05 - Архітектура персонального комп'ютера

Тема 9 - Відеокарта. Звукова карта.

Конспект лекції

Ключові терміни:

MIDI стандарт, відеоадаптер, відеокарта, відеоконтролер, графічний режим, прискорений графічний порт AGP, програмний інтерфейс, синтезатор, текстовий режим, цифро-аналоговий перетворювач

9.1 Відеоадаптер

Відеоадаптер (відеокарта, відеоплата) - це пристрій, що здійснює інтерфейс з комп'ютером при підключенні монітора. Кожен комп'ютер має відеокарту, виключаючи ті, в яких вся необхідна електроніка вбудована прямо в материнську плату (в цьому випадку можна встановити нову відеокарту, але стару доведеться попередньо відключити).

Фізично відеокарта являє собою багатошарову друкарську плату, на якій змонтовані мікросхеми, конденсатори і деякі інші деталі, а також роз'єми для підключення монітора (одного або двох), і, у багатьох випадках, телевізора. Окремі моделі мають відеовхід, виконаний у вигляді роз'єму RCA, а іноді він поєднується з відеовиходом.

Функціонально відеоадаптер складається з декількох обов'язкових блоків:

9.1.1. Процесор відеокарти

Перші комп'ютерні відеокарти були побудовані за принципом кадрового буфера, згідно з яким власне зображення формувалося центральним процесором комп'ютера і програмним забезпеченням, а карта відповідала лише за зберігання (в буфері пам'яті) і виведення з певною частотою окремих кадрів на монітор. Однак підвищення вимог до якості зображення, пов'язане з появою складних тривимірних комп'ютерних ігор і професійних конструкторських систем, привело до необхідності створення спеціалізованого процесора, який би займався виключно формуванням (точніше, розрахунком) зображення. При цьому центральний процесор комп'ютера звільнився практично від всіх функцій, пов'язаних з побудовою зображення. Сучасні графічні процесори по складності не поступаються центральним процесорам, і більш того, у багатьох популярних моделях використовуються технології, ще не знайшли застосування в центральних процесорах.

Спочатку дані в цифровому вигляді з шини потрапляють в відеопроцесор, де вони починають оброблятися. Після цього оброблені цифрові дані направляються в відеопам'ять, де створюється образ зображення, яке повинно бути виведено на дисплеї.

Для виключення конфліктів при зверненні до пам'яті з боку відеоконтролера і центрального процесора перший має окремий буфер, який у вільний від звернень ЦП час заповнюється даними з відеопам'яті.

Якщо конфлікту уникнути не вдається - відеоконтроллеру доводиться затримувати звернення ЦП до відеопам'яті, що знижує продуктивність системи; для виключення подібних конфліктів у ряді карт застосовується так звана двох портова пам'ять, яка припускає одночасні звернення з боку двох пристроїв.

Перш ніж стати зображенням на моніторі, двійкові цифрові дані обробляються центральним процесором, потім через шину даних направляються в відеоадаптер, де вони обробляються і перетворюються в аналогові дані і вже після цього направляються в монітор і формують зображення. Потім, все ще в цифровому форматі, дані, що утворюють образ, передаються в RAMDAC, де вони конвертуються в аналоговий вигляд, після чого передаються в монітор, на якому виводиться потрібне зображення.

Таким чином, майже на всьому шляху проходження цифрових даних над ними виконуються різні операції перетворення, стискання та зберігання. Оптимізуючи ці операції, можна домогтися підвищення продуктивності всієї відеопідсистеми. Лише останній відрізок шляху, від RAMDAC до монітора, коли дані мають аналоговий вигляд, не можна оптимізувати.

Крім внутрішньої архітектури, яка у різних відеопроцесорів може істотно відрізнятися, вони характеризуються параметрами:

На продуктивність графічної підсистеми впливають кілька факторів:

Для збільшення продуктивності графічної підсистеми настільки, наскільки це можливо, доводиться знижувати до мінімуму всі перешкоди на цьому шляху. Графічний контролер виконує обробку графічних функцій, що вимагають інтенсивних обчислень, в результаті розвантажується центральний процесор системи. Звідси випливає, що графічний контролер повинен оперувати своєї власної, можна навіть сказати приватної, місцевої пам'яттю. Тип пам'яті, в якій зберігаються графічні дані, називається буфер кадру (frame buffer). У системах, орієнтованих на обробку 3D-додатків, потрібно ще й наявність спеціальної пам'яті, званої z-буфер (z-buffer), в якому зберігається інформація про глибину зображуваної сцени. Також, в деяких системах може матися власна пам'ять текстур (texture memory), тобто пам'ять для зберігання елементів, з яких формуються поверхні об'єкта. Наявність текстурних карт ключовим чином впливає на реалістичність зображення тривимірних сцен.

9.1.2. Відеопам'ять

Відеопам'ять служить для зберігання зображення - грає роль кадрового буфера. Центральний процесор комп'ютера направляє відеодані в цю спеціалізовану пам'ять, а потім графічний процесор відеокарти зчитує звідти отриману інформацію.

Природно, для забезпечення ефективної передачі даних важливою пропускна здатність відеопам'яті, яка характеризується розрядністю, ефективна частотою роботи шини, по якій передаються дані з відеопам'яті до графічного процесору і латентністю (latency - час затримки при передачі даних) мікросхем пам'яті.

Обсяг відеопам'яті, встановленої на карті, важливий не стільки для прискорення швидкості роботи самої карти, яка визначається, в значній мірі, пропускною здатністю всієї відеосистеми, скільки для роботи з тривимірними зображеннями з високими дозволами і великою глибиною кольору. Максимально можливий повний дозвіл відеокарти - AxBxC, де A - кількість точок по горизонталі, B - по вертикалі, і C - кількість розрядів, необхідна для зберігання можливих кольорів кожної точки. Наприклад, для дозволу 640x480x16 досить 256 Кб, для 800x600x256 - 512 Кб, для 1024x768x65536 (інше позначення - 1024x768x64k) - 2 Мб, і т.д. Оскільки для зберігання квітів відводиться ціла кількість розрядів, кількість кольорів завжди є ступенем двійки (16 кольорів - 4 розряду, 256 - 8 розрядів, 64k - 16, і т.д.).

9.1.3. Прискорений Графічний Порт (AGP)

Прискорений графічний порт (AGP) - це розширення шини PCI, чиє призначення - обробка великих масивів даних 3D графіки. Intel розробляла AGP для вирішення двох проблем перед впровадженням 3D графіки на PCI. По-перше, 3D графіці потрібно якнайбільше пам'яті інформації текстурних карт (texture maps) і z-буфера (z-buffer). Чим більше текстурних карт доступно для 3D додатків, тим краще виглядає кінцевий результат. При нормальних обставинах z-буфер, який містить інформацію, що відноситься до подання глибини зображення, використовує ту ж пам'ять, що й текстури. Цей конфлікт надає розробникам 3D безліч варіантів для вибору оптимального рішення, що вони прив'язують до великої значимості пам'яті для текстур і z-буфера, і результати безпосередньо впливають на якість виведеного зображення.

Якщо визначити коротко, що таке AGP, це - пряме з'єднання між графічної підсистемою і системної пам'яттю. Це рішення дозволяє забезпечити значно кращі показники передачі даних, ніж при передачі через шину PCI, і вочевидь розробляли, щоб задовольнити вимогам виведення 3D графіки в режимі реального часу. AGP дозволить ефективніше використовувати пам'ять сторінкового буфера (frame buffer), тим самим збільшуючи продуктивність 2D графіки, як збільшуючи швидкість проходження потоку даних 3D графіки через систему.

Через AGP можна підключити тільки один тип пристроїв - це графічна плата. Графічні системи, вбудовані в материнську плату і використовують AGP, не можуть бути поліпшені.

9.1.4. Програмний інтерфейс API

Для реалізації різних можливостей, закладених в графічні процесори, використовуються прикладні програмні бібліотеки або програмні інтерфейси (Application Programming Interface - API, інтерфейс для програмування додатків). Програмний інтерфейс - це як би проміжна сходинка між прикладними програмами та низькорівневими командами драйвера відеокарти. API дозволяє не тільки підвищити ефективність використання апаратного потенціалу графічного прискорювача, але і дає можливість програмно емулювати деякі функції, які не підтримує відкритий апаратно.

Крім усього іншого, саме завдяки API забезпечується максимальна сумісність програмних продуктів і систем команд графічних процесорів. Різні чіпи підтримують різні API, причому по підтримуваної версії програмного інтерфейсу можна в переважній більшості випадків визначити клас і покоління відеокарти, якщо, звичайно, вона не являє собою вузькоспеціалізований продукт.

9.1.5. Цифро-аналоговий перетворювач

Графічний процесор отримує інформацію про зображення з пам'яті відеокарти, після чого дані передаються в цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП, DAC або RAMDAC) - пристрій, який служить для перетворення результуючого потоку даних, формованого відеоконтролером, у рівні інтенсивності кольору, що подаються на монітор. Більш точно можна сказати, що RAMDAC безпосередньо відповідає за конвертацію цифрових даних про зображення в аналоговий сигнал, "зрозумілий" будь-якого монітора. Дві частини ЦАП RAM і DAC звичайно не розглядаються роздільно, вони завжди вживаються разом, одним словом. Але саме Dac-частина призначена для перетворення цифрового сигналу в аналоговий

Головні характеристики RAMDAC - це тактова частота і розрядність. Багато сучасні відеокарти підтримують одночасну роботу з двома моніторами, тому в такі карти встановлюються по два RAMDAC і, відповідно по два роз'єми для підключення монітора. У переважній більшості відеокарт є також вихід на телевізор, що дозволяє переглядати, скажімо, мультимедійні програми або фільми, на великому екрані. Працювати з комп'ютерними програмами на екрані телевізора неможливо не тільки з за скромного дозволу телеприймача, але й через низьку частоти розгортки, тому високої якості зображення на ТВ-вихід очікувати не варто. Втім, для перегляду фільмів у форматі MPEG-4 якості відеовиходу цілком достатньо навіть для 29-дюймового телевізора.

9.1.6. Відеорежими.

При роботі на ПК користувач може встановити тільки один з відеорежимів:

Графічний режим - кожен піксель має доступ за певною адресою, що дозволяє забезпечувати відображення пікселя або його відсутність. Відеоплата може змінювати атрибути точки - кольору або мерехтіння. Роздільна здатність, наприклад для плати VGA - 480 рядків по 640 пікселів в кожному (640х480)

Текстовий режим - екран містить тільки текстові символи і не використовується для графічних додатків. Екран монітора розділений на великі області (пікселі не мають власної адреси), кожна з яких містить один символ. Відеоплата може змінювати сам символ і його колір. В текстовому режимі роздільна здатність вказується не числом пікселів, а числом символів. Наприклад, у звичайному текстовому режимі може відображатися по 800 символів в 25 рядках

Кожен відеорежим має свої відмінні властивості, і прикладна програма вибирає найбільш відповідний режим.

9.2 Звукова карта

9.2.1. Класифікація.

Всі звукові плати, які використовуються в ПК можна розділити на три групи за їх призначенням:

У комбінованих картах можна виділити чотири блоки:

У дочірніх платах основними блоками є власне музичний синтезатор та блок MIDI-інтеpфейса, чеpез який плата отримує MIDI-повідомлення з основної картки. Синтезатор обов'язково має ПЗП різного обсягу; наявність ОЗП можливе, але незручно, оскільки MIDI є досить повільним для завантаження оцифровок інтерфейсом. Синтезований звук повертається в основну карту по аналоговому стереоканалу.

9.2.2. Основні характеристики.

Основні паpаметpах звукової карти - pазpядність, максимальна частота дискретизації, кількість каналів (моно/стерео), паpаметpи синтезатора, pозширенність, сумісність.

Pозpядність карти - pозpядність цифрового подання звуку. Існують 8-бітові, 16-бітові, 32-бітові та 64-бітові мережеві карти. 8-pазpядність карти дають якість звуку, близьку до телефонного; 16-pазpядність вже підходять під визначення "Hi-Fi" і теоретично можуть забезпечити студійну якість звучання, хоча практично це реалізується дуже рідко. Розрядність подання звуку не має ніякого зв'язку з pозpядністю системної шини для карти, однак карта для 32-pозpядної шини MCA, EISA, VLB або PCI буде працювати із трохи меншими накладними витратами на запис/відтворення оцифрованого звуку, ніж карта для ISA.

Максимальна частота дискретизації (оцифровки) визначає максимальну частоту записуваного/відтвореного сигналу, яка приблизно дорівнює половині частоти дискретизації. Для запису / відтворення мови може бути досить 6-8 кГц, для музики середньої якості - 20-25 кГц, для високоякісного звучання необхідно 44 кГц і більше. У деяких картах можна підвищити частоту дискретизації ціною відмови від стереозвуку: два канали по 22 кГц, або один канал на 44 кГц.

Швидкість передачі: 10Mbit/s (20Mbit/s - у режимі Full Duplex), 100Mbit/s (200Mbit/s - у режимі Full Duplex), 1000Mbit/s.

Параметри синтезатора визначають можливості карти в синтезі звуку і музики. Тип синтезу - FM чи WT - визначає вид звучання музики: на FM-синтезатоp інструменти звучать дуже бідно, зі "дзвінким" відтінком, імітація класичних інструментів дуже умовна; на WT-синтезатоp звучання більш "живе", "соковите", класичні інструменти звучать природно, а синтетичні - більш приємно, на хороших WT-синтезатоpах може навіть створитися враження "живої гри" чи "слухання CD". Число голосів (polyphony) визначає граничну кількість елементарних звуків, що можуть звучати одночасно. Обсяг ПЗП чи ОЗП WT-синтезатоpа говорить про кількість різних інструментів або як їх звучання (ПЗУ на 4 Мб може містити 500 інструментів середньої якості або звичайний, але хороший GM), але великий обсяг ПЗП не означає автоматично гарної якості семплів, і навпаки. Для власного музичної творчості велике значення мають можливості синтезатора по обpаботки звуку (огинають, модуляція, фільтрування, наявність ефект-процесора), а також можливість завантаження нових інструментів.

Розширюваність визначає можливості по підключенню додаткових пристроїв, установці мікросхем, pозширення об'єму ПЗП чи ОЗП і т.п. На багатьох картах є 26-pозрядний внутрішній роз'єм для підключення дочірньої плати, що представляє собою додатковий WT-синтезатоp. Практично на кожній карті є роз'єм для підключення CD-ROM для підключення до студійного устаткування, роз'єми для підключення модему та інші. Деякі карти допускають установку DSP і додаткової пам'яті для семплів WT-синтезатоpа.

Сумісність - зараз найчастіше розуміється сумісність з моделями Sound Blaster - зазвичай SB Pro і SB 16 (для карт виробництва Creative і карт на мікросхемі Creative Vibra 16). Сумісність з SB Pro має на увазі сумісність і з AdLib - однієї з перших звукових карт для IBM PC. Основні відмінності SB 16 від SB Pro: SB Pro - 8-pазpядная карта, допускає запис / відтворення одного каналу з частотою дискретизації 44.1 кГц або двох каналів із частотою 22.05 кГц; SB 16 - 16-pазpядная карта, допускає запис / відтворення з частотою до 44.1 кГц, має автоматичну pегулиpовки рівня з мікрофона та програмно pегулиpовки тембру. Обидві карти мають стереофонічний FM-синтезатоp (OPL3). Багато SB Pro-сумісні картки насправді 16-pазpядность, але більшість пpогpамм використовує їх тільки в 8-pазpядность режимі SB Pro.

Тип шини даних, по якій йде обмін інформацією між материнською платою і мережевою картою: ISA, EISA, VL-Bus, PCI, PCMCIA, USB.

9.2.3. Роз'єми.

На типовій звукової карти можуть знаходитися такі роз'єми (рис.9.1):

Зовнішні:

  1. Ігровий, або MIDI-порт. Самий великий і помітний 15-контактний роз'єм-гніздо, призначений для підключення джойстика, MIDI-клавіатури або чогось іншого, працюючого через MIDI-інтерфейс, наприклад синтезатор. Останнім часом Microsoft c Intel і деякими іншими компаніями активно нападають на цей порт і кажуть, що в сучасному комп'ютері йому не місце, але він, очевидно, вмирати поки не збирається.
  2. Лінійний вхід
  3. Мікрофонний вхід
  4. Лінійний вихід для підключення активних колонок або підсилювача. Він може бути не один, якщо плата розрахована на підключення більше двох колонок.
  5. Аудіовихід, на який подається пройшов через вбудований в карту малопотужний (2-4 вата на канал) підсилювач сигнал. Так як якість цього підсилювача навіть на дорогих платах залишає бажати кращого, то годиться тільки для підключення невеликих навушників. Часто цей вихід не присутній окремо, а вибирається шляхом зміни режиму роботи лінійного виходу шляхом відповідного джампера на платі. У цьому випадку, якщо ви нічого не змінювали, вихідного роз'єму за замовчуванням звичайно вже відповідає режим лінійного виходу. Більш докладно про це повинно бути розказано в документації на плату.
  6. Цифровий вихід - він призначений для підключення зовнішніх цифрових пристроїв, наприклад цифрового ресівера. Зустрічається тільки на досить дорогих картах.
  7. Цифровий вхід - зустрічається ще рідше, ніж цифровий вихід.

Внутрішні:

  1. Внутрішній вхід - зазвичай використовується для підключення CD-ROM.
  2. Внутрішній вихід
  3. Цифровий вхід SPDIF. Зазвичай використовується для цифрового підключення CD-ROM'а. Якщо такий роз'єм є, то для підключення CD (DVD) потрібно використовувати тільки його, так як ЦАП приводу зазвичай має саме невисока якість і звукова карта впорається з відтворенням звуку набагато краще. Правда, такий роз'єм є тільки на хороших платах.
  4. Додаткові роз'єми для внутрішнього підключення таких пристроїв, як модем, плата відеомонтажу або TV-тюнер та іншого.

 

Рисунок 9.1 - Типи роз'ємів звукової карти

9.2.4. Принцип роботи звукової карти

 Комп'ютери є цифровими; вони воліють працювати з дискретними величинами (двійковими кодами). Щоб працювати з дискретними величинами, тобто вводити в комп'ютер аналоговий звуковий сигнал і виводити з комп'ютера аналоговий звуковий сигнал на звукові колонки, звукова карта виконує перетворення аналогового сигналу в сигнал двійкового коду (цифровий сигнал) і навпаки. Це основна виконувана функція звукової карти.

Звуковий сигнал з мікрофону або плеєра подається на один із входів звукової карти (рис. 9.2). Це аналоговий сигнал. Він надходить на вхідний мікшер, який служить для змішування сигналів, якщо їх надходить на вхід кілька. Потім сигнал з вхідного мікшера надходить на аналого-цифровий перетворювач (АЦП), за допомогою якого відбувається оцифрування аналогового сигналу, тобто перетворення його в дискретний двійковий сигнал.

Рисунок 9.2 - Ілюстрація до функціонування звукової карти

Потім цифрові дані надходять в процесор (DSP - Digital Signal Processor), який управляє обміном даними з комп'ютером через шину PCI материнської плати.

Коли центральний процесор комп'ютера виконує програму запису звуку, то цифрові дані надходять через шину PCI або прямо на жорсткий диск, або в оперативну пам'ять комп'ютера. Присвоївши цими даними ім'я, ми отримаємо звуковий файл.

При відтворенні цього звукового файлу дані з жорсткого диска через шину PCI надходять в сигнальний процесор звукової плати, який направляє їх на цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП). ЦАП перетворює двійковий сигнал в аналоговий. Електричний сигнал, отриманий в результаті перетворення, надходить на вихідний мікшер. Цей мікшер ідентичний вхідному і управляється за допомогою тієї ж самої програми. Сигнал з вихідного мікшера надходить на лінійний вихід звукової карти і вихід на звукові колонки, підключивши до якого колонки або навушники ми чуємо звук.

На будь універсальній мультимедійній звуковий карті є вбудований синтезатор - пристрій, який синтезує звуки заданих частот і тембрів. Він використовується також для управління роботою електромузичних інструментів на основі стандарту MIDI (наприклад синтезатор).

MIDI стандарт (stands) для цифровий інтерфейс музичних інструментів (Musical Instrument Digital Interface), - це стандартний протокол обладнання та програмного забезпечення для можливості з'єднання (обміну інформацією) музичних інструментів один з одним. Щоб використовувати його в якості музичного інструменту до MIDI-порту підключають MIDI-клавіатуру, або автономний синтезатор, який може служити як клавіатури.

Таким чином, основні функції звукової карти полягають у наступному:

Тема 9 - Відеокарта. Звукова карта. Стислий конспект
© 2016 СумГУ
created with Lectur'EDbeta