История развития видеоадаптеров для совместимых компьютеров

Изначально персональные компьютеры серии IBM PC комплектовались видеоадаптером MDA (Monochorome Display Adapter) с монохромным дисплеем (MD). Этот адаптер имел небольшую разрешающую способность, не мог отображать графическую информацию и был, как это следует из его названия, монохромным.

CGA (Color Graphics Array) - цветной графического адаптер - стал первым цветным видеоадаптером, выпущенным фирмой IBM. Но его ограниченные возможности стали очевидны после того, как графика стала играть все большую роль в деловых применениях PC. CGA был разработан для дешевых и широко распространенных бытовых телевизоров и композитных мониторов. Вертикальное разрешение CGA равно 200 строк, а горизонтальное - 320 строк, хотя на композитных и RGB-мониторах можно использовать 640 строк. Из-за высокой стоимости памяти разработчики были вынуждены ограничить её размер. CGA снабжен достаточной памятью (16 К) для поддержки 4 цветов при разрешении 320х200 (такое разрешение наилучшим образом используется на бытовых телевизорах). При этом, однако, 16К не хватает для того, чтобы использовать более 2 цветов в режиме разрешения 640х200, кроме того, в этом случае один из цветов должен быть черный. Даже 4-цветный режим ограничивает пользователя 2 наборами по 4 цвета в каждом, хотя для фона может использоваться любой из цветов.

Когда стоимость микросхем памяти и прочих компонентов компьютеров стала снижаться и микрокомпьютеры пришли на смену большим системам, пользователей перестал устраивать ограниченный выбор цветов CGA. Длительная работа с экранным разрешением 320х200 утомительна для глаз, поэтому большинство графических систем снабжалось вторым монитором (с неграфическим разрешением 720х350) для работы с текстом. В результате некоторые фирмы приступили к разработке плат для поддержки высокого графического разрешения с использованием 16 и более цветов. Компания Hercules Computer Technologies выпустила плату Hercules Card, позволяющую использовать для монохромной графики монохромный монитор высокого разрешения. Таким образом появился монохромный графический адаптер (MGA или Hercules) - графический видеоконтроллер высокого разрешения.

В конце 1984 года появился усовершенствованный графический адаптер (EGA - Enhanced Graphics Array), ставший следующим стандартом графики для персональных компьютеров IBM. Самой большой проблемой среди ранних моделей графических плат высокого разрешения было отсутствие стандарта и возможности работать в режиме CGA. Кроме того, методы программирования, которые применялись в этих платах, отличались от методов, используемых CGA. Адресация EGA являлась следствием и была совместима с CGA, снабжена расширением доступной памяти и дополнительной поддержкой BIOS для обеспечения высокого разрешения. Так же как и плата Hercules, EGA с монохромным монитором не поддерживала графику CGA.

В апреле 1987 года IBM объявила о начале выпуска компьютеров серии PS/2. Эти компьютеры были оснащены новым графическим устройством, называемым VGA (Video Graphics Array), который был очень похож на EGA. Он позволял расширить некоторые функции EGA и дополнить несколькими режимами высокого разрешения (640x480) и режимом низкого разрешения (320x200), позволяющим использовать 256 цветов. VGA позволял работать с аналоговыми мониторами, тогда как EGA использовал дисплеи цифрового типа. Это отличие являлось революционным шагом в видеотехнике. Если при цифровом кодировании цветовых сигналов, выдаваемых адаптером на вход монитора, набор цветов и оттенков определяется исключительно возможностями монитора, то при аналоговом представлении видеосигналов, когда каждая из цветовых составляющих (R - красная, G - зеленая и B - синяя) представляется уровнем напряжения в диапазоне от 0 до 1В, а мониторы снабжаются прецизионными видеоусилителями, диапазон отображаемых цветов и оттенков ограничивается исключительно возможностями видеоадаптеров. Так как мониторы аналогового типа обладают значительным запасом точности отображения цвета, появляется возможность при появлении новых моделей адаптеров с более высоким разрешением и цветовым диапазоном использовать те же самые мониторы. Иными словами, аналоговые мониторы становятся инвариантными к типу видеоадаптеров.

Так же как и EGA, VGA поддерживал работу в монохромном и CGA-совместимом режимах. Более того, эти режимы поддерживались как на монохромных, так и на цветных мониторах. Обращения к BIOS, как правило, были совместимы между различными типами IBM-(и совместимых с IBM) адаптеров, при этом отличия обусловлены различными аппаратными реализациями интерфейсных портов. Архитектуры адаптеров MDA/CGA и EGA/VGA совершенно различны. Оригинальные адаптеры основаны на графическом контроллере Motorola 6845, в то время как EGA и VGA использовали микросхемы разработки IBM.

Но несмотря на эти некоторые различия среди адаптеров (обусловленные в основном типом дисплея), IBM включила поддержку для режимов эмуляции CGA и MDA, которые позволяли работать с большинством функций и реализовать большинство особенностей. Например, алфавитно-цифровой монохромный режим EGA преобразовал набор символов в такой же, как у MDA. И если VGA в режиме CGA использовал сдвоенную развертку (чтобы из 400 линий адресуемыми были только 200), EGA обладал возможностью переключения в режим обычного монитора с кадровым разрешением 200 строк. EGA позволял работать с оригинальными цветными и монохромными мониторами. Кроме того, была предусмотрена поддержка ECD (усовершенствованного цветного дисплея), разрешение которого близко к разрешению монохромного монитора (640х350 для ECD, для монохромного - 720х350) и возможно использование 16 цветов из 64. Адаптер позволял заменить любой из 16 цветов на любой из оставшихся 63.

VGA не поддерживал работу с прочими оригинальными дисплеями (за исключением некоторых мультичастотных мониторов). Для работы ему требовался аналоговый дисплей. Режим высокого разрешения VGA составлял 640х480 и поддерживал использование 16 цветов (или градаций серого) из 262144 возможных (или из 64 градаций серого). Так же как у EGA, цвета VGA можно было выбирать индивидуально.

Для EGA/VGA возможна поддержка двух отдельных страниц для цветного графического режима 640x200. При низком разрешении 320x200 (или монохромной графике) адаптеры EGA/VGA позволяли хранить до 8 страниц текстовой или графической информации. При этом было возможно совмещение отображения на экране одной страницы с модификацией другой. Дополнительная память на адаптерах могла использоваться для хранения таблицы шрифтов в текстовом режиме, что позволило хранить до 1024 различных символов на EGA, до 2048 на VGA , 512 из которых могут быть отображены одновременно. На EGA и VGA были предусмотрены возможность модификации шрифтов, работа с дополнительными символами, индивидуальный подбор шрифтов. Это только малая часть функций, выполняемых мощными и гибкими адаптерами EGA и VGA. Любой выводимый атрибут может быть модифицирован. Размер символов может быть сделан больше или меньше стандартного, можно изменить число строк, выводимых на экран. Предусмотрены временные и постоянные (действующие на все программы до перезагрузки системы) изменения.

Вероятно, наиболее серьезным архитектурным изменениям в EGA и VGA была подвергнута организация памяти. В CGA для описания каждой цветной точки (пикселя) использовалась последовательность битов данных. Несмотря на простоту этого метода для программирования, при его использовании адресное пространство процессора расходуется неоптимально (удвоенное число цветов, удвоенный размер карты памяти); наблюдается сильное замедление прикладных графических программ, использующих большое число цветов (удвоенное количество цветов требует в два раза больше времени для записи в память). EGA и VGA использовали битовую матрицу, в которой биты цвета помещаются по одному и тому же адресу. Битовая матрица допускает использование большого числа цветовых комбинаций без увеличения адресного пространства процессора. В некоторых случаях применение архитектуры битовой матрицы позволяет повысить скорость записи в память, поскольку одно обращение к памяти позволяет модифицировать 8 битов каждой матрицы.

Для более высокопроизводительных компьютеров на основе процессоров Intel 80386/486 фирма IBM разработала новый видеоадаптер XGA (Extended Graphics Adapter), который, как предполагалось, должен был стать новым стандартом для видеоплат, превосходящих по своим возможностям VGA. Видеоадаптер содержал встроенный графический процессор, что значительно увеличивало его возможности и скорость работы. Он аппаратно поддерживал перерисовку изображений в окнах экрана. При обмене данными между видеопамятью и основной памятью компьютера сам XGA вместо центрального процессора реализовал управление шиной данных, что позволяет быстро передавать изображение на экран. Следует также отметить, что была предусмотрена совместимость VGA и XGA на уровне регистров. Базовая конфигурация XGA содержала 512 Кбайт видеопамяти, что обеспечивало разрешение 1024 x 768 при 16 цветах. Но стандарт XGA так и не прижился, вместо него производители SVGA-адаптеров стали использовать страндарт VESA и фирма IBM утратила свою монополию в области производства видеокарт.

С середины 90-х годов в моду вошло новое слово – “3D графика”. В ноябре 1995 г. молодая и практически неизвестная фирма 3Dfx анонсировала графический чип Voodoo. Вся гениальность разработки заключалась в том, что за основу была взята концепция игровой приставки. Любая приставка, даже самая мощная, не может похвастаться каким-нибудь известным процессором, но она четко подразделяется на разрядность 16 бит, 32, 64 и отличается всегда превосходной графикой игр под нее. Секрет прост - у приставки несколько процессоров, и все они в первую очередь занимаются не вычислением чисел и плавающих запятых, а обработкой и ускорением графики, - в этом их такой массовый успех. Взяв за основу графику, 3Dfx решили поднять её на новый уровень. Первыми были такие фирмы как Creativе Labs с картой 3D Blaster на шине VLB. Карта была выпущена в тот момент, когда шина VLB считалась морально устаревшей и все переходили на PCI, Window 95 только начинал завоевывать свои позиции и DOS прочно стоял “на ногах”. О чем забыли в фирме Creative Labs, так это о сотрудничестве с разработчиками ПО. В итоге многие игры его не поддерживали. Вдобавок карта оказалась очень медленной, а про программный пакет для работы с 3D графикой Direct3D еще никто не знал. По этой же причине не получили широкого распространения такие ускорители, как Millenium от фирмы Matrox и Diamond Edge от Diamond.

3D-ускоритель - обычно либо отдельная плата, либо он находится на видеокарте. Он ускоряет работу не любой программы или игры, а только той, которая поддерживает этот ускоритель через подпрограммы 3D API (3D API - Application Programming Interface: набор процедур и функций для обработки 3D-графики). На IBM PC применяются следующие 3D API: OpenGL, Direct3D, Glide, Heidi и др.

Основные требования, предъявляемые к 3D-ускорителям

• Быстрая скорость прорисовки полигонов;

• Поддержка стандартных 3D-функций;

• Поддержка стандартных 3D API (OpenGL, Direct3D и др.)

Основные программные интерфейсы для работы с графикой в DOS

• монохромный графический адаптер MGA;

• цветной графический адаптер CGA;

• расширенный графический адаптер EGA;

• графический видеомассив VGA.

• VESA одноименная организация VESA (Video Electronics Standards Association) разработала и стандартизировала интерфейс работы с видеокартами SVGA.

Основные программные интерфейсы для работы с графикой в Windows

Windows GDI (Graphic Device Interface - интерфейс графических устройств) – графический интерфейс Windows, с его помощью графическая операционная система Windows выводит графику и текст на экран, принтер, плоттер и другие аналогичные устройства;

DirectX – группа интерфейсов для работы с графикой, звуком, устройствами ввода. За графику отвечают два интерфейса: DirectDraw – работа с двумерной графикой и Direct3D – работа с трехмерной графикой.

OpenGL – межплатформенный стандарт для работы с двумерной и трехмерной графикой фирмы Silicon Graphics (SGI).