Интерфейсы дисплейного адаптера

Положение дисплейного адаптера обязывает его иметь по крайней мере два интерфейса я один для связи с монитором, другой я для связи с процессором и памятью компьютера. В качестве магистральных интерфейсов поначалу использовались шины ISA/EISA и MCA, но их производительности оказалось явно недостаточно для того, чтобы справиться с большим потоком данных, требуемых для графических построений. В общем-то ради ускорения обмена с дисплейным адаптером была разработана и стандартизована локальная шина VLB, однако она уходит в небытие вместе с процессорами класса 486. Современное решение проблемы магистрального интерфейса, работающее на широком спектре процессоров (включая и процессоры "не x86") я использование шины PCI. Однако и этого показалось мало, и на базе шины PCI для процессоров x86 класса Pentium и старше был разработан специальный интерфейс AGP, имеющий производительность в два раза выше, чем PCI.
От магистрального интерфейса графического адаптера требуется высокая пропускная способность и возможность адресации значительного объема видеопамяти. Не вдаваясь в технические подробности, приведем лишь основные характе тики традиционных шин ISA, EISA, MCA, VLB, PCI (табл. 1), а относительно новый порт AGP рассмотрим подробнее.

Таблица 1. Характеристики шин расширения
Шина Пропускная способность, Mб/c Разрядность данных Разрядность адреса Частота МГц
ISA-8 4 8 20 (1Mб) 8
ISA-16 8 16 24 (16Mб) 8
EISA 33.3 32 32 (4 Гб) 8.33
MCA-16 16 16 24 (16 Мб) 10
MCA-32 20 32 32 (4 Гб) 10
VLB 132 32/64 32 (4 Гб) 33я50 (66)
PCI 132/264 32/64 32 (4 Гб) 33 (66)

Магистральный интерфейс AGP

В настоящее время самой быстрой универсальной шиной расширения является PCI, имеющая при тактовой частоте 33 МГц пиковую пропускную способность 132 Мб/с (локальную шину VLB, как устаревшую, в расчет не берем). Одним из главных потребителей пропускной способности шины является графический адаптер. По мере развития возможностей графической системы я увеличения разрешения как по количеству пикселов, так и по глубине цвета я требования к пропускной способности шины, связывающей дисплейный адаптер с памятью и центральным процессором компьютера, повышаются. Параллельно повышению пропускной способности шины применяют меры по уменьшению потока данных, передаваемых по этой шине при графических построениях. Для этих целей графические платы снабжают акселераторами и увеличивают объем буферной памяти (видеопамяти), которой пользуется процессор акселератора при выполнении построений. В результате высокоинтенсивный поток данных в основном циркулирует только внутри графической карты, относительно несильно нагружая шину. Однако на новом витке "гонки функциональных возможностей" графический акселератор занимается и трехмерными построениями, в результате чего ему становится тесно в ограниченном объеме встроенной памяти графического адаптера, и его поток данных снова выплескивается на внешнюю шину. Фирма Intel на базе шины PCI 2.1 разработала новый стандарт подключения графических адаптеров я AGP (Accelerated Graphic Port я ускоренный графический порт). Этот порт представляет собой 32-разрядную шину с тактовой частотой 66 МГц (точнее, 66.66...), по составу сигналов напоминающую шину PCI. Место AGP в архитектуре компьютера иллюстрирует рис. 1.

Архитектура шин PC

Рис. 1. Архитектура шин PC

Из рисунка видно, что чипсет связывает AGP с памятью и системной шиной процессора, не натыкаясь на ставшую уже "узким горлом" (ну и аппетиты!) шину PCI.
"Ускоренность" порта обеспечивается тремя факторами:

  • Конвейеризацией операций обращения к памяти
  • Сдвоенными передачами данных.
  • Демультиплексированием шин адреса и данных
Конвейеризацию обращений к памяти иллюстрирует рис. 2, где сравниваются обращения к памяти PCI и AGP. При неконвейеризированных обращениях PCI во время реакции памяти на запрос шина простаивает. Конвейерный доступ AGP позволяет в это время передавать следующие запросы, а потом получить плотную пачку ответов (самих передаваемых данных). Спецификация AGP предусматривает возможность постановки в очередь до 256 запросов, но при конфигурировании PnP уточняются реальные возможности конкретной системы (у памяти, все-таки, "не десять рук"). AGP поддерживает две пары очередей для операций записи и чтения памяти с высоким и низким приоритетом. В процесс передачи данных любого запроса может вклиниваться следующий запрос, в том числе и запрос в режиме PCI.

Циклы обращения к памяти PCI и AGP

Рис. 2. Циклы обращения к памяти PCI и AGP

Сдвоенные передачи данных обеспечивают при частоте тактирования шины в 66 МГц пропускную способность до 532 Мб/с, что для 32-битной шины (4 байта) несколько неожиданно: 66.6*4=266. В AGP кроме "классического" режима, называемого теперь "x1", в котором за один такт синхронизации передается один 4-байтный блок данных, имеется возможность работы в режиме "x2", когда блоки данных передаются как по фронту, так и по спаду сигнала синхронизации (как и в шине ATA Ultra DMA-33). Управление передачей в таком режиме названо SideBand Control (сокращенно я приставка SB к имени сигнала). Заказать режим x2 может только графическая карта, если, конечно, она его поддерживает. В перспективе ожидается переход на тактовую частоту 100 МГц, и, следовательно, повышения пропускной способности до 800 Мб/с.
Демультиплексирование (разделение) шины адреса и данных сделано несколько необычным образом. В идеале демультиплексирование подразумевает наличие двух полноразрядных шин я адреса и данных. Однако реализация такого варианта была бы слишком дорогой. Поэтому шину адреса в демультиплексированном режиме представляют 8 линий SBA (SideBand Address), по которым за три такта синхронизации передается четыре байта адреса, длина запроса (1 байт) и команда (1 байт). За каждый такт передается по два байта я один по фронту, другой по спаду тактового сигнала. Поддержка демультиплексированной адресации не является обязательной для карты с портом AGP, но хост-контроллер, естественно, должен ее поддерживать. Альтернативой такому способу подачи адреса является обычный я по мультиплексированной шине AD.
Таким образом, AGP может реализовать всю пропускную способность 64-битной основной памяти компьютера на процессоре Pentium и старше. При этом возможны конкурирующие обращения к памяти как со стороны процессора, так и со стороны мостов шин PCI. Порт AGP может работать как в своем "естественном" режиме с конвейеризацией и сдвоенными передачами, так и в режиме шины PCI. В конвейеризированном режиме возможны только обращения к памяти. В режиме PCI обращения возможны как к пространству памяти, так и пространству ввода-вывода и конфигурационному пространству. Слот AGP является достаточным для подключения дисплейного адаптера (это не расширение, как, например, VLB). Кроме собственно AGP, в него заложены и сигналы шины USB, которую предполагается заводить в монитор. Внешне карты с портом AGP похожи на PCI, но у них используется разъем повышенной плотности с "двухэтажным" (как у EISA) расположением ламелей, и сам разъем располагаентся несколько дальше от задней кромки платы, чем разъем PCI.
Фирма Intel ввела поддержку AGP в чипсеты для процессоров Pentium Pro и PentiumяII, поскольку его конвейерный режим близок по духу режиму системной шины этих процессоров. Однако нет противопоказаний и против применения AGP для процессоров класса Pentium.
AGP строился исключительно исходя из нужд графического акселератора. Порт позволяет работать в двух режимах я режиме DMA и режиме исполнения (Executive Mode). В режиме DMA акселератор при вычислениях рассматривает свой локальный буфер (видеопамять) как первичную память, а когда его объема недостаточно, подкачивает данные из основной памяти, используя быстрый канал AGP. При этом для трафика порта характерны длительные последовательные (блочные) передачи. В режиме исполнения локальный буфер и основная память для акселератора равнозначны и располагаются в едином адресном пространстве. Такой режим работы акселератора с памятью называется DIME (DIrect Memory "Execute"). Для этого режима трафик порта будет насыщен короткими произвольными запросами.
Надо заметить, что многие преимущества AGP носят потенциальный характер, и могут быть реализованы лишь при встречной поддержке как со стороны аппаратных средств графического адаптера, так и со стороны программного обеспечения. Пиковая пропускная способность AGP на самом деле не вершина я в графических адаптерах с WRAM или RDRAM внутренняя скорость обмена данными акселератора с видеопамятью достигает 1.6 Гб/с, так что DIME привлекает только объемом доступной памяти. Станет ли AGP популярной шиной, покажет время.

Интерфейс с монитором

Для мониторов компьютера при высоком разрешении можно использовать только прямую подачу сигнала на входы видеоусилителей базисных цветов я RGB-вход (Red Green Blue я красный, зеленый и синий). Первые мониторы, используемые в PC, имели цифровой интерфейс с уровнями ТТЛ я RGB TTL. Для монохромного монитора использовали лишь два сигнала я видео и повышенной яркости. Таким образом монитор мог отобразить три градации яркости: хотя 22=4, темный пиксел (0, 0) и "темный с повышенной яркостью" неразличимы. В цветных мониторах класса CD (Color Display) имелось по одному сигналу для включения каждого луча и общий сигнал повышенной яркости. Таким образом можно было задавать уже 16 цветов. Следующий класс я улучшенный цветной дисплей ECD (Enhanced Color Display) имел уже цифровой интерфейс с двумя сигналами на каждый базисный цвет. Эти сигналы двухбитным кодом позволяли задавать одну из 4 градаций интенсивности луча каждого цвета, и общее количество кодируемых цветов достигло 26=64.
Когда стало ясно, что стремительный прогресс возможностей цветопередачи цифровым интерфейсом не удовлетворить, перешли на аналоговый интерфейс с монитором, перенеся цифро-аналоговые преобразователи уровней сигналов базисных цветов из монитора на плату графического адаптера. Такой интерфейс с 8-разрядными ЦАП каждого цвета в настоящее время позволяет выводить 16.7 млн. цветов (True Color). Этот интерфейс называется RGB Analog, в нем базисные цвета передаются аналоговыми сигналами с отдельными обратными линиями по витым парам. Черному цвету соответствует нулевой потенциал на линиях всех цветов, полной яркости каждого цвета соответствует уровень +0.7 В. Сигналы управления, состояния и синхронизации передаются сигналами ТТЛ. Впервые аналоговый интерфейс был применен на адаптере PGA фирмы IBM, где для него использовался 9-контактный разъем DB-9S. В дальнейшем, начиная с адаптеров VGA, стали применять малогабаритный 15-контактный разъем с таким же внешним размером. По назначению сигналов эти интерфейсы в основном совпадают, и существуют даже переходные кабели с 15 на 9-контактные разъемы. Несмотря (в прямом смысле) на наличие ключа я D-образного кожуха, 15-контактные разъемы часто ухитряются вставлять в перевернутом положении, при этом один из контактов среднего ряда подгибается, а потом и ломается (штырьки этих разъемов тоньше и слабее, чем у 9-контактных). Естественно, что монитор, подключенный таким образом, работать не будет я на его экране будет только "снег". Так что в случае отсутствия изображения, первым делом имеет смысл проверять присоединение интерфейсного разъема.
Кроме собственно передачи изображения (сигналы цветов и синхронизации), по интерфейсу передают и иную информацию, необходимую для автоматизации согласования параметров и режимов монитора и компьютера. Интересы компьютера в целом представляет плата дисплейного адаптера, к которой и подключается монитор. С ее помощью обеспечивается возможность идентификация монитора, которая необходима для работы системы PnP, и управление энергопотреблением монитора. Для простейшей идентификации в интерфейс ввели три логические сигнала ID0...ID2, по которым адаптер мог определить тип подключенного монитора. Со стороны монитора эти линии либо подключались к шине GND, либо оставлялись неподключенными (все та же идея параллельной идентификации, известная и по модулям памяти). Однако из этой системы идентификации впоследствии использовали лишь сигнал ID1, по которому определяли подключение монохромного монитора. Монохромный монитор может быть опознан адаптером и иначе я по отсутствию нагрузки на линиях Red и Blue. Правда, некоторые многофункциональные цветные мониторы позволяют отключать нагрузочные резисторы, при этом изображение становится ярким и нечетким, появляются горизонтальные эхо-выбросы, а монитор идентифицируется как монохромный, что сопровождается "писком" POST.
Параллельная идентификация мониторов изжила себя, и ее заменила последовательная по каналу цифрового интерфейса VESA DDC (Display Data Channel). Этот канал (как и канал идентификации новых модулей памяти DIMM) построен на интерфейсе I2C (DDC2B) или ACCESS Bus (DDC2AB), которые используют всего два ТТЛ-сигнала SCL и SDA. Интерфейс DDC1 является однонаправленным я монитор только посылает адаптеру блок своих параметров. Интерфейс DDC2 уже является двунаправленным. Интерфейс DDC2AB отличается тем, что подразумевает возможность подключения периферии, не требующей высокой скорости обмена, к компьютеру по последовательной шине ACCESS Bus. При этом внешний разъем шины выносится на монитор. Блок параметров расширенной идентификации дисплея EDID (Extended Display Identification) имеет одну и ту же структуру для любой реализации DDC. Для управления энергопотреблением монитора в соответствии со стандартом VESA DPMS (Display Power Management SignALGN=CENTER) используются сигналы кадровой и строчной синхронизации V.Sync и H.Sync.
Разъемы, применяемые в обычных адаптерах и мониторах SVGA, не предназначены для передачи высокочастотных сигналов. Разумным пределом для них является полоса примерно до 150 МГц, однако для высокого разрешения и высокой частоты регенерации этого может уже оказаться и недостаточно. По этой причине на больших профессиональных мониторах, подразумевающих использование высокого разрешения и высоких частот синхронизации, и соответствующих адаптерах имеются BNC-разъемы для соединения с помощью коаксиальных кабелей.
Учитывая потребности расширения частотного диапазона, а также тенденцию (или намерения) к использованию последовательных шин USB и FireWire для подключения периферии к системному блоку компьютера, VESA предложила новый тип разъема EVC (Enhanced Video Connector). Этот разъем, хотя и не является коаксиальным, позволяет при надлежащем экранировании передавать сигналы с частотами до 2 ГГц. Четыре контакта, используемые для видеосигналов, разделены экранирующими перегородками. В назначение дополнительных 30 контактов (матрица 3 x 10) заложили все сигналы существующего аналогового интерфейса RGB, DDC2, а также композитный видеосигнал, шины USB и FireWire и линии питания постоянного тока. Конечно, в конкретных системах могут быть реализованы и не все шины.

Внутренние интерфейсы

Для расширения возможностей дисплейного адаптера, главным образом в сторону обработки видеоизображений, в адаптерах имеется и внутренний интерфейс Feature Connector. С помощью этого интерфейса осуществляют связь графического адаптера с видеоверлейными платами (видеобластерами). Подключение к дополнительному разъему графического адаптера VGA Auxiliary Video Connector позволяет перехватить поток двоичных данных сканируемых пикселов. Этим краевым 26-контактным разъемом снабжались почти все модели адаптеров VGA. Впоследствии был стандартизован VESA Feature Connector, у которого назначение сигналов практически сохранилось, но вместо ламельного краевого стали применять двухрядный штырьковый разъем. Этот разъем графического адаптера VGA и SVGA позволяет получать поток байт данных сканируемых пикселов при работе адаптера в режиме до 640 x 480 пикселов x 256 цветов. Разъем графического адаптера связывается с таким же разъемом видеоплаты плоским кабелем-шлейфом. Для режимов до 1024 x 768 с глубиной цвета High Color и True Color предназначен разъем VAFC я VESA Advanced Feature Connector. Он имеет разрядность 16/32 бит и при максимальной частоте точек 37.5 МГц обеспечивает скорость потока данных 150 Мб/с.
Кроме этих стандартов существует и специальная внутренняя 32-битная шина для обмена данными между мультимедийными устройствами я VESA Media Channel (VM Channel). Эта шина (канал), в отличие от вышерассмотренных двухточечных интерфейсов, ориентирована на широковещательную передачу данных между несколькими абонентами.).

Михаил Гук (Mgook@stu.neva.ru)
Опубликовано в газете "КомпьютерИнфо" (СПб.) 1/1998 г.
Публикация в печатных изданиях только с разрешения автора, ссылка обязательна.
Книги | Статьи | Начало


Copyright (c) М. Гук, 1999. Дизайн (с) О. Гук, 1999.