Архитектура ЭВМ. Курс лекций Томск 2013 2 Оглавление
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
часть законченного устройства, используемую для отображения цифровой, цифро-буквенной или графической информации электронным способом. Понятие дисплея можно ассоциировать с понятием экрана. 92 Монитор – это конструктивно законченное устройство, предназначенное для визуального отображения информации, и может иметь дисплеи разных типов. Современный монитор состоит из экрана (дисплея), блока питания, плат управления и корпуса. Монитор с клавиатурой и мышью на данный момент является основным средством оперативного взаимодействия пользователя с ЭВМ и предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Он позволяет вводить в ЭВМ данные, осуществлять диалог с ЭВМ, редактировать и обрабатывать текстовую и графическую информацию, отображать на экране результаты решения задач в виде таблиц, текста, графиков, рисунков. Классификацию мониторов можно провести по следующим признакам: • по физическому принципу формирования изображения на экране, • по способу построения изображения (виду развертки), • по длительности хранения информации на экране, • по цветности изображения, По принципу формирования изображения. По физическим принципам, лежащим в основе конструкций дисплеев, подавляющее большинство их относится к дисплеям на базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ или CRT - от Cathode Ray Tube) и к жидкокристаллическим (ЖК или LCD - от Liquid Crystal Display). У ЭЛТ формирование изображения производитсяна внутренней поверхности экрана, покрытого слоем люминофора – вещества, светящегося под воздействием электронного луча, генерируемого специальной “электронной пушкой” и управляемого системами горизонтальной и вертикальной развертки. У ЖК вместо электронного луча, возбуждающего люминофор, для воздействия на жидкие кристаллы, помещенные между двумя слоями стекла, используется электрический заряд. Жидкокристаллический экран состоит из крошечных сегментов, заполненных специальным веществом, способным менять отражательную способность под воздействием очень слабого электрического поля, создаваемого электродами, подходящими к каждому сегменту. По способу построения изображения (для ЭЛТ) различаются матричная и векторная развертки. При матричной развертке электронный луч на экране перемещается скачками, высвечивая, таким образом, матрицу точек - пиксел. При такой развертке легко перевести луч в любую заданную точку экрана - надо только в счетчики строк и кадров поместить координаты этой точки. Векторная развертка используется для рисования сложных фигур с помощью сплошных линий разной формы. Управление вертикальным и горизонтальным отклонением луча в этом случае осуществляется с помощью функциональных генераторов, каждый из которых настроен на прорисовку определенного графического примитива. Состав графических примитивов, из которых строится изображение, определяется наличием функциональных генераторов. По длительности хранения информации на экране мониторы делятся на регенерируемые и запоминающие. В регенерируемых мониторах изображение после однократной прорисовки держится на экране недолго, доли секунды, постепенно угасая. Угасание изображения иногда заметно на глаз - нижние строки, например, могут быть ярче верхних. Для поддержания постоянной яркости изображение приходится повторно прорисовывать (регенерировать) изображение 20-25 раз в секунду. А чтобы яркость в различных частях экрана не очень отличалась применяют чересстрочную развертку: при каждой прорисовке сначала рисуются нечетные строки, а затем - четные. Регенерируемые мониторы незаменимы при визуализации быстропротекающих динамических процессов. 93 В запоминающих мониторах после однократной прорисовки изображение держится на экране в течение нескольких часов. Для его стирания приходится подавать на экран специальное стирающее напряжение. Запоминающие мониторы эффективны там, где выведенное изображение нуждается в длительной обработке, например, подвергается редактированию или должно быть воспринято (изучено). По цветности изображения различают монохромные (черно-белые) и цветные мониторы. CRT-мониторы Чтобы понять принципы работы растровых и векторных дисплеев с регенерацией, нужно иметь представление о конструкции CRT и методах создания видеоизображения. На рис.50. показана общая схема устройства CRT. Рис.50. Схема ЭЛТ Кинескоп состоит из герметичной стеклянной трубки, внутри которой находится вакуум, то есть весь воздух удален. Один из концов трубки узкий и длинный - это горловина, а другой - широкий и достаточно плоский - это экран. Катод (отрицательно заряженный) нагревают до тех пор, пока возбужденные электроны не создадут расширяющегося облака (электроны отталкиваются друг от друга, так как имеют одинаковый заряд). Эти электроны притягиваются к сильно заряженному положительному аноду. На внутреннюю сторону расширенного конца “KN нанесен люминофор, вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами. Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, т.е. поток электронов заставляет точки люминофора светиться. Эти светящиеся точки люминофора и формируют изображение. Облако электронов с помощью линз фокусируется в узкий, строго параллельный пучок (электронная пушка), и луч дает яркое пятно в центре ЭЛТ. Луч отклоняется (позиционируется) влево или вправо от центра и (или) выше или ниже центра с помощью усилителей горизонтального и вертикального отклонения (отклоняющая система). Именно в этот момент проявляется отличие векторных и растровых дисплеев. В отличие от этого в растровом дисплее луч может отклоняться только в строго определенные позиции на экране, образующие своеобразную мозаику. Эта мозаика составляет видеоизображение. Люминофорное покрытие на экране растровой ЭЛТ тоже не непрерывно, а представляет собой множество тесно расположенных мельчайших точек, куда может позиционироваться луч, образуя мозаику. Как правило, в цветном CRT-мониторе используется три электронные пушки (RGB), в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах, которые сейчас практически не производятся. Электронные фокусирующие линзы Усилитель горизонтального отклонения Анод (слой люминофора ) Электронный луч Отклоненный электронный луч Катод Усилитель вертикального отклонения 94 Для управления электронно-лучевой трубкой необходима и управляющая электроника, качество которой во многом определяет и качество монитора. Кстати, именно различие в качестве управляющей электроники, создаваемой разными производителями, является одним из критериев определяющих разницу между мониторами с одинаковой электронно-лучевой трубкой. С электронно-лучевой трубкой дисплея связан видеопроцессор, в состав которого входит буферная память, несущая всю необходимую информацию для управления движением луча (экранная память, память регенерации, видеопамять, видеобуфер). В частности, в видеопамяти размещаются данные (коды символов) для отображения на экране. Размер и расположение буферов меняется с видеосистемой, режимом экрана, количеством заранее отведенной памяти Векторные дисплеи В векторном дисплее электронный луч может быть отклонен непосредственно из любой произвольной позиции в любую другую произвольную позицию на экране ЭЛТ. Поскольку люминофорное покрытие нанесено на экран ЭЛТ сплошным слоем, в результате получается почти идеальная прямая. Таким образом, изображение на экране задается непрерывным движением электронного луча по заданной траектории. Траектория движения определяется ломаной линией, состоящей из векторов, задаваемых координатами начальной и конечной точки. Эти координаты можно задавать хотя и с ограниченной, но с достаточно высокой точностью. Тем самым на экране создается видимость гладких непрерывных линий. В векторных дисплеях можно управлять не только движением, но и интенсивностью свечения, получая эффект тонких и толстых линий рисунка (рис.51.). Рис.51. Векторный режим построения изображения Кроме ЭЛТ, для векторного дисплея необходим дисплейный буфер и дисплейный контроллер Дисплейный буфер - непрерывный участок памяти, содержащий всю информацию, необходимую для вывода изображения на ЭЛТ. Функция дисплейного контроллера заключается в том, чтобы циклически обрабатывать информацию в дисплейном буфере со скоростью регенерации. Сложность рисунка ограничивается двумя факторами - размером дисплейного буфера и скоростью контроллера. Видеопамять векторных дисплеев содержит последовательность координат векторов, определяющих движение луча по всему экрану, и указания об его интенсивности на том или ином участке траектории движения. Каждый знак (литера) на таком экране задается также последовательностью векторов. Функции внутреннего программного обеспечения векторных дисплеев состоят в том, чтобы своевременно заполнить экранную память командами, определяющими маршруты электронного луча так, как требует видеоконтроллер, который их и преобразует в сигналы, управляющие электроникой, ведающей отклонением луча. При этом следует отметить, что чем сложнее рисунок (чем больше векторов и перемещений в нем задано), тем больше времени затрачивает дисплейный процессор на опрос команд буферной памяти и их анализ. Сложные рисунки приводят в силу этого к эффекту мерцания, так как темп повторения рисунка (темп регенерации) снижается. Одной из технических характеристик векторных дисплеев является допустимое число векторов, которое можно задавать до появления мерцания на экране. 95 На рис.52. изображена одна из возможных блок-схем высокопроизводительного векторного дисплея. Предполагается, что такие геометрические преобразования, как поворот, перенос, масштабирование, перспективное проецирование и отсечение, реализованы аппаратно в геометрическом процессоре. ЦПУ – центральное процессорное управление. Рис.52. Блок-схема векторного дисплея с регенерацией Геометрический процессор работает быстрее, чем необходимо для регенерации достаточно сложных изображений. В этом случае исходная геометрическая база данных, посланная из ЦПУ, сохраняется непосредственно в дисплейном буфере, а векторы обычно задаются в пользовательских координатах в виде чисел с плавающей точкой. Дисплейный контроллер за один цикл регенерации считывает информацию из дисплейного буфера, пропускает ее через геометрический процессор и результат передает генератору векторов. При таком способе обработки геометрические преобразования должны выполняться "на лету" в течение одного цикла регенерации. Видеопамять векторных дисплеев содержит последовательность координат векторов, определяющих движение луча по всему экрану, и указания об его интенсивности на том или ином участке траектории движения. Каждый знак на таком экране задается также последовательностью векторов. Функции внутреннего программного обеспечения векторных дисплеев состоят в том, чтобы своевременно заполнить экранную память командами, определяющими маршруты электронного луча так, как требует видеоконтроллер, который их и преобразует в сигналы, управляющие электроникой, ведающей отклонением луча. При этом следует отметить, что чем сложнее рисунок (чем больше векторов и перемещений в нем задано), тем больше времени затрачивает дисплейный процессор на опрос команд буферной памяти и их анализ. Сложные рисунки приводят в силу этого к эффекту мерцания, так как темп повторения рисунка (темп регенерации) снижается. Одной из технических характеристик векторных дисплеев является допустимое число векторов, которое можно задавать до появления мерцания на экране. Растровые дисплеи В отличие от векторных, в растровом дисплее луч может отклоняться горизонтально только в строго определенные позиции на экране, образующие своеобразную мозаику. Эта мозаика и составляет видеоизображение. Люминофорное покрытие на экране растровой ЭЛТ тоже не непрерывно, а представляет собой множество тесно расположенных мельчайших точек, куда может позиционироваться луч, образуя мозаику. Путь электронного луча на экране схематично показан на рис.53. Сплошные линии - это прямой ход луча, пунктир - обратный. Рис. 53. Ход луча в ЭЛТ-мониторе ЦПУ Дисплейный буфер Геометрический процессор Дисплейный процессор Генератор векторов/ литер ЭЛТ 96 Частота перехода на новую линию называется частотой горизонтальной (или строчной) развертки. Частота перехода из нижнего правого угла в левый верхний называется частотой вертикальной (или кадровой) развертки. Растровые дисплеи предназначены для получения изображений в виде совокупности точек, отрезков векторов, символов и закрашенных областей с помощью матрицы точечных элементов изображений - пикселей (от английского picture element). Движение луча (или нескольких лучей при построении цветного изображения) происходит построчно. Изображение получается путем изменения интенсивности луча во время сканирования строк. Тем самым свечение возможно только в дискретных точках, которые и образуют точечный растр экрана. Такой принцип аналогичен игольчатым точечным печатающим устройствам (рис.54.). Рис. 54. Растровый способ построения изображений Невозможно, за исключением специальных случаев, непосредственно нарисовать отрезок прямой из одной адресуемой точки (пиксела) в матрице в другую адресуемую точку. Отрезок можно только аппроксимировать последовательностями точек, близко лежащих к реальной траектории отрезка (рис.55.). Рис.55. Растровая развертка отрезка (а) Отрезок прямой из точек получится только в случае горизонтальных, вертикальных или расположенных под углом 45 0 отрезков . (б) Все другие отрезки будут выглядеть как последовательности ступенек. Это явление называется лестничным эффектом или "зазубренностью". Чаще всего для графических устройств с растровой ЭЛТ используется буфер кадра. Буфер кадра представляет собой большой непрерывный участок памяти компьютера. Для каждого пиксела в растре отводится как минимум один бит памяти. Эта память называется битовой плоскостью. Для квадратного растра размером 512 х 512 требуется 2 18 , или 262144 бита памяти в одной битовой плоскости. Из-за того, что бит памяти имеет только два состояния (двоичное 0 или 1), имея одну битовую плоскость, можно получить лишь черно-белое изображение. Битовая плоскость является цифровым устройством, тогда как растровая ЭЛТ - аналоговое устройство. Поэтому при считывании информации из буфера кадра и ее выводе на графическое устройство необходимо произвести преобразование из цифрового представления в аналоговый сигнал. Такое преобразование выполняет цифро-аналоговый (а) (б) А В Растровая аппроксимация отрезка АВ A D C B Элемент изображения (пиксел) Адресуемая точка 97 преобразователь (ЦАП). На рис.56. приведена схема графического устройства с черно-белой растровой ЭЛТ, построенного на основе буфера кадра с одной битовой плоскостью. Рис.56. Черно-белый буфер кадра (с одной битовой плоскостью) Построение цветного изображения При построении цветного изображения люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов — красного, зелёного и синего; любой цвет спектра можно представить их сочетаниями в различных пропорциях (рис 57.). Рис.57. Пиксельные триады Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада образует пиксел (pixel — picture element, элемент картинки) — точку, из которых формируется изображение. Расстояние между центрами пикселов называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость изображения. Чем меньше шаг, тем выше чёткость. Обычно в цветных мониторах шаг составляет 0,24 мм. При таком шаге глаз человека воспринимает точки триады как одну точку "сложного" цвета. Схема ЭЛТ для построения цветных изображений представлена на рис.58. Покрытие из люминофора Маска Стеклянная колба корпуса ЭЛТ Электронные пушки Электронные пучки ЦАП Регистр Растр ЭЛТ 1 98 Рис.58. Схема цветной ЭЛТ На противоположной стороне трубки расположены три (по количеству основных цветов) электронные пушки. Все три пушки "нацелены" на один и тот же пиксел, но каждая из них излучает поток электронов в сторону "своей" точки люминофора. Перед экраном на пути электронов ставится маска — тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета. Цвета могут быть введены в буфер кадра путем использования дополнительных битовых плоскостей. Поскольку существует три основных цвета, можно реализовать простой цветной буфер кадра с тремя битовыми плоскостями, по одной для каждого из основных цветов. Каждая битовая плоскость управляет индивидуальной электронной пушкой для каждого из трех основных цветов. Три основных цвета, комбинируясь на ЭЛТ, дают восемь цветов. Схема простого цветного растрового буфера показана на рис.59. Чтобы увеличить количество цветов для каждой из трех цветовых пушек используется дополнительные битовые плоскости. Рис.59. Простой цветной буфер кадра При выводе на экран любогоизображения, независимо от того, в растровом или векторном форматах оно зафиксировано в графических файлах, в видеопамяти формируется информация растрового типа. Каждый пиксел однозначно связан с долей видеопамяти – несколькими битами, в которых программным путем задаются характеристики пиксела: яркость и, при цветном экране, цветность свечения этого пиксела. Специальная системная программа десятки раз в секунду считывает содержимое видеопамяти и обновляет содержимое каждого пиксела, тем самым создавая и поддерживая на экране изображение. Величиной электронного тока пушек и, следовательно, яркостью свечения пикселов, управляет сигнал, поступающий с видеоадаптера. На ту часть колбы, где расположены электронные пушки, надевается |