Жидкокристаллические дисплеи

Жидкокристаллические дисплеи – Liquid Crystal Display (LCD-дисплеи) – используются очень широко: от наручных часов до компьютера. Портативность, низкое потребление энергии, отсутствие мерцания изображения, прекрасные геометрико-оптические характеристики – все это было достигнуто благодаря технологии тонкопленочных транзисторов TFT в активной матрице. Благодаря этому ЖКД широко используются как высококачественные мониторы различного назначения (рис. 3.4).

В процессе развития технология изготовления ЖК-дисплеев испытывала неоднократные принципиальные прорывы, направленные на улучшение качества изображения. В итоге, теперь можно сказать, что активноматричные ЖК-дисплеи обошли по качеству картинки своих “коллег” на вакуумных кинескопах.

Изображение на них формируется с помощью матрицы пикселов, как и в обычных мониторах; отличие же состоит в материале пикселов и в способе генерации излучения. Каждый элемент матрицы – так называемый жидкий кристалл, являющийся оптически активным материалом. Он способен в естественном состоянии поворачивать плоскость поляризации проходящего через него излучения. Второе важное его свойство – это способность изменять угол поворота плоскости поляризации в зависимости от приложенного внешнего электрического поля. Такие характеристики ЖК-ячейки позволяют манипулировать интенсивностью прошедшего света. На практике это делается следующим образом. С обеих сторон от ЖК-ячейки на пути распространения излучения устанавливаются скрещенные поляризаторы. Первый из них выделяет определенную компоненту поляризации падающего излучения. Далее это излучение попадает на жидкий кристалл, который поворачивает плоскость поляризации на определенный угол. Второй поляризатор служит для управления интенсивностью излучения: если его выделенное направление совпадает с направлением плоскости поляризации излучения, то для света он окажется абсолютно прозрачным, а если между ними будет угол 90°, то свет поглотится. Таким образом, можно изменять интенсивность излучения внешним электрическим полем. Однако при помощи подобной схемы можно сконструировать лишь черно-белый монитор. Для создания цветного дисплея необходимо наличие ячеек трех цветов – красного, синего и зеленого. На самом деле все ячейки одинаковые, а цвета генерируются за счет пропускания излучения сквозь светофильтры нужных цветов. Но проблема состоит в том, что отфильтрованное излучение очень сильно теряет в своей интенсивности, а это сказывается на общей яркости, уменьшает глубину контраста и, естественно, качество цветопередачи. В последнее время стал применяться альтернативный подход, основанный на интересном свойстве жидких кристаллов, а именно: для разных длин волн углы поворота плоскости поляризации излучения при одном и том же внешнем поле отличаются. Реализация этого способа более технологична и сложна, но зато она позволяет достичь большей яркости, лучшей контрастности и в целом улучшить цветопередачу.

Рис. 3.4. Устройство LCD-монитора

Плазменные мониторы

Одной из перспективных разработок плоских дисплеев является плазменная панель, которая используется уже довольно давно, но потребляемая мощность и габаритные размеры дисплеев позволяли использовать их разве что на улице в качестве гигантских рекламных видеощитов. Теперь многие ведущие производители электроники имеют в своем ассортименте качественные плазменные дисплеи для профессионального и бытового применения. По качеству изображения и масштабным характеристикам современные плазменные дисплеи не имеют себе равных (рис. 3.5).

Принцип работы плазменной панели состоит в управлении холодным разрядом разреженного газа (ксенона или неона), находящегося в ионизированном состоянии (холодная плазма). Рабочим элементом (пикселом), формирующим отдельную точку изображения, является группа из трех подпикселов, ответственных за три основных цвета соответственно. Каждый подпиксел представляет собой отдельную микрокамеру, на стенках которой находится флюоресцирующее вещество одного из основных цветов. Пикселы находятся в точках пересечения прозрачных управляющих хром-медь-хромовых электродов, образующих прямоугольную сетку.

Для того чтобы “зажечь” пиксел, происходит приблизительно следующее. На два ортогональных друг другу электрода, питающий и управляющий, в точке пересечения которых находится нужный пиксел, подается высокое управляющее переменное напряжение прямоугольной формы. Газ в ячейке отдает большую часть своих валентных электронов и переходит в состояние плазмы. Ионы и электроны попеременно собираются у электродов по разные стороны камеры, в зависимости от фазы управляющего напряжения. Для “поджига” подаются синфазный импульс на сканирующий электрод, одноименные потенциалы складываются, вектор электростатического поля удваивает свою величину. Происходит разряд: часть заряженных ионов отдает энергию в виде излучения квантов света в ультрафиолетовом диапазоне (в зависимости от газа). В свою очередь флюоресцирующее покрытие, находясь в зоне разряда, начинает излучать свет в видимом диапазоне, который и воспринимает наблюдатель. 97% ультрафиолетовой составляющей излучения, вредного для глаз, поглощается наружным стеклом. Яркость свечения люминофора определяется величиной управляющего напряжения.

Рис. 3.5. Устройство плазменного монитора

Достоинством плазменной панели являются следующие свойства. Как и в ЖК-панелях, в плазменных экранах отсутствуют мерцание изображения, несведение; картинка имеет одинаковую высокую четкость по всему рабочему полю; малая толщина панели (не более 6 дюймов), бытовые дисплеи можно вешать на стенку; прекрасная обзорность (под любым углом), высокая контрастность. А главное, что большеразмерные ЖК-панели создать пока трудно, а плазменные дисплеи легко “масштабируются”.

Но такие уникальные возможности плазменной панели обусловлены высокой потребляемой мощностью (в десятки раз больше, чем у вакуумных кинескопов, и в сотни, чем у ЖКД). К тому же плазменная панель пока имеет небольшой срок службы (5–10 лет) по сравнению с остальными конкурирующими технологиями.

Параметры видеокарт

Графическая плата

В наш век мультимедиа вряд ли найдется еще один компонент ап­паратных средств ПК, к которому предъявляются столь высокие требования, как к графической плате. Если раньше графическая плата была лишь посредником между процессором и монитором, то в настоящее время она берет на себя выполнение многих других функций, разгружая от них ЦП. Требования к графической плате постоянно повышаются. Требуются все более быстрые гра­фические акселераторы с большими объемами и большим быстродействием видеопамяти. При этом наиболее совершенные графические платы все еще очень дороги.

Обработка информации в ПК практически полностью осуществ­ляется в цифровой форме. Большинство мониторов работает с аналоговы­ми сигналами. Основное назначение графической платы – пре­образование цифровых сигналов ПК в понятные для монитора аналоговые сигналы.

Для этого цифровые данные, обработанные процессором, по сис­темной шине (ISA, EISA, MCA, VLB или PCI) передаются к графиче­ской плате. Там они попадают в микросхему видеоконтроллера, осу­ществляющего функции управления этими данными, которые затем записываются в видеопамять графической платы, где создается битовое отображение информации, выводимой на экран монитора.

Теперь эту – все еще цифровую – информацию нужно пре­образовать в аналоговые сигналы. Эту задачу выполняет так на­зываемый RAMDAC (Random Access Memory Digital-to-Analog Converter), специальный цифро-аналоговый преобразователь с собственной RAM-памятью. От него преобразованные сигналы передаются через соединительный кабель к монитору.

Хотя это довольно поверхностное описание процесса работы графической платы, оно вполне применимо для обычных графи­ческих плат. И здесь мы уже встречаемся с одним из основных не­достатков традиционных графических плат. Кроме передачи сиг­налов и их цифро-аналогового преобразования, они не выполняют никаких других функций. Исключением является лишь функция представления ASCII-символов в текстовом режиме. Генерация этих символов может осуществляться самой платой после получе­ния соответствующих ASCII-кодов.

По мере увеличения используемого разрешения и количества воспроизводимых цветов должно передаваться и преобразовы­ваться все большее количество данных. Это можно пояснить на простом примере. Если для представления одной страницы в текстовом режиме (80 символов х 25 строк) нужно всего лишь 2000 байт, то при графическом разрешении 1024 х 768 с 256 цвета­ми (8 бит) потребуется уже 786 432 байта. Нетрудно себе предста­вить, какую сложную работу должен выполнять ПК при таких больших объемах передаваемых данных.

Рассмотрим алгоритм функционирования графической карты более подробно.

1. ЦП выдает команды построения образа кадра. Эти коман­ды по шинам доходят до карты и попадают на графиче­ский ускоритель (он же акселератор) карты.Графический ускоритель – специализированный микропроцессор, который умеет строить соответствующие командам ЦП элементарные изображения – примитивы, например прямоугольники. Таким образом, ЦП осуществляет одну команду, которая эквивалентна многим элементарным командам, выполняющимся в графическом ускорителе. Графический ускоритель использует видеоBIOS (биб­лиотеку видеофункций ввода-вывода), которая также расположена на карте. Ускоритель выполняет команду по построению изображения и через контроллер видео­памяти записывает результат в буфер кадра (часть видео­памяти).

2. Обмен происходит черезвнутреннюю (графическую) шину – шину видеопамяти.

3. Графический контроллер забирает из буфера цифровой образ кадра со скоростью частоты кадров дисплея и пе­редает его через внутреннюю шину: а) на графический ЦАП, если дисплей имеет аналоговый интерфейс VGA; б) непосредственно на DFP-порт, если дисплей имеет цифровой интерфейс.

4. Графический ЦАП преобразует цифровой образ буфера в аналоговый видеосигнал, который уходит на дисплей, имеющий аналоговый интерфейс. Вместе с видеосигна­лом на дисплей посылаются также синхронизирующие импульсы горизонтальной и вертикальной разверток. Основным компонентом ЦАП является RAMDAC – не­большая скоростная память. Именно в нее поступают данные из буфера кадров и преобразуются в аналоговый сигнал для дальнейшей передачи на дисплей. Ее частота (250 МГц и выше) является важной характеристикой карты, определяя максимальную частоту обновления. Современные чипы в паре с RAMDAC поддерживаютгамма-коррекцию – нелинейное измене­ние яркости цвета с учетом восприятия глазом.

Альтернативой графическим картам являются чипсеты со встроенной графикой. Примером интегрированного чипсета является чипсет i810E. Ядром набора микросхем 810E является контроллер памяти со встроенной графикой 82810E. В нем организован прямой доступ видеоядра к системной памяти, используемой в i810E и в качестве видеопамяти, со скоростью 800 Мбайт/с (пропускной способностью шины памяти). Имеется также цифровой видеовыход для подключения к обычным телевизорам или к современным цифровым LCD-мониторам. Особенностью i810E является поддержка 133-мегагерцового локального 4-мегабайтного дисплейного кэша, обеспечивающая высокую производительность видеоподсистемы.

Видеошины

По шине к графической плате должны передаваться большие массивы данных. Поэтому именно ши­на передачи данных иногда оказывается самым узким местом при выводе графической информации. При тех требованиях, которые предъявляются со стороны современного программного обеспе­чения, использование шины ISA с графическими платами в силу ее низкого быстродействия считается нецелесообразным. Речь может идти лишь о шине PCI. Даже некогда самые быстродейст­вующие графические платы ISA не в состоянии конкурировать с современными безымянными платами PCI.

Кроме этих, известных уже с момента внедрения Windows З.х графических плат-акселераторов, выпускается все большее коли­чество графических плат с 2D- или ЗD-видеоакселераторами (для двумерной или трехмерной графики). Они осуществляют допол­нительные функции декомпрессии (распаковки) и масштабиро­вания видеоданных.

Главным фактором, определяющим производительность гра­фической платы, является разрядность видеошины, по которой передаются графические данные. В настоящее время 64-разрядные графические платы – это стан­дарт, и даже 128-разрядные – уже не редкость.

Видеопамять

Видеопамять – память, которая используется для хранения данных, выводимых на экран.

Глубина цвета. Чем большее количество цветов выбирается для представления изображения, тем большее число ячеек памяти требуется для каж­дого пиксела в таком изображении. Ниже указано число битов, необходимое для отображения различного количества цветов (или, как иногда говорят, для реализации различной глубины цвета):

Продолжение

При этом нужно осознавать, что со­временная графическая плата с 64-разрядной шиной за один так­товый цикл может передавать в четыре раза больше данных, чем устаревшая 16-разрядная плата.

Однако за быстродействие графической платы отвечает не только разрядность ее шины. Большую роль играют также тип микросхемы графического акселератора, быстродействие RAMDAC и используемый графический драйвер.

Необходимый объем видеопамяти. Чем больше разрешающая способность монитора, тем больше должна быть видеопамять, так как для каждой точки экрана в видеопамять записывается код ее цвета. Максимальный объем видео­памяти – важный параметр, который, однако, ничего не говорит о быстродействии графической платы. Он определяет лишь наи­высшие реализуемые значения разрешения и глубины цвета.

Объем видеопамяти – не единственный критичный параметр. Очень важным параметром является также скорость работы гра­фической платы. В конце концов, какой смысл в представлении видеофайлов с наивысшим разрешением и максимальной глу­биной цвета, если изображение на экране непрерывно подерги­вается.

Для обеспечения высокого разрешения требуется не только более быстрый ЦП, нужны также быстрые графические про­цессоры и видеопамять большего объема с меньшим временем доступа. Если несколько лет назад можно было выбирать только между DRAM- и VDRAM-микросхемами, то сегодня производители графических плат раз­вивают и используют все более новые технологии микросхем видеопамяти.

Впереди всех в разработке новых RAM-микросхем для графи­ческих плат была фирма Matrox. На графической плате Matrox Millenium, которая все еще считается одной из лучших графиче­ских плат, установлены так называемые WRAM-микросхемы (Windows RAM). Имеется несколько различных направлений в раз­работке новых микросхем RAM для графических плат. Каждый производитель имеет здесь свои пристрастия.

DRAM. Эти микросхемы динамической RAM представляют самый мед­ленный и самый дешевый тип памяти для графических плат. Данные могут или только записываться в память, или только счи­тываться из памяти. Одновременный ввод и вывод невозможен.

VRAM (Video RAM). VRAM-микросхемы, называемые также двухпортовыми RAM-микросхемами, позволяют одновременно записывать и считывать данные. Благодаря этому RAMDAC может непрерывно считывать данные из памяти.

WRAM (Windows RAM). Эти RAM-микросхемы представляют еще один более быстрый вариант VRAM. Они имеют специальные дополнительные графические функции, обеспечивающие представление изобра­жения даже в режиме True Color (т.е. для 16 миллионов цветов) при исключительно высоком разрешении. Запись и считывание могут осуществляться одно­временно.

EDO RAM (Extended Data Output RAM). Микросхемы EDO RAM представляют улучшенный вариант DRAM. При относительно невысоких значениях разрешения и глубины цвета они все же быстрее микросхем DRAM благодаря своей архитектуре. При использовании EDO RAM в каждый мо­мент времени данные могут или только записываться, или только считываться.

SDRAM (Synchronous DRAM). Микросхемы SDRAM быстрее микросхем EDO RAM, но исполь­зуются довольно редко. Эти дорогие синхронные микросхемы DRAM также не допускают одновременного выполнения записи и считывания данных.

SGRAM (Synchronous Graphics RAM). Более быстродействующая модификация SDRAM обозначается SGRAM. Микросхемы SGRAM имеют в своем распоряжении ви­деошину удвоенной разрядности, но тем не менее не допускают одновременного выполнения записи и считывания данных. Их преимущество в быстродействии обеспечивается за счет специ­альных дополнительных графических функций.

RDRAM (Rambus DRAM). Эти микросхемы RAM (Rambus – фирма-разработчик), поставля­емые в трех различных исполнениях, настроены на максимальную разрядность видеошины и быстрое отображение данных. Несмот­ря на все это, речь по-прежнему идет о микросхемах DRAM, кото­рые не допускают одновременного ввода и вывода данных.

MDRAM (Multibank DRAM – многобанковое ОЗУ). Это вариант DRAM, разработанный фирмой MoSys, организован в виде множества независимых банков объемом по 32 Кб каждый, работающих в конвейерном режиме и использующих распараллеливание операций доступа к данным между большим количеством банков памяти RDRAM (RAMBus DRAM). Hа сегодняшний момент этот тип памяти обеспечивает наивысшую пропускную способность на один чип памяти среди всех остальных типов памяти. Увеличение скоpости обpащения видеопpоцессоpа к видеопамяти, помимо повышения пpопускной способности адаптеpа, позволяет поднять максимальную частоту pегенеpации изобpажения, что снижает утомляемость глаз опеpатоpа.