path: root/asvt/abstracts/videoadapters/videoadapters.tex

\documentclass[bachelor, och, referat]{SCWorks}
% параметр - тип обучения - одно из значений:
%    spec     - специальность
%    bachelor - бакалавриат (по умолчанию)
%    master   - магистратура
% параметр - форма обучения - одно из значений:
%    och   - очное (по умолчанию)
%    zaoch - заочное
% параметр - тип работы - одно из значений:
%    referat    - реферат
%    coursework - курсовая работа (по умолчанию)
%    diploma    - дипломная работа
%    pract      - отчет по практике
% параметр - включение шрифта
%    times    - включение шрифта Times New Roman (если установлен)
%               по умолчанию выключен

\usepackage{subfigure}
\usepackage{tikz,pgfplots}
\pgfplotsset{compat=1.5}
\usepackage{float}

%\usepackage{titlesec}
\setcounter{secnumdepth}{4}
%\titleformat{\paragraph}
%{\normalfont\normalsize}{\theparagraph}{1em}{}
%\titlespacing*{\paragraph}
%{35.5pt}{3.25ex plus 1ex minus .2ex}{1.5ex plus .2ex}

\titleformat{\paragraph}[block]
{\hspace{1.25cm}\normalfont}
{\theparagraph}{1ex}{}
\titlespacing{\paragraph}
{0cm}{2ex plus 1ex minus .2ex}{.4ex plus.2ex}

% --------------------------------------------------------------------------%


\usepackage[T2A]{fontenc}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage{graphicx}
\graphicspath{ {./images/} }
\usepackage{tempora}

\usepackage[sort,compress]{cite}
\usepackage{amsmath}
\usepackage{amssymb}
\usepackage{amsthm}
\usepackage{fancyvrb}
\usepackage{listings}
\usepackage{listingsutf8}
\usepackage{longtable}
\usepackage{tabularx}
\usepackage{multirow}
\usepackage{array}
\usepackage[english,russian]{babel}

% \usepackage[colorlinks=true]{hyperref}
\usepackage{url}

\usepackage{enumitem}


\newcommand{\eqdef}{\stackrel {\rm def}{=}}
\newcommand{\dsint}{\displaystyle\int}

\renewcommand\theFancyVerbLine{\small\arabic{FancyVerbLine}}

\newtheorem{lem}{Лемма}

\begin{document}

% Кафедра (в родительном падеже)
\chair{}

% Тема работы
\title{Видеосистема компьютера. Монитор. Понятие о видеорежимах. Видеопамять и ее назначение.}

% Курс
\course{1}

% Группа
\group{131}

% Факультет (в родительном падеже) (по умолчанию "факультета КНиИТ")
\department{факультета КНиИТ}

% Специальность/направление код - наименование
%\napravlenie{09.03.04 "--- Программная инженерия}
%\napravlenie{010500 "--- Математическое обеспечение и администрирование информационных систем}
%\napravlenie{230100 "--- Информатика и вычислительная техника}
%\napravlenie{231000 "--- Программная инженерия}
\napravlenie{090301 "--- Компьютерная безопасность}

% Для студентки. Для работы студента следующая команда не нужна.
% \studenttitle{Студентки}

% Фамилия, имя, отчество в родительном падеже
\author{Гущина Андрея Юрьевича}

% Заведующий кафедрой
% \chtitle{} % степень, звание
% \chname{}

%Научный руководитель (для реферата преподаватель проверяющий работу)
\satitle{доцент} %должность, степень, звание
\saname{О.В. Мещерякова}

% Руководитель практики от организации (только для практики,
% для остальных типов работ не используется)
% \patitle{к.ф.-м.н.}
% \paname{С.~В.~Миронов}

% Семестр (только для практики, для остальных
% типов работ не используется)
%\term{8}

% Наименование практики (только для практики, для остальных
% типов работ не используется)
%\practtype{преддипломная}

% Продолжительность практики (количество недель) (только для практики,
% для остальных типов работ не используется)
%\duration{4}

% Даты начала и окончания практики (только для практики, для остальных
% типов работ не используется)
%\practStart{30.04.2019}
%\practFinish{27.05.2019}

% Год выполнения отчета
\date{2020}

\maketitle

% Включение нумерации рисунков, формул и таблиц по разделам
% (по умолчанию - нумерация сквозная)
% (допускается оба вида нумерации)
% \secNumbering


\tableofcontents

\intro

Основным техническим средством для оперативного формирования и отображения как текстовой, так и графической информации в компьютере является видеосистема.
Она состоит из трёх основных элементов:
\begin{itemize}
    \item видеоадаптер -- устройство, которое формирует изображение;
    \item монитор -- устройство, на которое выводится сформированное видеоадаптером изображение;
    \item драйвера видеосистемы
\end{itemize}

Рассмотрим её составные элементы по отдельности.

\section{Видеоадаптер}

Видеоадаптер -- это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения.

Видеоадаптер включает в себя видеопамять, в которой хранится изображение, отображаемое в данный момент на экране дисплея, постоянное запоминающее устройство, в котором записаны наборы шрифтов, отображаемые видеоадаптером в текстовых и графических режимах, а также функции BIOS для работы с видеоадаптером. Кроме того, видеоадаптер содержит сложное управляющее устройство, обеспечивающее обмен данными с компьютером, формирование изображения и некоторые другие действия.

\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{videocard.jpg}
    \caption{Видеоадаптер с разъёмами VGA и DVI}
    \label{fig:videocard}
\end{figure}

Современные видеоадаптеры состоят из следующих частей:
\begin{itemize}
    \item \textbf{Графический процессор} -- занимается расчётами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики.
    \item \textbf{Видеоконтроллер} -- отвечает за формирование изображения в видеопамяти.
    \item \textbf{Видеопамять} -- выполняет функцию кадрового буфера, в котором хранится изображение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора.
    \item \textbf{Видео-ПЗУ} -- постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в которое записаны BIOS видеокарты, экранные шрифты, служебные таблицы и т.п.
    \item \textbf{Цифро-аналоговый преобразователь} -- служит для преобразования картинки, формируемой видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор.
    \item \textbf{Коннектор} -- необходим для подключения к монитору. 
    (Рис. \ref{fig:videocard})
\end{itemize}

\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{nvidia_adapter.jpg}
    \caption{Схема высокопроизводительного адаптера Nvidia}
    \label{fig:nvidia}
\end{figure}

Большинство компонентов видеоадаптера, показанного на рис. \ref{fig:nvidia} скрыто под кожухом системы охлаждения графического процессора (GPU), включающей в себя вентилятор и теплоотвод. Практически все видеоадаптеры, представленные сегодня на рынке, используют наборы микросхем, обеспечивающие ускоренную обработку трехмерной графики.

\section{Видеопамять и ее назначение}

Видеопамять -- это внутренняя оперативная память, отведённая для хранения данных, которые используются для формирования изображения на экране монитора.

При включённом графическом видеорежиме в видеопамяти хранится информация о
каждом пикселе на экране. При включённом текстовом видеорежиме хранятся только
символы, соответствующие знакоместам на экране.

\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{videomemory.jpg}
    \caption{Чип видеопамяти, распаяный на плате}
    \label{}
\end{figure}

Одно из узких мест любого видеоадаптера -- это пропускная способность памяти самого видеоадаптера. Причём изначально проблема возникла даже не столько из-за скорости обработки видеоданных (это сейчас часто стоит проблема информационного ``голода'' видеоконтроллера, когда он обрабатывает данные быстрее, чем успевает их читать/писать из/в видеопамять), сколько из-за необходимости доступа к ним со стороны видеопроцессора, центрального процессора и цифро-аналогового преобразователя.

Сегодня существует несколько типов видеопамяти:
\begin{itemize}
    \item \textbf{FPM DRAM} (Fast Page Mode Dynamic RAM) -- динамическое ОЗУ с быстрым страничным доступом;
    \item \textbf{VRAM} (Video RAM) -- видео ОЗУ;
    \item \textbf{WRAM} (Window RAM) -- вариант VRAM, с увеличенной на ~25\% пропускной способностью и поддержкой некоторых часто применяемых функций;
    \item \textbf{EDO DRAM} (Extended Data Out DRAM) -- динамическое ОЗУ с расширенным временем удержания данных на выходе;
    \item \textbf{SDRAM} (Synchronous Dynamic RAM) -- синхронное динамическое ОЗУ;
    \item \textbf{SGRAM} (Synchronous Graphics RAM) -- синхронное графическое ОЗУ;
    \item \textbf{НВМ} (High Bandwidth Memory) -- память с высокой пропускной способностью.
\end{itemize}

Объём памяти большего количества современных видеокарт варьируется от 256 МБ (например, AMD Radeon HD 4350) до 24 ГБ (например, NVIDIA GeForce GTX TITAN RTX). Поскольку доступ к видеопамяти GPU и другими электронным компонентами должен обеспечивать желаемую высокую производительность всей графической подсистемы в целом, используются специализированные высокоскоростные типы памяти, такие, как SGRAM, двухпортовые VRAM, WRAM, другие. Приблизительно с 2003 года видеопамять, как правило, базировалась на основе DDR технологии памяти SDRAM, с удвоенной эффективной частотой (передача данных синхронизируется не только по нарастающему фронту тактового сигнала, но и ниспадающему). И в дальнейшем DDR2, GDDR3, GDDR4, GDDR5 и на момент 2016 года GDDR5X. С выходом серии высокопроизводительных видеокарт AMD Fury совместно с уже устоявшейся на рынке памятью GDDR начала использоваться память нового типа HBM, предлагая значительно большую пропускную способность и упрощение самой платы видеокарты, за счёт отсутствия необходимости разводки и распайки чипов памяти. Пиковая скорость передачи данных (пропускная способность) памяти современных видеокарт достигает 480 ГБ/с для типа памяти GDDR5X (например, у NVIDIA TITAN X Pascal) и 672 ГБ/с для типа памяти GDDR6 (например, у TITAN RTX). 

\section{Понятие о видеорежимах}

Следует выделить два вида режимов работы видеоадаптера, отличающиеся способом формирования видеосигнала: графический и текстовый.

Для графического режима видеоадаптера характерна возможность индивидуального управления каждым пикселем выводимого на экран изображения. Каждому выводимому на экран пикселю соответствует двоичный код, хранимый в ячейках видеопамяти. Кодированием задают количество цветов, градаций яркости или таких атрибутов, как мерцание, инверсия и др.

Именно из-за указанных характеристик разным видеорежимам необходим разный
объём видеопамяти у видеоадаптера.

Различают несколько видов видеорежимов:
\begin{itemize}
    \item \textbf{CGA} (Color Graphics Adapter) -- объём памяти у стандартного видеоадаптера 16K байт, цифровой
    \item \textbf{EGA} (Enhanced Graphics Adapter) -- объём памяти у стандартного видеоадаптера 128К байт, цифровой
    \item \textbf{VGA} (Video Graphics Array) -- объём памяти у стандартного видеоадаптера 256К байт, аналоговый
    \item \textbf{SVGA} (Super Video Graphics Array) -- объём памяти у стандартного видеоадаптера составляет от 512Kб до 32Мб, аналоговый
\end{itemize}

\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.64\textwidth]{vga_cable.png}
    \caption{Кабель, для подключения монитора к VGA-адаптеру}
    \label{}
\end{figure}

Для каждого из них характерно различное количество доступных цветов, а также
разрешений экрана. Например, видеорежим VGA с разрешением 320х200 и 256 цветами
является самым культовым из видеорежимов своего времени. При этом видеорежиму
SVGA доступно разрешение в 4 раза большее, при 16 миллионах цветов.

С другой стороны, текстовый видеорежим -- это режим компьютерного видеоадаптера, в котором экран представлен в виде решётки знакомест (а не пикселей, в отличие от графических режимов). В каждом из знакомест может находиться один символ из ограниченного набора.

\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{text_video.png}
    \caption{Norton Commander, работающий в текстовом режиме}
    \label{}
\end{figure}

Текстовый режим даёт превосходство над графическим в скорости и простоте программирования. В 1970-е годы считалось расточительством ставить в терминал столько видеопамяти, чтобы хранить каждый пиксель экрана. В текстовом режиме изображение генерируется динамически из матрицы знакомест и изображений символов с помощью особой схемы -- знакогенератора. На более ранних ЭВМ использовались также знакопечатающие кинескопы, которые генерировали символы без сложных схем знакогенератора, используя трафарет. Вторым преимуществом текстовых интерфейсов, связанным с терминалами, стали низкие требования к скорости связи терминала и ЭВМ.

\section{Монитор}

Монитор -- это универсальное устройство вывода текстовой и графической информации. В современном мире существуют следующие разновидности мониторов: 
\begin{itemize}
    \item на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ)
    \item жидкокристалические (ЖК или LCD)
    \item плазменные
    \item OLED-мониторы и проекционные
\end{itemize}

Все они отличаются по технологии построения попиксельного (состоящего из множества точек) изображения.

Рассмотрим подробнее технологию мониторов на основе ЭЛТ.

\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.6\textwidth]{elt_monitor.jpg}
    \caption{ЭЛТ монитор}
    \label{fig:elt}
\end{figure}

В ЭЛТ-мониторах (рис. \ref{fig:elt}) используется поток электронов, сконцентрированный в форме одиночного луча или пучка лучей, которые управляются как по интенсивности (току), так и по положению в пространстве, и
взаимодействуют с неподвижной пространственной мишенью (экраном).

Схему устройства ЭЛТ монитора можно увидеть на рис. \ref{fig:crt-insides}.

\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{crt_insides.png}
    \caption{Устройство ЭЛТ монитора}
    \label{fig:crt-insides}
\end{figure}

\begin{enumerate}
    \item Электронные пушки
    \item Электронные лучи
    \item Фокусирующая катушка
    \item Отклоняющие катушки
    \item Анод
    \item Маска
    \item Красные, зелёные и синие зёрна люминофора
    \item Маска и зёрна люминофора (увеличенно)
\end{enumerate}

%Библиографический список, составленный вручную, без использования BibTeX
%
\begin{thebibliography}{99}
    \bibitem{Tannenbaum} Э.Танненбаум "Архитектура компьютера" (6-e издание)
    \bibitem{RISC} http://shackmaster.narod.ru/vidmodes.htm
    \bibitem{ALU} https://profi-user.ru/videoram/
    \bibitem{IBM} https://ru.wikipedia.org/wiki/Видеопамять
\end{thebibliography}

%Библиографический список, составленный с помощью BibTeX
%\bibliographystyle{mdpi}
\bibliographystyle{gost780uv}
\bibliography{thesis}

% Окончание основного документа и начало приложений
% Каждая последующая секция документа будет являться приложением

\end{document}