доступны программам и пользо­вателю через BIOS и через регистр режима CGA.

Качество символов CGA

В системах CGA каждый символ располагается в матрице

7 х 7. Одна точка зарезервирована для подстрочного элемента и еще одна - для разделения. Очевидно, что подстрочный эле­мент имеет протяженность на все изображение, что позволяет избежать использование дополнительных линий для разделения строк текста. Использование меньшего количества точек при изображении символа означает, что его изображение будет иметь более грубую и менее приятную форму по сравнению с MDA.

Цвета символов

В любом текстовом режиме IBM, используя атрибуты, мож­но работать с 16-цветовой палитрой. Любой символ текста мо­жет быть изображен любым из 16 цветов.

Фон символа - точки, входящие в матрицу символа 8 х 8 и не участвующие в формировании формы символа, - может так­же иметь один из 16 цветов, но с одним ограничением. В ре­жиме, устанавливаемом по умолчанию, для фона можно исполь­зовать 8 цветов, потому что бит в байте параметров, уста­навливающий яркость или интенсивность фонового цвета, пред­назначается для другой цели. Он используется для задания режима мерцания символа.

Специальный регистр CGA изменяет назначение этого би­та. Загружая определенные значения в этот регистр, пользо­ватель или программа могут выбирать между использованием мерцания или изображением цвета фона с повышенной интенсив­ностью. Однако этот регистр управляет всем текстом экрана, поэтому невозможно одновременно использовать и мерцающие символы и повышенную интенсивность цветового фона.

CGA требует от программистов прямого обращения к этому регистру. Более усовершенствованные адаптеры IBM используют дополнительную программу BIOS для реализации этой функции.

Улучшенный графический адаптер

К 1984 году недостатки CGA стали очевидными. Это выя­вилось благодаря широкому его распространению. Тяжело чита­емый текст и грубая графика портили зрение лучше всякого другого приспособления.

Как ответ на заслуженную критику, появился улучшенный графический адаптер - EGA. Улучшение было многосторонним: возросшая разрешающая способность, возможность обеспечивать графический режим монохромных экранов, в том числе любимых IBM зеленых дисплеев.

Разрешающая способность EGA

Самое существенное изменение хорошо заметно по форми­руемому изображению. Разрешающая способность была увеличена до 640 х 350 пикселей. Ячейки символов имеют размер 8 х 14. И хотя такая ячейка на одну точку уже, чем поддерживаемая MDA, символ формируется той же матрицей 7 х 9. Но более важным являлось то, что было выделено достаточно места для подстрочного и надстрочного пространства. Благодаря этому смежные ряды не сливались и цветное изображение текста воспринималось также хорошо, как и монохромное.

Разрешающая способность 640 х 350 обеспечивалось в графическом режиме. Этот адаптер мог также поддерживать все графические режимы предыдущих адаптеров IBM. Это означает, что EGA способен обеспечить все режимы устаревшего CGA.

Частоты EGA

Для того, чтобы обеспечить передачу на экрандополни­тельной информации, согласно стандарту EGA, необходимо использовать сигнал с более широкой полосой частот, увели­чив его диапазон до более высокой частоты. Вместо 15,525 КГц CGA, EGA увеличил горизонтальную частоту сканирования до 22,2 КГц. Вертикальная частота сканирования ( частота кадров) приблизительно равна 60 Гц. Из-за использования бо­лее высокой частоты стандарт EGA несовместим с устройства­ми, созданными по стандарту NTSC. В эту группу устройств входят и телевизоры. Требуется специальные дисплеи EGA или мультисинковые дисплеи.

Цвета EGA

Возможности стандарта EGA по формированию цветной гам­мы существенно возросли. Посредством изменения интерфейса адаптер - дисплей, реализуемая палитра EGA была расширена до 64 оттенков(считая черный и различные оттенки серого, как отдельные цвета). Кроме того, благодаря наличию большо­го ресурса памяти стандарт EGA способен поддерживать более широкую палитру цветов с более высоким уровнем разрешающей способности. В режиме с максимальной разрешаемой способ­ностью и полным использованием ресурса памяти, EGA в состо­янии одновременно формировать изображение в 16 цветовых от­тенках выбранных из 64 цветной палитры на экране в 640 х 350 пикселей.

Video Graphics Array - VGA

Весь процесс рзработки IBM дисплеев для своих персо­нальных компьютеров поддается и не поддается логическому объяснению. С одной стороны, некоторые видеосистемы IBM для отдельных применений подходили лучше других. Но с другой - отказ от узкой специализации на отдельное видеоустройство дает возможность настроить адаптер на разные типы дисплеев, что открывает огромный рынок для дополнительной видеопро­дукции, поступающей от независимых поставщиков, что обеспе­чивает в свою очередь расширение снабжения рынка. При пере­ходе к новому видеостандарту адаптерная плата может быть легко заменена другой. С другой стороны, объединение дисп­лея и адаптера поддается логическому обоснованию также.

Компьютеры Portable такие, как PC Portable (которые не содержат на своей системной плате дисплейную систему) и пе­реносные компьютеры Convertible (содержащую ее там) требуют полной интеграции дисплея и центрального блока для увеличе­ния транспортабельности переносных компьютеров. Такой под­ход имеет преимущество простоты сборки системы. Система поступает в виде одного большого блока и не нужно задумы­ваться, как собрать систему из составляющих.Более того, та­кой способ реализации видеосистемы чаще всего обходится де­шевле, потому что не требует устанавливать платы расшире­ния, интерфейсные цепи и взымать деньги за дополнительные разработки. Для снижения стоимости PCjr в этой модели IBM сначала использовала видеосистему, реализуемую на системной плате.

Промежуточным вариантом является реализация виде­осистемы на базе платы расширения, чья стоимость входит в стоимость системы. Большинство персональных компьютеров продается по такой методике.

Разрешающая способность VGA в графическом режиме

Точно так же, как и в предыдущие системы, VGA обеспе­чивают различные уровни разрешающей способности в различных режимах функционирования. Но VGA обеспечивает гораздо боль­шее количество режимов. Их общее число равно 17. Однако в графическом и текстовом режимах достигаются отличающиеся уровни разрешающей способности.

В графических режимах при формировании растрового цветного изображения достигается разрешающая способность 640 х 480 пикселей. При этом формируется 16 цветов выбран­ных из палитры в 256. Такой же уровень разрешающей способ­ности обеспечивается и для монохромного изображения.

Переход к стандарту 640 х 480 пикселей от стандарта EGA (640 x 350) позволил улучшить точность изображения. Стандарт VGA позволяет создать изображение более точное с использованием большей гаммы цветов.

Для программистов, разрабатывающих графику, отношение числа горизонтальных пикселей к вертикальному равное 4:3, является благоприятствующим фактором потому что оно равно отношению сторон экрана большинства мониторов.

Цвета VGA

Новый стандарт способен поддерживать 256 оттенков эк­рана одновременно. Цвета выбираются из палитры 262144 от­тенка. В этом режиме, разрешающая способность ограничена уровнем 320 х 200 пикселей. Эта разрешающая способность CGA, работающего в режиме со средней разрешающей способ­ностью, но последний может работать одновременно с четырьмя цветами, выбранными из палитры в шестнадцать цветов.