Развитие видеоподсистем

Введение

Сейчас развитие видеоподсистемы идет су­масшедшими темпами, и зачастую видеоа­даптеры диктуют моду мониторам, однако на рассвете компьютерной эпохи все было совсем наоборот. Так откуда же «выросла» эта же­лезка, которая в настоящее время по стоимости мо­жет поспорить с процом?

Первые мониторы, являвшиеся наследни­ками осциллографов, были векторными и не предполагали наличие видеоадаптера, ведь в них изображение строилось не посредством последовательного облуче­ния электронным пучком экрана строка за строкой, а, так сказать, «от точки до точки». Компьютер управлял отклоняю­щей системой дисплея напрямую. Однако когда вывод на монитор пришел на смену выводу на телетайп, и сложность изобра­жения увеличилась, целесообразнее ста­ло подключить компьютер к телевизору. По этому пути развития и пошли дальше мониторы. Телевизионное изображение - растровое, поэтому возникла необходи­мость в промежуточных блоках для под­готовки графической информации к отоб­ражению. Для построения картинки те­перь требовались специализированные довольно ресурсоемкие вычисления, поэтому понадобились специальные устрой­ства, ориентированные на работу с раст­ровыми мониторами, которые могли бы хранить в себе видеоинформацию, обра­батывать ее и переводить в аналоговую форму для отображения на дисплее. Основной технологией здесь можно счи­тать frame-buffer technology[1]
. Изна­чально в задачу видеокарты входило только сохранение и регенерация кадра, и построение целиком ложилось на центральный процессор и программу. Процес­сор рассчитывал кадр и помещал его в память видеоадаптера, который преобра­зовывал данные из видеопамяти в анало­говый вид.

Основные узлы

Чтобы не запутаться в дальнейшем, кратко рассмотрим основные узлы ви­деоадаптера. Видеоадаптеры состояли из следующих основных частей: графического преобразователя, контроллера атри­бутов, контроллера CRT, ПЗУ[2]
, видеопа­мяти и синхронизатора. В первых символьных версиях видеоа­даптеров ПЗУ отсутствовало. Оно было добавлено несколько позже, и предназ­началось для хранения экранных шриф­тов, служебных таблиц и т.п. ПЗУ не ис­пользуется видеоконтроллером напря­мую - к нему обращается только цент­ральный процессор, и в результате выполнения им программ из ПЗУ происходят обращения к видеоконтроллеру и видеопамяти. ПЗУ необходимо только для первоначального запуска адаптера и работы в режиме DOS[3]
- операцион­ные системы с графическим интерфейсом его практически не используют. В целом в ходе истории ПЗУ глобально не изменялось. Обновлялись и добавля­лись лишь данные, хранящиеся в нем. Графический контроллер - устройство, которое отвечает за обмен данными между CPU и видеопамятью, регенера­цию ее содержимого, и обработку зап­росов центрального процессора. Для исключения конфликтов при обращении к памяти со стороны видеоконтроллера и центрального процессора первый име­ет отдельный буфер, который в свобод­ное от обращений ЦП время заполняется данными из видеопамяти. Если конфликта избежать не удается - видеоконт­роллеру приходится задерживать обра­щение ЦП к видеопамяти, что снижает производительность системы. Для иск­лючения подобных конфликтов в ряде карт применялась так называемая двух­портовая память, допускающая однов­ременные обращения со стороны двух устройств.

Последовательный преобразователь – выбирает данные из памяти и преобра­зует их в поток битов. Контроллер атрибутов - преобразует информацию о цвете в вид для отобра­жения монитором.

Контроллер CRT - генерирует синхро­сигналы, управляющие монитором. Видеопамять - используется как буфер видеоконтроллера для промежуточного хранения и модификации изображения. Синхронизатор - обеспечивает синхрон­ную работу всех узлов адаптера, задает временные параметры и управляет дос­тупом CPU к видеопамяти.

MDA

Видеокарты стандарта MDA[4]
использо­вались в IBM PC[5]
самыми первыми, они были представлены IBM в 1981 году. MDA-адаптеры были монохромными и работали в текстовом режиме. По сути, задача сводилась к тому, чтобы «распе­чатать» на мониторе текст, как на прин­тере. Экран монитора условно был «разбит» на определенное количество строк и столбцов. В каждой позиции мог выводиться только один символ. В ПЗУ видеоадаптера хранились символы в ви­де двоичных матриц соответственно яр­ких и неярких точек. Символ представ­лялся в виде матрицы 9x14 точек. Мони­тор, однако, облучает строчку экрана за строчкой, поэтому адаптер сохранял в память всю символьную строку, транс­лировал отдельные символы в матрицы и преобразовывал их в матрицу строки. Для преобразования кодов символов в двоичные матрицы служил так называе­мый знакогенератор. При получении ко­да символа знакогенератор формиро­вал на своем выходе соответствующий двоичный код. Дальше каждая строчка матрицы символьной строки передава­лась в монитор, который засвечивал со­ответствующие точки люминофора. Что­бы построение изображения было воз­можным, видеоадаптер также генериро­вал синхросигнал, который задавал час­тоту строчной развертки. Однако, в от­личие от принтера, на мониторе изобра­жение необходимо регенерировать, поэ­тому программе постоянно приходилось посылать страницу «на печать» в порт монитора.

Текстовый режим в современных опера­ционных системах используется только на этапе начальной загрузки. Но именно MDA мы обязаны текстовому режиму 80 столбцов на 25 строк, который исполь­зуется и до сих пор. Это соответствова­ло разрешению 720x350 точек, частота регенерации кадра составляла 50 Гц. Стандартный набор состоял из 256 сим­волов, очертания которых хранились в ПЗУ, с помощью платы расширения па­мяти фирмы IBM можно было расши­рить набор до 512 символов. IBM graph­ics memory module kit позволял увели­чить его до 1024 символов.

Hercules

В то же время выпускается монохром­ный адаптер высокого разрешения – Hercules. Это первый графический адаптер, то есть кадр строится в видеопамяти, а адресация осуществляется к каждой точке. HOC[6]
, так же, как и MDA, поддерживал текстовый режим. Этот адаптер получил большое распространение при работе с электрон­ными таблицами для построения графи­ков и диаграмм, но в силу своей монохромности дальше не поддерживался. Од­нако очень долгое время данный адаптер

к одному компьютеру. Так, поставив CGA/EGA/VGA и Hercules, можно было работать с двумя мониторами. Актуально это было до 1996 года, пока не появились видеокарты, поддерживающие два мони­тора.

CGA

На смену MDA в 1982 году пришел стан­дарт CGA[7]
и при­вел за собой жесткую стандартизацию. Это была первая революция в видеоадап­терах. Видеоадаптеры CGA были цветны­ми и графическими (если быть точнее, они поддерживали как символьный, так и графический вывод). Графический кадр сохранялся в видеопамяти, а затем транс­лировался в монитор. Цвет пикселя зада­вался цифровыми сигналами, определяв­шими уровень яркости для соответствую­щих RGB-пушек, а уже логика монитора преобразовывала их в аналоговую фор­му. Палитра CGA состояла из 1 6 цветов. При разработке CGA главной задачей была универсальность, а потому исполь­зовалась стандартная частота развертки - 60 Гц.

Камнем преткновения на этом этапе была видеопамять, точнее, ее объем. Дело в том, что модули памяти в то время были дико дорогими, поэтому CGA-адаптеры стандартно комплектова­лись 16 Кб видеопамяти. И ес­ли в текстовом режиме 80x25 символов (то есть 640x200 пикселей) видеокарта могла вы­водить все 16 цветов, то в графическом хватало лишь на то, чтобы одновремен­но выводить только 4 цвета, причем не любые, а только стандартные палитры. С этого момента все узлы адаптера ста­ли работать на частоте кадровой разве­ртки, так как возникали конфликты с ви­деопамятью, проявляющиеся в виде «снега» на экране.

В текстовом режиме размер матрицы символа был 9x14 точек, однако можно было установить размер матрицы 8x8, что хотя и ухудшало восприятие текста, но зато позволяло разместить на экра­не больше информации.

EGA

Однако первой видеокартой, способной воспроизводить нормальное цветное изображение, был EGA-адаптер[8]
, представлен­ный IBM в 1984 году. EGA поддерживал 16 цветов и разрешение до 640x350 точек. Также поддержива­лись CGA режимы: 640x200 и 320x200. Первые карты могли работать с монито­рами обоих типов. Переключение между режимами осуществлялось при помощи dip-переключателей на задней планке видеоадаптера. Также поддержи­вались и текстовые режимы. Стандарт­ный объем видеопамяти составлял 64 Кб. В более поздних EGA-клонах фирм ATI Technologies и Paradise с объемом памяти 256 Кб были доступны режи­мы: 640x400, 640x480 и 720x540. Видеопамять была разделена на четыре банка (четыре цветовых слоя). Таким образом, по од­ному адресу располагалось четыре бай­та. Процессор мог заполнять их однов­ременно. В результате скорость запол­нения кадра значительно увеличилась. Отличительной чертой от предыдущих видеоадаптеров было добавление в ПЗУ видеокарты не графических прими­тивов, а наборов инструкций для их построения, что ознаменовало зарожде­ние ускорителей. Частота регенерации кадра осталась 60 Гц. Интерфейс с мо­нитором по-прежнему цифровой.

MCGA

Сейчас мало кто знает про Multi Colour Graphics Array. Этот тип видеоадаптеров не был особо распространен. Причиной тому явилась политика IBM, которая изобрела и ввела этот стандарт в рам­ках стандарта PS/2. Лицензии на произ­водство данного типа карт компания не давала, поэтому MCGA не стал общим стандартом. Список поддерживаемых

640x400 (текст). Количество воспроизводимых оттенков в текстовом режиме составило 262144. Графи­ческий режим характеризовался разрешением 320x200 пикселей при 64 Кб видеопамяти.

VCA

Поистине революционным стандартом можно считать стандарт VGA[9]
, представленный все той же IBM в 1987 году. Революцией явля­лось появление цифро-аналогового пре­образователя в VGA-адаптерах. Это бы­ло связано с переходом от цифрового управления монитором к аналоговому. Все дело в том, что VGA-видеокарта могла отображать значительно больше оттенков, чем видеоадаптеры всех пре­дыдущих стандартов: теперь для кодиро­вания каждого цвета требовалось не 2 бита, а целых 6, то есть 18 проводов на цвета, плюс один провод на сигнал синх­ронизации, что, согласись, нецелесооб­разно. Поэтому в монитор стали передавать аналоговый сигнал, от уровня которого зависел уровень яркости соответ­ствующей RGB-пушки. В связи с этим возникла необходимость установить на видеоадаптер цифро-аналоговый преоб­разователь. Вместе с VGA появилось несколько более знакомое всем сокра­щение RAMDAC[10]
. VGA-адаптеры комплектовались 256 Кб видеопамяти и поддерживали следую­щие режимы: 640x480 - 16 цветов, 640x400 - 16 цветов, 320x200 - 16 цве­тов и 320x200 - 256 цветов. Палитра VGA составляла 262144 оттенков (2Л18, по 64 уровня яркости на каж­дый RGB-цвет). Начиная с этого адаптера, применяются разрешения с соотношением сторон 4:3.

VGA был одним из самых клонируе­мых стандартов и последней коммер­чески успешной разработкой IBM в области видеокарт.

XG
А

В конце октября 1990 года фирма IBM объявила о выпуске видеоадап­тера XGA Display Adapter для системы PS/2, а в сентябре 1992 года - представи­ла XGA-2. Оба устройства - 32-разряд­ные адаптеры с возможностью передачи им управления шиной (bus master - фак­тически, это адаптер со своим собствен­ным процессором, который может работать независемо от системной платы), предназначались для компьютеров с ши­ной MCA (Microchanel Architecture -собственный стандарт IBM). Один из не­достатков реализаций XGA - использо­вание развертки с чередованием в ре­жимах высокого разрешения. Это позво­ляло снизить стоимость системы за счет более дешевого монитора, но на экране появлялось мерцание из-за снижения частоты регенерации. В стандарте XGA-2 чересстрочная развертка уже не при­менялась. В адаптерах XGA и XGA-2 ис­пользовалась видеопамять типа VRAM, что позволило увеличить производитель­ность. XGA поддерживал следующие разрешения: 1024x768 - 256 цветов, 640x480 - high color (16-битный цвет, или 65536 оттенков). XGA-2 дополнительно поддерживал 1024x768, high color и вы­сокую частоту регенера­ции, а также 1360x1024, 16 цветов.

SVGA

С появлением видеоадаптеров XGA конкуренты IBM решили не копировать эти расширения VGA, а начать выпуск более дешевых видеоадаптеров с раз­решением, которое выше разрешения IBM. Эти видеоадаптеры образовали категорию Super VGA (SVGA). Посколь­ку SVGA-карты не были так же хорошо стандартизированы, как VGA, они отли­чаются, мягко говоря, большим разно­образием. Чтобы использовать все воз­можности большинства плат, был необ­ходим драйвер для конкретной видеоп­латы. В октябре 1989 года ассоциация VESA[11]
, учитывая все сложности, предложила стандарт для единого программного интерфейса с этими пла­тами. В эту ассоциацию вошли представители большинства компаний, выпускающих аппаратуру для ПК, в том числе и аппаратуру отображения. Но­вый стандарт был назван VESA BIOS Extension. Если видеоадаптер удовлет­воряет этому стандарту, программно можно легко определить его специфи­ческие соответствия и использовать их в дальнейшем. Существующий стан­дарт VESA на платы Super VGA предус­матривает использование практически всех распространенных вариантов фор­товых оттенков, вплоть до разрешения 1280x1024 при 16777216 оттенках (high color). Отличительной чертой SVGA является встроенный графический акселератор, который присутствовал практи­чески на всех SVGA-видеоадаптерах. Его появление связано с развитием графических ОС и, в частности, MS Windows.

VESA
Local
Bus

До появления SVGA для работы с гра­фикой использовались стандартные периферийные шины (ISA, EISA), но с ростом качества изображения пропускной способности стало не хватать. Для ускорения работы с графи­кой ассоциацией VESA была разрабо­тана шина, и, соответственно, уста­новлен стандарт VLB[12]
или VESA, представлявшая собой до­полнительный порт, расположенный за EISA-разъемом, в который устанавли­вались платы с дополнительной гре­бенкой контактов. Эта шина использовалась на последних поколениях 386-х и на 486-х. Но с появлением новой ши­ны PCI[13]
, которая обеспечила зна­чительное ускорение работы со всеми периферийными устройствами и име­ла хорошие перспективы развития, VL-Bus стала неактуальна, и в системах на базе Pentium и его аналогов ее уже не было.

2
D
-ускорители

Аппаратное ускорение заключа­ется в том, что, поимо элементарных операций, предусмотренных самим стандартом VGA, адаптер способен вы­полнять и действия более высокого уровня без участия центрального про­цессора. Например, построение линии по двум точкам вполне может быть возложено на плечи графического процессора. Ускорение обуславливается не только тем, что ресурсы процессора освобождаются для других целей, но также еще и тем, что GPU куда лучше приспособлен для подобных операций и выполняет их быстрее, чем даже дос­таточно мощный CPU. 2D-акселератор берет на себя прорисовку, например, таких элементов, как рабочий стол, ок­на приложений, курсор и так далее. Ус­коритель - это специализированный процессор, который способен выводить геометрические фигуры и примитивы, которые были занесены в GDI[14]
. На видео­адаптерах устанавливается память, с которой графический процессор рабо­тает по локальной шине, не загружая системную шину процессора. От CPU 2D-акселератор получает GDI-инструк­ции, при этом объем передаваемых данных многократно меньше. Позднее, с развитием компьютерной техники по­являются мультимедиа-акселераторы. Они, помимо ускорения обычных гра­фических действий, могут выпол­нять ряд операций по обработ­ке видеоданных (напри­мер, декодирование мощностей и серьезно загружающих центральный процессор. Сейчас воз­можность аппаратной цифровой комп­рессии и декомпрессии видео, наличие композитного видеовыхода и вывод сигнала на телевизор - являются стан­дартными функциями.

С появлением мультимедиа-акселераторов и логики для видеозахвата и работы с теле­сигналом развитие двухмер­ных видеокарт практически закончилось - придумать что-то новое в этой области нере­ально. Все дальнейшее разви­тие видеоадаптеров (удвоение числа транзисторов в GPU чуть ли не каждые полгода, рост частот, наращивание объема видеопамяти) связано с обработкой и выводом трех­мерного изображения. Но это уже тема для отдельного ис­следования.

Тестирование

Вроде бы совсем еще недавно мы тестировали hi-end видеоплаты. И вот проходит совсем немного времени, и мы снова делаем то же самое. Время не стоит на месте, и старых фаворитов теперь можно смело отнести к сегменту middle-end. Вечные конкуренты – компании ATI и NVIDIA – сделали мощный рывок вперед, подняв на новый уровень производительность и красоту графики в играх, и пользователи продолжают получать выгоду от конкурентной борьбы - ведь старые платы дешевеют. Пока не вышли S.T.A.L.K.E.R., Half-Life 2 и другие игры, которые в полной мере смогут использовать потенциал новых плат, можно поиграть в старые хиты, выставляя мак­симальные графические настройки, совершенно не задумываясь о тормозах, и получать удовольствие от огромных цифр в результатах тестов. Кроме проведения исследования производительности, мы также обращали внимание на возможность разгона новых плат. Также для сравнения и полного понимания мощи новинок в обзор были включены несколько плат предыдущего поколения.

Тестируемое оборудование

Asus
V9980 Ultra 256 Мб

Chaintech
GeForce 6800 Ultra 256 Мб

Gigabyte
GeForce 6800 GT 256 Мб

Leadtek
A400TDH128 Мб

Leadtek
A400 GT TDH 256 Мб

Leadtek
A400 Ultra TDH 256 Мб

Galaxy
Glacier GeForce 6800 128 Мб

NVIDIA
GeForce 6800128 Мб

NVIDIA
GeForce 6800 GT 256 Мб

NVIDIA
GeForce 6800 Ultra 256 Мб

PowerColor
Radeon X800 PRO 256 Мб

PowerColor
Radeon 9800 PE 128 Мб