Учебное пособие «Периферийные устройства вычислительных систем»

2.3. Лазерный принтер

2.3.1. Обобщённая структурная схема

Обобщённая структура лазерного принтера изображена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Обобщенная структура лазерного принтера

1-генератор лазера, 2-вращающееся зеркало, 3-лазерный луч, 4-валики, подающие бумагу, 5-барабан девелопер, 6-фотобарабан, 7,9-узел фиксации изображения (механизм нагрева бумаги), 8-механизм “зарядки” бумаги

Сердцем лазерного принтера является фотопроводящий цилиндр (6), (фотобарабан), с помощью которого производится перенос изображения на бумагу.

Следующей важной частью принтера является лазер (1) и оптико-механическая система (2), перемещающая луч. Малогабаритный лазер генерирует тонкий световой луч, отражающийся от вращающегося зеркала (как правило, шестигранного), разряжает положительно заряженную поверхность барабана. Чтобы получилось изображение, лазер включается и выключается управляющим микроконтроллером.

Алгоритм создания изображения может быть описан следующей последовательностью:

Вращающееся зеркало разворачивает луч в строку на поверхности печатающего барабана. Все это вместе создает на его поверхности строку скрытого изображения, в котором те участки, которые должны быть черными, имеют один заряд, а белые - противоположный.
После формирования строки изображения, специальный шаговый двигатель поворачивает барабан так, чтобы можно было формировать следующую строку. Это смещение равняется разрешающей способности принтера и обычно составляет 1/300, 1/600 дюйма. Данный этап печати напоминает построение изображения на экране телевизионного монитора.
На следующем рабочем шаге другой барабан - девелопер (developer) (5) наносит на фотобарабан тонер - мельчайшую красящую пыль. Под действием статического заряда мелкие частицы тонера легко притягиваются к поверхности барабана и формируют на нем изображение.
Следующим этапом является перенос тонера, значит и изображения на бумагу. Бумага вытягивается из подающего лотка и с помощью системы валиков (4) перемещается к печатающему барабану. Перед самым барабаном бумаге сообщается статистический заряд с помощью механизма зарядки бумаги (8). Затем бумага прижимается к поверхности барабана. Заряды разной полярности, накопленные на поверхности бумаги и на поверхности барабана, вызывают перенос частиц тонера на бумагу и их надежное прилипание.
Следующим звеном принтера, встречающего бумагу с изображением на этом пути, является узел фиксации изображения (7, 9). Тонер содержит вещество, способное легко плавиться. Обычно это какой-нибудь полимер или смола. При нагревании до C и повышении давления порошок расплавляется и соединяется с поверхностью бумаги. Только что вышедшие из принтера листы теплые. Далее бумага протаскивается к выходному лотку.

2.3.2. Цифровая обработка полутонов

Каждое периферийное устройство (принтер, сканер, дисплей), которое вводит или выводит изображение, имеет конкретное разрешение. Лазерные принтеры формируют изображение путем позиционирования точек на бумаге (растровый метод). Луч не может иметь переменный размер для создания растровых точек изменяющегося размера. Поэтому процесс растрирования заключается в объединении "реальных" точек, создаваемых лазерным лучом, в группы, образующие растровые точки.

Рисование на растровом устройстве заключается в вычислении точек, которые покрываются элементами графического изображения, и выводе этих точек на устройство. Процесс вычисления точек изображения называется растрированием или растеризацией (английский термин - rasterization).

Рис. 2.2а,б поясняет растрирование. Слева на этом рисунке показано исходное изображение, на которое наложена сетка 14×13, справа - результат растрирования.

(а)- исходное изображение (б)- результат растрирования

Рис. 2.2а,б. Растрирование изображения

Растрирование изображений является сложным преобразованием, поэтому в подавляющем большинстве случаев оно выполняется при помощи системных функций и частично - самим устройством.

Растровая форма описывается тремя параметрами: пространственной частотой, формой точки и углом поворота. Каждый из этих факторов по-своему влияет на качество отпечатанного изображения.

 Пространственная частота растра

Пространственная частота растра, линиатура, определяет плотность сетки полутонового растра и, следовательно, кажущийся уровень детальности в изображении. Пространственная частота растра измеряется в линиях на дюйм [Lpi]. Из рис. 2.3 видно, что объем видимых деталей отпечатанной иллюстрации увеличивается с ростом пространственной частоты растра.

Рис. 2.3. Влияние линиатуры на детальность изображения

Характеристики печатной машины, тип документа и технология печати - вот факторы, обычно определяющие пространственную частоту растра, которую следует использовать в конкретном проекте. В табл. 2.2 дана сводка типичных пространственных частот растра, используемых при печати различных документов.

Таблица 2.2

Тип документа	Параметры печати	Диапазон пространственной частоты растра (Lpi)
Художественные книги	Листовая печатная машина / мелованная бумага	150—300
Информационные бюллетени, формы, объявления	Листовая печатная машина / немелованная бумага	100—133
Большая часть массовых печатных работ среднего качества	Термостатическая рулонная печатная машина / немелованная бумага	90—133
Газеты, каталоги на газетной бумаге	Газетная печатная машина / газетная бумага	65—100

 Полутоновые ячейки, пятна и точки

Цифровые устройства обработки полутонов (лазерные принтеры) могут создавать только точки фиксированного размера (пятна). Для моделирования точек растра переменного размера эти устройства группируют пятна фиксированного размера в матрицу, называемую полутоновой ячейкой (рис. 2.4). Количество потенциально возможных тонов, которые может воспроизвести данная полутоновая ячейка, зависит как от пространственной частоты растра, так и от разрешения печатающего устройства, но отдельная полутоновая ячейка воспроизводит только один оттенок серого.

Плотность этого оттенка и размер точки растра непосредственно связаны с числом пятен фиксированного размера в каждой полутоновой ячейке, которая, в свою очередь, определяется числовым значением (от 0 до 255), назначаемым для каждого пиксела.

Полутоновая ячейка. Пятна, формирующие точку растра

Рис. 2.4. Формирование оттенков серого в полутоновой ячейке

100% черного 60% серого 30% серого

Рис. 2.5. Получение диапазона тонов

Растрирование позволяет с помощью краски одного цвета воспроизвести широкий диапазон тонов, варьируя размер точек краски на странице для выражения различных тонов, обнаруженных в изображении (рис. 2.5).

 Линиатура и количество градаций серого

Отношение разрешающей способности устройства вывода к линиатуре растра дает величину стороны ячейки растра, измеренную в точках принтера.

Максимальное количество точек принтера, образующих растровую точку, равно квадрату стороны ячейки. Так, например, если линиатура растра установлена в 100 Lpi (линий на дюйм), а разрешение принтера - 600 dpi (точек на дюйм), то сторона ячейки растра равна 600/100 = 6 точек. При этих условиях растровая точка формируется из 6х6 == 36 точек принтера. Эта цифра определяет количество оттенков серого, которое способен передать растр с заданными параметрами. В общем случае количество оттенков N, передаваемое растром, определяется как:

,

где dpi - разрешение устройства вывода, а lpi - линиатура печати.

Прибавленная единица соответствует белому цвету, когда растровая ячейка вообще не заполнена. Параметры растрирования рассчитываются исходя из необходимости передачи всех оттенков, которые дает компьютерный оригинал, т.е. 256 оттенков при 8-битных полутоновых канала.

Когда мы помещаем дополнительные точки растра на каждый линейный дюйм, то в полутоновой ячейке уменьшается количество доступных пятен в каждой горизонтальной линии сетки. С ростом плотности растра пропорционально уменьшается число серых оттенков, которые может воспроизводить каждая полутоновая ячейка. Так, лазерный принтер с разрешением 300 dpi может вывести не более 33 градаций серого при плотности растра 53 линии на дюйм [(300/53)² + 1 = ~33]. Если увеличить плотность растра до 75 линий на дюйм, то получим [(300/75)² + 1 = ~17]. Рассуждая аналогичным образом, можно показать, что принтер с разрешением 600 dpi может воспроизводить 65 тонов при плотности растра 75 линий на дюйм, а принтер с разрешением 1200 dpi может вывести 178 тонов при плотности растра 90 линий на дюйм. При чрезвычайно низких пространственных частотах растра (10-30 lpi) форма точки легко просматривается, но с увеличением плотности растра ее становится все труднее обнаружить невооруженным глазом.

 Форма точки

Вторая характеристика цифровых растровых форм - форма точки растра. Предлагается множество форм точки для растрирования - круги, квадраты, эллипсы, линии, ромбы, кресты и так далее (рис. 2.6). Круглые точки часто используются для печати фотоснимков продукции, эллиптические - для сюжетов с людьми, а квадратные - для четкого рисунка. Круглые или эллиптические точки обычно лучше всего подходят для черно-белой печати; эллиптические - для цветной печати.

Рис 2.6. Различные формы растровых точек

 Угол поворота растра

Угол поворота растра является важным фактором полутонового растрирования. Именно углы поворота определяют, останется ли незаметной иллюзия, созданная растровой структурой, или она будет резать глаза. При печати полутоновых изображений растровую структуру всегда поворачивают на некоторый угол.

Угол наклона растра - это величина относительного угла поворота растровых точек друг относительно друга и относительно общей оси изображения. Этот параметр принимает особое значение при цветной печати, так как печать каждой краски осуществляется с использованием разных углов наклона растра для каждой из использованных красок.

На рис. 2.7 показан пример растра с углами наклона в 15, 0 и 45 градусов. Для серых полутоновых изображений заданный по умолчанию угол - 45 градусов. Для цветных изображений четыре печатные формы системы CMYK поворачиваются на разные углы: черный цвет - самый темный и его растр повернут на максимальный угол относительно растров прочих цветов. Растры голубого и пурпурного цветов повернуты на 15 градусов относительно вертикали, но в противоположных направлениях. Самый светлый цвет, желтый, можно безопасно растрировать с использованием углов 0 или 90 градусов.

Рис. 2.7. Различные углы наклона растра

При печати печатные формы надлежащим образом совмещаются, четыре цвета сводятся вместе и точки формируют небольшие кластеры, напоминающие по форме розу - розетки (рис. 2.8).

Розетки растра (raster rosette) - это элементарные ячейки изображения, состоящие из набора растровых точек, формирующих это изображение. Это простые, геометрически правильные узоры, образуемые на бумаге целыми группами растровых точек различных цветов. Понятие розетки растра имеет смысл только при рассмотрении цветной печати.

Рис. 2.8. Растровая розетка

 Методы улучшения печати

Есть три фактора повышения физического разрешения лазерного принтера:

1) улучшение механической части, проворачивающей фотобарабан и формирующей таким образом горизонтальное разрешение принтера. Это наиболее сложно поддающаяся модификации система, поэтому ее предпочитают изменять в последнюю очередь, когда все остальные средства уже использованы;

2) уменьшение светового пятна, производимого лазером. Впрочем, повысить физическое разрешение более 600 dpi нелегко, поскольку размер пятна используемого в принтерах велик;

3) уменьшение размера частичек тонера. Это дает результат только после произведения первых двух модификаций.

В 1990 году Hewlett-Packard выпустил серию принтеров LaserJet III, которая использовала технологию улучшения разрешения (RET - Resolution Enhancement Technology).

Без технологии RET тонер скапливается в местах пересечения линий.

При использовании технологии RET уменьшаются размеры точек в местах пересечений, предупреждая скапливания тонера в них (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Повышение качества печати с помощью технологии RET

2.3.3. Основные характеристики лазерного принтера

 Скорость печати (страницы в минуту): средний лазерный принтер печатает 4, а в лучшем случае - 6, 8 страниц в минуту. Высокопроизводительные принтеры могут обеспечить 20 и более страниц в минуту.

 Разрешение

Вертикальное разрешение соответствует шагу барабана и для большинства принтеров составляет 1/600 дюйма.

Горизонтальное разрешение определяется числом точек в строке и ограничено точностью наведения лазерного луча.

2.4. Языки принтера PCL и PostScript

Пользователям не приходится напрямую сталкиваться с языком описания страниц (page description language), однако, это одна из важнейших характеристик устройства вывода на печать, которая определяет класс и область применения принтера. Язык описания страниц используется во время обмена данными между драйвером и устройством вывода на печать, чтобы как можно точнее описать то изображение, которое будет получено на бумаге. В современных цветных лазерных (электрофотографических) принтерах используются только два языка-PCL и PostScript.

Язык описания страниц (язык управления принтером) полностью определяет: тип шрифтов, способ кодирования изображения, команды управления принтером и используемые методы форматирования документов.

2.4.1. PCL-(Printer Control Language)

В PCL используются стандартные шрифты TTF (True Type Font) систем Windows, в то время как в PostScript применяются одноимённые собственные шрифты.

Однако основное отличие состоит в концепции языков описания страниц. Если PCL предназначен для управления работой принтера, т.е. определяет поток команд управления, то PostScript служит для аппаратно-независимого описания страницы. Проще говоря, для создания графического изображения принтер должен интерпретировать описания на языке PostScript. Однако для вывода документа на языке PCL принтеру достаточно выполнить понятные и знакомые команды этого языка.

Для одной и той же страницы описание на языке PCL занимает меньше места и обрабатывается принтером быстрее, чем описание на языке PostScript.

2.4.2. HP-GL (Hewlett-Packard Gtaphics Language)

HP-GL представляет собой индустриальную норму для чертежных принтеров или плоттеров. Он является расширением PCL. Туда входят инструкции, с помощью которых можно поворачивать изображение на любой угол или отображать зеркально.

Геометрические фигуры (круг, прямоугольник или линии) генерируются с помощью HP-GL существенно быстрее, чем с помощью PCL.

2.4.3. PostScript

PostScript является стандартизированным языком описания страниц, предусматривающим работу с цветом. Шрифты посылаются на принтер не в виде растрового изображения (типа bitmap), а используется их векторное представление. Так как принтер работает все же с растровым изображением, то шрифты должны быть снова преобразованы в растровую форму. Этим занимается RIP (Raster Image Processor) - специальный процессор, который, пользуясь интерпретатором языка, создает битовый образ символа на основе его размера, очертаний, расположения на странице и т.д. Таким же образом обрабатываются и геометрические изображения. В связи с этим PostScript обладает рядом существенных преимуществ перед PCL:

 экономит память принтера, так как записанные в векторной форме изображения занимают намного меньше места;

 предоставляет большие возможности в графическом плане (масштабирование, поворот, зеркальное отображение);

 файлы языка не зависят от аппаратного обеспечения - они могут восприниматься любым устройством (другим лазерным принтером), поддерживающим язык PostScript. Естественно, все это требует определенных ресурсов, поэтому лазерные принтеры с такой поддержкой стоят дороже. Но эти затраты вполне оправданы, так как значительно расширяют область применения устройства.

2.5. Системы обработки текста

Системы обработки текста делятся на два класса: открытые и закрытые.

Открытые системы позволяют пользователю создавать и редактировать шрифты. Они используют драйверы принтеров для обеспечения совместимости с разнообразными ПчУ. Некоторые редакторы позволяют самому пользователю создавать драйверы принтеров. Текстовым редактором открытого типа является (ChiWriter).

Закрытые системы используют лишь стандартные возможности принтера или своих собственных шрифтов. Они лишены собственных средств проектирования и редактирования шрифтов, настройки на конкретный принтер. Они применяют только свои драйверы принтеров. Примером текстового редактора закрытого типа является (Lexicon).

Системы обработки текста по функциональным возможностям подразделяются на классы:

1. Простые редакторы, которые обладают самыми необходимыми средствами работы с текстом.

2. Текстовые процессоры, имеющие мощный набор функций редактирования текста, обеспечивающие качественную твёрдую копию документа.

3. Системы вёрстки текста - настольные типографии. Например: Legenda, The Office Publisher, Page Maker, Ventura Publisher.

Контрольные вопросы

Чем принято оценивать качество изображения?
Какая модель цветообразования используется в принтерах?
В чём суть электрофотографического способа формирования цветного изображения в лазерном принтере?
В чём суть струйной технологии печати и каковы её разновидности?
Как принято классифицировать ПчУ?
Какую функцию выполняет лазерный луч в принтере?
Что такое растрирование изображения?
Какие три параметра описывают растровую форму?
Какие три фактора влияют на повышение физического разрешения лазерного принтера?
Каковы основные характеристики лазерного принтера?

Видеосистемы

Введение

Видеосистема персонального компьютера предназначена для формирования изображений, наблюдаемых на экране монитора. Ее основу составляют специализированные схемы для генерирования электрических сигналов, управляющих мониторами (видеоадаптер), и сам дисплей. Главная функция, которую выполняет видеоадаптер, - преобразование полученной от центрального процессора информации и команд в формат, воспринимаемый электроникой монитора для создания изображения на экране.

Структура видеоадаптера

Видеоадаптеры EGA и VGA можно условно разделить на шесть логических блоков (рис. 3.1):

Видеопамять. В видеопамяти размещаются данные, отображаемые адаптером на экране дисплея. Для видеоадаптеров EGA и VGA видеопамять, как правило, имеет объем 256К байт. На некоторых моделях Super-VGA и XGA объем видеопамяти может быть увеличен до 1М байт. Видеопамять находится в адресном пространстве процессора и программы могут непосредственно производить с ней обмен данными. Физически видеопамять разделена на четыре банка или цветовых слоя, разделяющих единое адресное пространство.

Графический контроллер (ГК). Посредством его происходит обмен данными между центральным процессором компьютера и видеопамятью. Аппаратура графического контроллера позволяет производить над данными, поступающими в видеопамять, и над данными, расположенными в регистрах-защелках (регистры-защелки описаны ниже), простейшие логические операции (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, циклический сдвиг).

Последовательный преобразователь. Выбирает из видеопамяти один или несколько байт, преобразует их в последовательный поток битов и затем передает контроллеру атрибутов.

Контроллер ЭЛТ (CRTC). Генерирует временные синхросигналы, управляющие ЭЛТ.

Контроллер атрибутов. Преобразует информацию о цветах из формата, в котором она хранится в видеопамяти, в формат, необходимый для ЭЛТ. Преобразование цветов осуществляется в соответствии с таблицей цветовой палитры (Color Look-up Table). Модифицируя таблицу цветовой палитры, можно выбирать 16 цветов, поддерживаемых видеоадаптером EGA из 64 цветов, которые может отображать цветной улучшенный дисплей.

Секвенсер (синхронизатор). Управляет всеми временными параметрами видеоадаптера. Синхронизатор также управляет доступом процессора к цветовым слоям видеоадаптера.

Месторасположение видеобуфера

В ПК фирмы IBM видеобуфер является частью адресного пространства ЦП, в них (в ПК) реализуется дисплей с отображением на память (рис. 3.2). Каждый бит или группа бит в видеобуфере определяет цвет и яркость конкретного участка на экране.

Рис. 3.2. Месторасположение видеобуфера
Такое простое изменение местоположения видеобуфера даёт два преимущества:

повышение быстродействия;
процессор имеет возможность «посмотреть» на экран монитора. Запись процессора в видеобуфер превращается в «запись на экран», а считывание из видеобуфера эквивалентно «считыванию с экрана».

Скорость смены информации в видеобуфере в этом случае равна скорости, с какой ЦП записывает данные в память.

Применение дисплея с отображением на память требует более сложной организации видеобуфера. Обращение к нему осуществляет как ЦП, так и адаптер для регенерации изображения. Следовательно, видеобуфер должен быть реализован как двухпортовая память и необходимы дополнительные схемы для синхронизации обращений ЦП с операциями адаптера.

Ёмкость видеобуфера в различных видеосистемах варьируется от 4KB (адаптер MDA) до 256KB (адаптер VGA). Сейчас 8-16MB и т.д. В новых разработках для построения видеобуфера применяются специальные микросхемы видео ЗУПВ (VRAM). Они имеют два входных канала; один из них, допускающий только считывание, используется адаптером для регенерации изображения, а по второму каналу, допускающему и считывание, и запись, к видеобуферу обращается ЦП. Оба канала действуют параллельно и независимо.

Схема формирования изображения

Изображение на экране формируется за счет пробега луча электронов слева направо по линиям экрана (строкам развёртки). Чтобы глаз не замечал смены кадров, пробег луча по всему экрану происходит с частотой большей чем 25 Гц (рис. 3.3).

След от луча на экране образует растр. Изменяя силу тока в луче электронов при формировании им растра, можно менять интенсивность свечения отдельных элементов экрана - пикселов (pixel от picture element - элемент картинки). Эти изменения управляются посредством данных, находящихся в видеопамяти. Они и определяют модуляцию луча электронов во время сканирования экрана.

Рис. 3.3. Схема формирования изображения

Луч электронов начинает пробегать по экрану с левого верхнего угла до правого верхнего угла. Когда луч доходит до правой стороны, он гасится и перемещается на следующую горизонтальную линию, находящуюся под предыдущей линией. После того, как луч пробежит по экрану, он гасится и перемещается в левый верхний угол. Это движение называется обратным ходом. Во время обратного хода интенсивность луча выключена и на экран ничего не выводится (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Движение луча на строке развёртки

Рис. 3.5. Формат экрана монитора:

1- горизонтальное окаймление; 2- вертикальное окаймление

Непосредственное управление монитором осуществляет видеоконтроллер. Он передаёт управляющие сигналы исполняющим блокам монитора, а они, в свою очередь, полностью контролируют процесс формирования изображения на экране. Для вывода информации на экран видеоконтроллер управляет:

строчной и кадровой развёрткой;
яркостью элементов изображения;
смешением цветов.

Аддитивная модель цветообразования

В видеосистемах используется аддитивная модель цветообразования (рис. 3.6), которая реализуется посредством 3-х электронных пушек, каждая из которых направляет поток электронов на соответствующие полосы люминофора, в результате образуется цветное свечение.

Рис. 3.6. Аддитивная модель цветообразования

Текстовый режим работы видеосистемы

Различают текстовый и графический режимы работы видеосистемы. Общий вид видеосистемы в текстовом режиме (для EGA и VGA) изображён на рис. 3.7, в котором выделено шесть логических блоков.

Рис. 3.7. Общий вид видеосистемы в текстовом режиме

В текстовых режимах адаптеров EGA и VGA видеобуфер организован в виде 4-х параллельных банков памяти (рис.3.8). Начальный адрес видеобуфера отображается на адрес B800:0000h или B000:0000h, однако выводимые на экран данные содержатся только в банках 0 и 1. Байты с чётными адресами (символы) находятся в банке 0, а с нечётными адресами (атрибуты) находятся в банке 1. Такая организация невидима для процессора, так как обращениями к банкам управляет CRTC. Текстовый знакогенератор использует таблицы шрифтов из 256 символов, которые находятся в банке 2.

Адаптер VGA поддерживает 8 таблиц (рис. 3.9). Каждая таблица содержит 256 двоичных наборов по 32 байта, поэтому максимальная высота матрицы составляет 32 строки развёртки. Когда реально используемая матрица содержит менее 32 строк, ЗГ просто игнорирует лишние байты в определении каждого символа.

В EGA под каждую таблицу шрифтов отведено 16 kB. В VGA используется весь банк без промежутков.

После подготовки регистров секвенсера и графического контроллера для прямой адресации банка 2 видеобуфера к нему можно обращаться обычным образом, как к стандартной области памяти в адресном пространстве процессора.

Во всех видеосистемах ПК фирмы IBM символы в видеобуфере представляются 2 байтами, причём чётный байт содержит код символа, а нечётный - атрибуты (рис. 3.10а).

Рис. 3.10а. Представление символа в видеобуфере

Двухбайтному представлению символа в видеобуфере на экране соответствует изображение символа, в котором различают передний план и фон (рис. 3.10б).

Из символов складывается текст в виде линейной последовательности, которая отображается на прямоугольные координаты (столбец, строка) экрана в соответствии со следующим рисунком (рис. 3.11).

Рис. 3.10б. Представление символа на экране

Рис. 3.11. Отображение видеобуфера на экран дисплея

Аппаратный знакогенератор преобразует код каждого символа в точечное изображение символа на экране. Одновременно схема дешифратора атрибутов формирует необходимые атрибуты символа - цвет, яркость, мерцание. Изображение символа формируется на прямоугольной матрице пикселов, называемой символьной матрицей. В пределах этой матрицы собственно символ состоит из пикселов на фоне переднего плана (рис. 3.10).

Для вывода символа на экран необходимо поместить его код и атрибут в определённые ячейки видеобуфера. Благодаря линейному отображению несложно получить относительный адрес и смещение видеобуфера в зависимости от прямоугольных координат:

Смещение = ((строка ширину) + столбец) 2,

где под шириной понимается число символов в каждой текстовой строке. Значения строки и столбца отсчитываются от верхнего левого угла экрана, начиная с нуля.

Способ интерпретации атрибутных байт зависит от конкретной видеосистемы. Так, на рис. 3.10 показан пример для адаптера CGA.

Для адаптера EGA атрибуты пикселов переднего плана IRGB (4 разряда) преобразуются на регистрах палитры в 6-разрядный мониторный код RrGgBb, который, в свою очередь, в адаптерах VGA с помощью таблицы цветов преобразуется в 18-разрядный код, по 6-ть разрядов на каждый цвет (RGB).

Таким образом в текстовом режиме в видеобуфере хранятся коды символов, которые транслируются в точечное изображение посредством аппаратного знакогенератора. В основе знакогенератора лежит ПЗУ, в котором хранятся «разложения» символов по строкам развертки.

Знакогенератор воспринимает код символа и номер строки развертки на символьной матрице и выдаёт соответствующий двоичный код, преобразуемый в видеосигнал. Наряду с кодами символов в видеобуфере по нечётным адресам находятся байты-атрибуты символов, которые определяют цвет отображаемых символов.

Схема преобразования цветов

Схема преобразования цветов через регистры палитры и RAMDAC может быть представлена в виде рис. 3.12.

Контролер атрибутов управляет трактовкой цветовой информации, хранящейся в видеопамяти. В текстовом режиме он обрабатывает информацию из байт атрибутов знакомест (откуда и пошло его название), в графическом - из бит текущего выводимого пиксела.

Контроллер атрибутов позволяет увязать объем хранимой цветовой информации с возможностями монитора. Для монохромных (не-полутоновых) мониторов часть цветовой информации может преобразовываться в такие элементы оформления, как мигание, подчеркивание и инверсия знакоместа. В состав контроллера атрибутов входят регистры палитр, которые служат для преобразования цветов, закодированных битами видеопамяти, в реальные цвета на экране.

Преобразование цвета в адаптере CGA

В адаптере CGA цветовая палитра меняется совсем просто: два бита цвета пиксела управляют лучами красного и зеленого цветов, а к ним еще добавляется (или не добавляется) общий на весь экран бит управления синим цветом. В результате два бита цвета пиксела могут задавать по четыре цвета в двух разных палитрах.

Преобразование цвета в адаптере EGA

В адаптере EGA применены уже настоящие программируемые регистры палитр, позволяющие каждому из 16-ти возможных кодов, задаваемых четырьмя битами цветовых слоев, поставить в соответствие один из 64-х возможных цветов, отображаемых монитором EGA.

Рис. 3.12. Схема преобразования цветов через регистры палитры и RAMDAC

На рис. 3.12 левая часть иллюстрирует преобразование битов с условными названиями R, G, В, I в сигналы интерфейса монитора EGA. Название битов условно потому, что в регистры палитр могут быть загружены произвольные значения реальных выходных цветов, кодируемых интерфейсными сигналами Rr, Gg и Bb.

Преобразование цвета в адаптере VGA

С появлением адаптеров VGA способных задавать большое (256 и более) количество цветов, схему цветообразования усложнили. Теперь на плату графического адаптера из монитора «переехали» цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) сигналов базисных цветов, и появилась возможность отображения чуть ли небесконечного количества оттенков, кодируемых аналоговыми сигналами. Однако реальное число цветов ограничивается разрядностью ЦАП базисных цветов, которая поначалу составляла 6-ть битов на каждый канал, что позволяет задавать 2¹⁸ цветов. Для того чтобы отобразить 256 кодов цвета (8 битов на пиксел), в эти 2¹⁸ цветов ввели программируемые регистры ЦАП, с помощью которых каждому из 256 кодов ставится в соответствие свой набор битов, посылаемый на схемы ЦАП базисных цветов. Функционально оказалось целесообразным объединить эти регистры, представляющие собой небольшое быстродействующее ОЗУ (RAM), вместе с преобразователями (DAC - Digital-to-Analog Converter, цифро-аналоговый преобразователь). Эта функциональная сборка в настоящее время исполняется в виде микросхемы RAMDAC.

Схему преобразования с использованием RAMDAC иллюстрирует правая часть рис. 3.12. Номер регистра RAMDAC, из которого берется цвет текущего отображаемого пиксела, в режиме 256 цветов задают 8-битным кодом цвета пиксела (в видеопамяти). При работе в 16-цветном режиме EGA и 2-4-цветном режиме адаптер VGA использует регистры палитр, на выходе которых получается 6-битный код цвета. Старшие два бита добавляются из регистра цвета, с помощью которого можно переключать палитру сразу для всех цветов. В этих режимах регистры RAMDAC функционально дублируют регистры палитр. Лишнюю ступень косвенности можно сгладить, беря на вход RAMDAC только 4 бита с выхода регистра палитры, а из регистра цвета брать уже 4 бита. Тогда в сами регистры палитр целесообразно загрузить их номера, что обеспечит линейное преобразование (4 бита из слоев пройдут через регистры палитр без изменений). Графические адаптеры имеют возможность переключения режима преобразования - использование в общем-то лишних регистров палитр требуется только для совместимости с ПО, ориентированным на адаптеры EGA. Казалось бы, что для режимов High Color (15-16 бит/пиксел), а тем более True Color (24 бита), табличное преобразование цветов уже не требуется, и биты каждого цвета можно подавать прямо на входы своего ЦАП. Однако если перед каждым ЦАП поставить отдельный блок регистров - ОЗУ объемом 25618, адресуемое битами данного цвета, то можно выполнять гамма-коррекцию цвета аппаратными средствами адаптера. Гамма-коррекция требуется для увязки способностей цветопередачи дисплея с линейной математической моделью цветообразования, используемой графическими приложениями. У аналогового монитора на ЭЛТ передаточные характеристики цветовых каналов нелинейные и имеют вид, аппроксимируемый функцией Y = X⁷, где X - входной сигнал, а у = 2,2 (это и есть «гамма»). В RAMDAC загружают таблицу, с помощью которой в выходной сигнал вводятся предыскажения, компенсирующие нелинейность дисплея. Однако разные типы дисплея могут иметь разные передаточные характеристики, что для особо высоких требований к верности цветопередачи должно учитываться при программировании RAMDAC

Микросхемы RAMDAC характеризуются разрядностью преобразователей, которая может доходит до 8 бит на цвет, и предельной частотой выборки точек (DotCLK), с которой они способны работать. Естественно, что чем точнее должно быть преобразование, тем труднее его выполнить быстро. Трудности и высокая стоимость достижения высокого разрешения при высокой частоте строчной (прогрессивной) развертки (эти факторы требуют высокого быстродействия RAMDAC) с большой глубиной цвета (требующей высокой точности преобразования) связаны и с этой причиной. Современные графические адаптеры, ориентированные на высокое разрешение и высокую частоту развертки, имеют RAMDAC с частотой порядка 350 МГц и даже выше.

Графический режим

Цветовое значение каждого пиксела хранится как один или несколько бит в видеобуфере (рис. 3.13) и считывается (переносится на экран) возможно с дополнительным табличным преобразованием. Так как каждый пиксел на экране можно адресовать через видеобуфер, то графический режим часто называют режимом с адресацией всех точек (All Points Addressable - APA). Если в видеобуфере пиксел кодируется n-битами, одновременно на экране можно наблюдать

цветов.

Адаптеры EGA и VGA осуществляют дополнительные преобразования значений пикселов. С помощью специальных схем n-битный код расширяется до m-битного (m>n). В этом случае получается палитра из цветов, но одновременно на экране наблюдается цветов.

Особенности графического программирования

Графические программы опираются на элементарные процедуры, которые оперируют отдельными пикселами в видеобуфере (рис. 3.13). Основными операциями здесь являются считывание значения пиксела из видеобуфера и запись значения пиксела в видеобуфер.

В адаптерах CGA программа может осуществлять прямой обмен с видеобуфером.

В естественных графических режимах EGA и VGA видеобуфер организован в виде двоичных плоскостей. Прямой доступ здесь невозможен. Доступом в этом случае управляют специальные схемы, входящие в состав адаптеров, которые образуют так называемый графический контроллер (ГК).

Двоичные плоскости в графических режимах EGA и VGA адресуются параллельно: при записи или считывании по конкретному адресу в видеобуфере этот адрес относится не к одному, а к 4 байтам, по одному из каждой плоскости.

Рис. 3.13. Отображения видеобуфера на экране в графическом режиме

При выполнении процессором команды считывания данных по адресу из видеобуфера, из видеобуфера извлекаются сразу 4 байта и загружаются в 4 регистра-защелки. Например, на рис. 3.14 регистры-защёлки содержат значения 8 пикселов: 1011; 1100; 0011; 0101; 0010; 0011; 1101; 1010.

Рис. 3.14. Операции считывания процессором из видеобуфера

При выполнении процессором записи данных в видеобуфер производится параллельная модификация байт во всех 4-х двоичных плоскостях (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Операции записи процессором в видеобуфер

Физически записываемые в видеобуфер значения пикселов формируются с привлечением данных из регистров-защёлок, байта данных от процессора или предопределённого значения пиксела, находящегося в регистре управления.

Когда в командах обмена адресуется видеобуфер, то обмен осуществляется между регистрами защёлок и байтами двоичных плоскостей видеобуфера.

Передачу данных между процессором, РГ-защёлками и видеобуфером обеспечивает графический контроллер (ГК). Он обеспечивает двумерную обработку находящихся в Рг-защёлках 8 значений пикселов. Одни операции ориентированы на байты, другие - на пикселы.

ГК может обеспечить выполнение 3 байтных операций над данными из РГ-защёлок:

1) может просто передавать данные из видеобуфера в Рг-защёлки (считывание процессора);

2) может передавать содержимое одного из Рг-защёлок в Рг процессора (считывание);

3) может объединить байт данных от процессора с байтами в одном или всех Рг-защёлках (запись). Объединить – значит выполнить логическую поразрядную операции.

В пиксельных операциях ГК может:

1) сравнить значение каждого пиксела из Рг-защёлок с заданным значением и вернуть результат сравнения в процессор (считывание);

2) объединить 4-битное значение от ПРЦ со значениями одного или всех пикселов в Рг-защёлках;

3) использовать 8-битные значения от ПРЦ как маску, определяющую, какие из 8 значений пикселов передать в двоичные плоскости видеобуфера (запись);

4) объединить значения пикселов с заданным 4-битным значением (запись).

Байтные и пиксельные операции программируются с помощью задания режимов считывания и записи.

Регистр состояния

Все видеосистемы ПК IBM имеют регистр состояния, допускающий только считывание. Он отображается на порт 3DAh в цветных режимах. Наибольший интерес для программиста представляют всего 2 бита, отображающие текущее состояние сигналов строчной и кадровой развёрток, формируемых CRTC. С помощью этих бит обеспечивается синхронизация регенерации видеобуфера видеоконтроллером и обращений к нему (видеобуферу) процессора.

	Порт	Бит 3	Бит 0
VGA	3BAh/3DAh,	1-сигнал VSYN активен	0-разрешение вывода

Технология плазменных мониторов

По способу формирования изображения мониторы можно разделить на три группы:

с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ);
плазменные дисплеи;
жидкокристаллические экраны.

Разработка плазменных дисплеев, начатая еще в 1968 г., базировалась на применении плазменного эффекта, открытого в Иллинойском университете в 1966 г. Принцип действия монитора основан на плазменной технологии: используется эффект свечения инертного газа под воздействием электричества (рис. 3.16). Примерно так же, как работают неоновые лампы.

Рис. 3.16. Формирование изображения в плазменном дисплее

Формирование изображения в плазменном дисплее происходит в пространстве шириной примерно 0,1 мм между двумя стеклянными пластинами, заполненном смесью благородных газов - ксенона и неона. На переднюю, прозрачную пластину нанесены тончайшие прозрачные проводники или электроды, а на заднюю - ответные проводники. Подавая на электроды электрическое напряжение, можно вызвать пробой газа в нужной ячейке, сопровождающийся излучением света, который и формирует требуемое изображение.

Проблема создания цветного изображения была решена путем нанесения в триадах соседних ячеек люминофоров основных цветов: красного, зеленого и синего и подбора газовой смеси, излучающей при разряде невидимый глазом ультрафиолет, который возбуждал люминофоры и создавал уже видимое цветное изображение (три ячейки на каждый пиксель).

В современных плазменных дисплеях, используемых в качестве мониторов для компьютера (причем конструкция является ненаборной), используется так называемая технология - plasmavision - это множество ячеек, иначе говоря, пикселей, которые состоят из трех субпикселей, передающих цвета - красный, зеленый и синий.

Газ в плазменном состоянии используется, чтобы реагировать с фосфором в каждом субпикселе, чтобы произвести цветной свет (красный, зеленый или синий). Пиксел в плазменном (газоразрядном) дисплее напоминает обычную люминесцентную лампу - ультрафиолетовое излучение электрически заряженного газа попадает на люминофор и возбуждает его, вызывая видимое свечение. В некоторых конструкциях люминофор наносится на переднюю поверхность ячейки, в других - на заднюю, а передняя поверхность при этом изготавливается прозрачной.

Каждый субпиксел индивидуально управляется электроникой и производит более чем 16-ть миллионов различных цветов. В современных моделях каждая отдельная точка красного, синего или зелёного цвета может светиться с одним из 256 уровней яркости, что при перемножении даёт около 16,7 миллионов оттенков комбинированного цветного пикселя (триады). На компьютерном жаргоне такая глубина цвета называется “True Color” и считается вполне достаточной для передачи изображения фотографического качества. Столько же дают обычные ЭЛТ. Яркость экрана последней разработки - 320 кД/м² при контрастности 400:1. Профессиональный компьютерный монитор даёт 350 кД/м², а телевизор - от (200 - 270) кД/м²при контрастности 150...200:1.

Формирование изображения в плазменном дисплее отражено на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Формирование изображения в плазменном дисплее

На рис. 3.17 приняты следующие обозначения:

A - стадия электрического разряда, B - стадия возбуждения эмиттера, 1 - внешний стеклянный слой, 2 - диэлектрический слой, 3 - слой защиты, 4 - электрод отображения (приема), 5 - разряд плазмы, 6 - ультрафиолетовые лучи, 7 - видимый свет, 8 - барьерное преграждение, 9 - люминофор, (флюоресценция (свечение)), 10 - электрод адреса, (корнирующий), 11 - диэлектрический слой, 12 - внутренний стеклянный слой.

<предыдущая страница | следующая страница>