Come funziona la memoria video del PC
Vediamo in che modo il PC gestisce l'aspetto grafico del testo e delle immagini, i colori, la grafica, attraverso la memoria video.
La memoria in cui viene registrata l’immagine è generalmente incorporata nell’adattatore video ed è separata dalla memoria principale collegata al processore. E molto importante notare che è possibile accedere alla memoria dell’adattatore video direttamente dal processore; ciò consente di trasferire rapidamente i dati da visualizzare nell’adattatore video.
Come spiegato in precedenza, ogni pixel richiede una certa quantità di memoria che varia a seconda del numero di colori supportato. Si è detto che le modalità a colori più diffuse sono quelle a 8 bit, a 16 bit e a 24 bit, ma esistono anche altre modalità supportate da adattatori differenti.
Nelle modalità a 15, 16, e 24 bit per pixel, la memoria CLUT non viene utilizzata e i bit di memoria gestiscono direttamente gli input del DAC. Quindi, nella modalità a 15-bit (high color), 5 bit vengono usati per guidare direttamente il DAC. Se il DAC dell’adattatore video è a 6 o a 8 bit, i 5 bit gestiscono gli input del DAC di ordine alto. Nella modalità a 15-bit, il sedicesimo bit (quello di ordine alto) resta inutilizzato e occupa inutilmente la memoria. Successivamente, si vedrà come usare questo bit per supportare le sovrapposizioni video. Nella modalità a colori a 16-bit, vengono generalmente usati 6 bit per gestire il DAC del verde e 5 bit per il DAC del rosso e del blu. Nella modalità a 24-bit, infine, vengono usati 8 bit per ciascun DAC
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MODALITÀ PACKET PIXEL
In molti progetti di adattatori video, la modalità a 24-bit true color usa in realtà 32 bit per pixel, dove il byte di ordine alto della parola a 32-bit non viene usato. Questo schema semplifica il progetto dell’adattatore video, ma spreca una quantità significativa di memoria. Gli adattatori video più recenti usano una modalità, chiamata packed pixel, dove ogni parola di 32-bit contiene 11/3 di dati. In questo modo, non solo si risparmia memoria, ma si riduce la larghezza di banda necessaria per visualizzare l’immagine. Uno dei fattori più importanti del sistema video è la sua velocità nello spostare e nell’aggiornare le immagini; la presenza di dati non utilizzati che devono comunque essere spostati tra il processore e l’adattatore video può incidere in modo significativo sulle prestazioni del sistema.
Al giorno d’oggi, la maggior parte degli adattatori video per PC è dotata di 1,204MB di memoria video. A causa della struttura di questo tipo di memoria, non esistono altre configurazioni. Dato che il costo principale di un adattatore video è dato dalla memoria, la capacità di visualizzare la massima quantità di dati in questi incrementi di memoria è importante. La modalità packed pixel consente di usare una quantità minima di memoria per visualizzare un’immagine in true color (24 bit).
Per avere molti colori e una risoluzione alta è richiesta molta memoria. La modalità packed pixel riduce i requisiti di memoria rispetto alla modalità true color. Inoltre la memoria dell’adattatore video è disponibile solo in incrementi di 1, 2, o 4MB e, se si desidera una risoluzione e una quantità di colori che richiedono una quantità di memoria leggermente superiore a quella disponibile, è necessario incrementare la memoria di almeno 1MB!
FREQUENZA DI SCANSIONE
Ora che si è visto come vengono rappresentati nella memoria video i pixel che costituiscono un’immagine, è giunto il momento di vedere come vengono gestiti sullo schermo. Come menzionato in precedenza, l’immagine da visualizzare viene registrata nella memoria dell’adattatore video. Il controller video sposta un fascio di elettroni attraverso lo schermo, da sinistra a destra e dall’alto verso il basso. Quando il fascio raggiunge la fine di una riga orizzontale, viene spento e spostato all’inizio della riga successiva, dove riprende lo spostamento. Questa tecnica viene chiamata raster scan. In ogni posizione dello schermo, i dati vengono prelevati dalla rappresentazione dell’immagine nella memoria dell’adattatore video e associati agli input del DAC per controllare l’intensità dei fasci di elettroni rosso, verde e blu. Una volta disegnato l’intero schermo con la tecnica del raster scan, viene ripetuta l’intera procedura. La velocità con cui viene ridisegnato lo schermo è una caratteristica molto importante del sistema video. La velocità di ridisegno viene spesso chiamata frequenza di scansione verticale. La Figura 11.6 mostra come viene organizzata la memoria dell’adattatore video per creare un’immagine su schermo utilizzando la tecnica raster scan.
Quando i fasci di elettroni passano sopra ai fosfori, questi ultimi vengono eccitati in modo appropriato per generare i colori desiderati. Una volta passato il fascio, la luminosità inizia a diminuire. La velocità a cui diminuisce la luminosità è conosciuta come persistenza dei fosfori. Una persistenza elevata fa sì che la luminosità impieghi
un lungo periodo di tempo prima di diminuire, al contrario dì quanto accade con ua persistenza bassa. Se la luminosità diminuisce troppo lentamente, le immagini in movimento possono lasciare una scia durante lo spostamento. La velocità dì ridisegno dello schermo, tuttavia, può essere lenta con fosfori ad alta persistenza. Se la luminosità diminuisce rapidamente, la velocità di ridisegno dello schermo deve essere alta. I primi adattatori video per PC ridisegnavano lo schermo con una frequenza di 50060Hz (cioè 50060 volte al secondo). Tuttavia, nonostante l’alta persistenza dei fosfori, molti utenti lamentavano un fastidioso sfarfallio sullo schermo. I sistemi video dei PC attuali tendono a utilizzare fosfori con persistenza relativamente bassa e velocità di ridisegno superiori a 70 Hz. Lo sfarfallio dello schermo è più visibile in prossimità dei bordi; quindi, con il crescere della dimensione dello schermo, è più facile incorrere nella presenza di uno sfarfallio delle immagini. Su schermi molto grandi è necessaria una velocità di ridisegno compresa tra 80 e 100 Hz per eliminare completamente lo sfarfallio. Tuttavia, dato che l’occhio umano reagisce diversamente a seconda di vari fattori, non tutti gli utenti notano sfarfallii sullo schermo con certe velocità di ridisegno.
INTERLACCIAMENTO
Un metodo per ridurre la richiesta di velocità di ridisegno dello schermo elevate consiste nell’utilizzare una modalità interlacciata. In questa modalità, sono richieste due procedure distinte per disegnare l’intero schermo. Vengono disegnate prima le linee dispari e successivamente quelle pari. In questo modo viene dimezzata la frequenza di dati dalla memoria video. Questo è il modo in cui funziona la televisione. L’idea è che l’occhio umano non riesce a rilevare lo sfarfallio se le linee vengono disegnate a velocità elevata. Ciò funziona perfettamente con le immagini della televisione; poiché si tratta di immagini in movimento, è molto difficile rilevare lo sfarfallio. Le immagini fisse sullo schermo di un computer, tuttavia, presentano uno sfarfallio se visualizzate in modalità interlacciata. Questo è forse il motivo per cui gli adattatori video interlacciati non hanno conosciuto una vasta diffusione. La bassa velocità i ridisegno e la modalità interlacciata rendono la televisione una pessima scelta come video per computer. In generale, conviene evitare adattatori video e monitor che richiedono operazioni interlacciate.
CARATTERI DI TESTO SULLO SCHERMO
Il controller video condivide la memoria video con il processore. Questa memoria non fa parte della RAM regolare, ma è contenuta nel chip video o, se si utilizza un adattatore, sull’adattatore stesso. La memoria video viene raggiunta usando degli indirizzi che fanno parte dello spazio di indirizzi di i megabyte. In particolare, la memoria video si trova nei blocchi A e B (il blocco A è compreso tra gli indirizzi esadecimali A000-AFFF, il blocco B tra B000-BFFF).
In modalità testo, i caratteri che vengono visualizzati sullo schermo sono creati dal controller video, invece che dal software, come accade nella modalità grafica. La qualità dei caratteri visualizzati è strettamente legata al tipo di adattatore video e alla differenza che viene chiamata il riquadro del carattere. Questo riquadro è una cornice in cui il carattere viene disegnato. In pratica il carattere viene creato da una matrice rettangolare di punti (benché questo non sia facile da notare guardando lo schermo). La dimensione di questa matrice varia dall’alta qualità della VGA (9x16) alla bassa qualità della CGA (8x8). È abbastanza facile osservare la dimensione verticale del riquadro aumentando l’intensità del video. Dato che i punti non si sovrappongono si può vedere dove sono posizionati. È molto più difficile, invece, notare la dimensione orizzontale, poiché i punti si sovrappongono dando l’impressione di una linea continua. La Figura 11.7 mostra il riquadro del carattere.
Il riquadro del carattere definisce solamente la cornice in cui questo viene creato. Per vedere esattamente come funziona questo processo, si prenda come esempio il riquadro del carattere della MDA, che è composto da una matrice di 9 per 14 punti. Delle nove colonne in orizzontale, la prima e l’ultima sono riservate per lo spazio che deve esserci tra i caratteri; similmente, delle 14 righe in verticale, sono riservate per questo scopo le prime due e l’ultima. In pratica, è disponibile per la creazione del carattere una matrice composta da 7 colonne e 11 righe. Di queste righe, due vengono usate per la parte bassa di alcuni caratteri come, per esempio, le lettere minuscole p, g o y. Restano quindi a disposizione 9 righe per la parte principale del carattere. Spesso, i caratteri della MDA, vengono chiamati sette per nove, in riferimento alla parte principale occupata da un carattere; tuttavia, la matrice su cui si può lavorare è di sette per undici.
GENERAZIONE DI CARATTERI
Le interfacce utente grafiche come Microsoft Windows non utilizzano caratteri generati dalla ROM. Tutti i caratteri di testo vengono generati in una modalità chiamata APA, sia dal processore che accede direttamente alla memoria video, sia dal controller video. Generalmente, nella memoria video viene registrata una rappresentazione bitmap dei caratteri di testo che viene prelevata successivamente dal processore o dal controller ogni volta che è necessaria. Negli adattatori video più recenti, questa immagine bitmap monocromatica del carattere viene inviata a un dispositivo incorporato nell’adattatore video dedicato alla gestione dei colori.
L’immagine viene quindi colorata con un colore di sfondo e un colore di primo piano. Il dispositivo hardware per la gestione dei colori è una caratteristica molto importante negli adattatori video moderni ed è la chiave per migliorare le prestazioni video in modalità APA.
A questo punto ci sì sta probabilmente chiedendo da dove proviene la rappresentazione bitmap dei caratteri.
Questa può essere generata in due modi. Il metodo più semplice consiste nel registrare semplicemente in memoria una struttura dei caratteri di testo in formato bitmap. In questo caso si parla di font bitmap. Questi font richiedono molta memoria, ma offrono un accesso rapido e non richiedono nessun tipo di elaborazione. Si può immaginare quanta memoria sia necessaria per i font bitmap, dato che è richiesta una rappresentazione di ciascun font.
Il problema maggiore si verifica con i font di dimensioni estese. Poiché è richiesto un bit di memoria per ogni pixel, con l’incremento della dimensione dei caratteri, è richiesta molta più memoria per registrare il font. Un’alternativa è quella di registrare i font su disco fisso, ma oltre a occupare spazio, aumenta il tempo necessario per il caricamento.
FONT FISSI E SCALABILI
Una soluzione alla dimensione dei font bitmap è quella di registrare font di un tipo particolare e permettere al processore di aumentare la dimensione dei caratteri a seconda delle necessità. Lo schema attualmente più diffuso è quello di memorizzare i caratteri come font scalabili, cioè registrare una serie di coefficienti ed espressioni matematiche che rappresentano una serie di linee e curve che, una volta unite, formano la struttura del carattere. Il processore del PC può quindi cambiare liberamente la dimensione della struttura del carattere servendosi delle espressioni matematiche. Il software che converte la struttura in un carattere bitmap viene chiamato font engine. Per esempio, un font comune come Helvetica, viene registrato come quattro strutture differenti: standard, grassetto, corsivo, e apice. I font TrueType di Windows sono un esempio di font scalabili. La Figura 11.8 mostra come un tipico adattatore video genera i caratteri di testo.
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Dr.Maurizio Cucchiara
autore del corso:
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