Grafika komputerowa - Lab. 5

Temat: Procesory graficzne

1. Sterowniki graficzne:
Funkcje:
- odczyt zawartości pamięci graficznej i generowanie szeregowego
strumienia informacji obrazowej do urządzenia zobrazowania (pikseli);

- generacja sygnałów synchronizacji H, V i Blank.
Sterownik graficzny firmy Motorola: MC6845

2. Akceleratory graficzne:
Funkcje:
- wykonywanie specjalizowanych zadań graficznych: cieniowanie,
wypełnianie obszarów, depth cueing, antyaliasing, operacje HLHSR itp.
- funkcje sterownika graficznego.

3. Koprocesory graficzne:
Funkcje:
- procesor graficzny - GP (Graphics Processor)
Wykonuje rozkazy graficzne z dostępnej listy rozkazów graficznych
(rozkazy sterujące, rozkazy kreślenia, rozkazy transmisji blokowych),
składuje wytworzone mapy bitowe w pamięci dostępnej przez procesor
obrazu

- procesor obrazu - DP (Display Processor)
Generuje sygnały synchronizacji i szeregowy strumień informacji
obrazowej, jednocześnie może wyświetlać wiele okien na ekranie z
różnych obszarów map bitowych pamięci graficznej.

- jednostka sterująca interfejsem - BIU (Bus Interface Unit) .
Steruje wszelką komunikacją pomiędzy koprocesorem a zewnętrznym
procesorem i pamięcią graficzną. Zawiera zintegrowany sterownik
pamięci DRAM/VRAM umożliwiający realizację różnych trybów dostępu

przy transmisjach blokowych. Wykorzystywany przez DP i GP w
operacjach dostępu do map bitowych w pamięci graficznej.

Koprocesory graficzne firmy Intel: I82720, I82786.

4. Procesory graficzne:
Funkcje:

- funkcje koprocesora graficznego;
- jednostka obliczeniowa wykonująca rozkazy z listy rozkazów
uniwersalnych (rozkazy arytmetyczne, logiczne, warunki, skoki itp.)

Procesory firmy Teksas Instruments:
- TMS34010 - 16-bitowy procesor graficzny
- TMS34020 - 32-bitowy procesor graficzny współpracujący
z koprocesorem zmiennoprzecinkowym TMS34082
Procesory firmy Intel:
- I860 - 64-bitowy procesor graficzny z 2 jednostkami obliczeń
stałopozycyjnych i zmiennoprzecinkowych, z układem MERGE
(mnożenie macierzy 4x4)

5. Systemy wieloprocesorowe z przetwarzaniem potokowym:
Chipsety GeForce: Vertex Shader, Pixel Shader, Unified Shader
- przetwarzanie potokowe - strumień informacji opisujących pojedynczą
klatkę animacji;
- obliczenia na danych opisujących wierzchołki (współrzędne, wektory
normalne);
- obliczenia na wartościach pikselowych (składowe R, G, B, A);

- obliczenia wykonywane w shaderach (kilku-kilkudziesięcio rozkazowe
programy)

Sygnały synchronizacji urządzeń rastrowych:
- synchronizacja pozioma (ang. Horizontal)
- synchronizacja pionowa (ang. Vertical)
- sygnał wygaszania: Blank (HBlank, VBlank)

• Parametry sygnałów synchronizacji

Synchronizacja pozioma

1. Horizontal Line Rate: HFreq [kHz]

2. Horizontal Synchronization Width: HSync [μs]

3. Horizontal Back: HBack [μs]

4. Horizontal Front: HFront [μs]

HFront HSync HBack

HActive (K pixeli)

HBlank

1/HFreq

Synchronizacja pionowa

1. Vertical Line Rate: VFreq [Hz]

2. Vertical Synchronization Width: VSync [ms]

3. Vertical Back: VBack [ms]

4. Vertical Front: VFront [ms]

VFront VSync VBack

VActive (L linii video)

VBlank

1/VFreq

Przykład 1.

Sprawdzić czy monitor o dopuszczalnej częstotliwości odchylania poziomego HFreq=33 kHz może współpracować z kartą graficzną SVGA w trybie rozdzielczości 800x600 z częstotliwością odświeżania VFreq=60Hz.

Wymagania techniczne monitora: min. czas HBlank=5μs

min. czas VBlank=0.67ms

VFront VSync VBack

600 linii video (VActive)

VBlank

1/VFreq

1. VFreq=60Hz

VActive =1/VFreq - VBlank= 1/60Hz-0.67ms=16.67-0.67=16.0ms

HFreq=1/(VActive/L)=1/(16.0ms/600)=1/26.67μs=37.5kHz

2. VFreq=50Hz

VActive =1/VFreq- VBlank= 1/50Hz-067ms=20.0-0.67=19.33ms

HFreq=1/(VActive/L)=1/(19.330ms/600)=1/32.22μs=31.0kHz

Przykład 2.

Wyznaczyć pasmo przenoszenia sygnału video (VBW) dla karty j.w. dla:

L=600 linii

K=800 pixeli

HFreq=37.5KHz VBW - Video Band Width

HFront HSync HBack

HActive (800 pixeli)

HBlank

1/HFreq

HActive=1/HFreq-HBlank=26.67μs-5μs=21.67μs

VBW=1(HActive/K)=1/(21.67μs/800)=1/27.09ns=36.9MHz

Zadanie 1:

Obraz wyświetlany na monitorze w sposób kolejnoliniowy odświeżany jest z częstotliwością VFreq=60Hz. Zakładając, że układy sterujące monitora wymagają minimalnych czasów wygaszania HBlank=2µs i VBlank=2ms wyznaczyć częstotliwość sygnału synchronizacji poziomej HFreq i szerokość pasma sygnału video VBW dla kart graficznych generujących obraz w standardzie:

• Hercules 720x348

• EGA 640x350

• VGA 640x480

• SVGA 800x600

• * 1024x768

• TIGA 1280x1024

• * 1600x1280

Lp.	Standard	KxL	HFreq [kHz]	VBW [MHz]
1.	Hercules	720x348	23.80	18.0
2.	EGA	640x350	23.86	16.04
3.	VGA	640x480	32.7	22.4
4.	SVGA	800x600	40.90	35.60
5.		1024x768	52.35	59.91
6.	TIGA	1280x1024	69.83	103,89
7.		1600x1280	87,25	169.0

Zadanie 2:

Wyznaczyć częstotliwość sygnału synchronizacji poziomej HFreq i szerokość pasma sygnału video VBW dla obrazu generowanego z przeplotem o rozdzielczości:

• 800x600

• 1024x768

• 1280x1024

• 1600x1280

Zakładamy (jak w Zadaniu 1), że układy sterujące monitora wymagają minimalnych czasów wygaszania HBlank=2µs i VBlank=2ms oraz odświeżanie z częstotliwością VFreq=60Hz

Lp.	Standard	KxL	HFreq [kHz]	VBW [MHz]
1.	SVGA	800x600	20.45	17.66
2.		1024x768	26.18	29.59
3.	TIGA	1280x1024	34.90	51.20
4.		1600x1280	43.63	82.82

Przebiegi synchronizacji pionowej i poziomej w trybie z przeplotem

VFront VSync VBack

VActive L/2 linii video

VBlank

1/VFreq

HBlank_p

HFront HSync HBack HSync HBack

HActive (K pixeli)

HBlank

1/HFreq

• Założenia: (tak się przyjmuje):

HFront = HBack ≅ 10 ÷20 % HBlank

dla 20%:HBlank :

HFront = HBack = 0,2*HBlank → HBlank_p = 1,8*HBlank

Rozwiązanie: VFreq=60Hz

1. VActive = 1/VFreq - VBlank= 1/60Hz-2ms=16.67-2=14,67ms

2. HFreq=1/(VActive/(L/2))=1/(14,67ms/300)=1/0,0489ms=20,45kHz

3. HBlank_p = 1,8*HBlank= 1,8*2s =3.6s

4. HActive = 1/HFreq - HBlank_p = 1/(20,45kHz)- 3.6s=48,9-3,6=45,3 s

5. VBW=1/( HActive/K)=1/(45,3 s/800)=17,66 MHz

Zadanie 3:

Wyznaczyć maksymalną częstotliwość odświeżania obrazu dla karty graficznej generującej obraz:

1. bez przeplotu

2. z przeplotem

o rozdzielczości 1600x1280 taktowanej zegarem VCLK=100MHz zakładając, że minimalne czasy wygaszania pionowego i poziomego wynoszą odpowiednio HBlank=1µs i VBlank=1ms

Rozwiązanie:

******************Synchronizacja pozioma***************************************************

HActive = K * 1/VCLK = 1600* 1/100 MHz = 16s

1. 1/ HFreq = HActive + HBlank = 16s + 1s = 17s

2. 1/ HFreq = HActive + HBlank_p = 16s + 1,8s = 17,8s

HBlank_p = 1,8*HBlank

******************Synchronizacja pionowa***************************************************

1. VActive = L * 1/ HFreq = 1280* 17s = 21,76 ms

2. VActive = L/2 * 1/ HFreq = 640* 17,8s = 11,39 ms

1. 1/ VFreq = VActive + VBlank = 21,76 ms + 1 ms = 22,76 ms

2. 1/ VFreq = VActive + VBlank = 11,39 ms + 1 ms = 12,39 ms

1. VFreq = 1/ 22,76 ms = 43,9 Hz

2. VFreq = 1/ 12,39 ms = 80,7 Hz

Uwagi:

1. zbyt mała częstotliwość VFreq w trybie bez przeplotu /migotanie obrazu/

Procesor TMS34010 - blok współpracy z monitorem

• Rejestry środowiskowe bloku współpracy z monitorem TMS34010

• Przebiegi sygnałów w czasie wyświetlania jednej linii obrazu

• Przebiegi sygnałów w czasie wyświetlania jednego obrazu

• Wyświetlanie obrazu - charakterystyka czasowa

Zadanie 4

Wyznaczyć wartości rejestrów środowiskowych bloku współpracy z monitorem procesora graficznego TMS34010 określających parametry czasowe sygnałów synchronizacji dla obrazu generowanego w trybie:
- rozdzielczość KxL=1152x870
- częstotliwość odświeżania VFreq=75 Hz
- pasmo przenoszenia VBW=100 MHz. - {VCLK}
Zweryfikować parametry czasowe obliczone z rzeczywistymi.

	Macintosh 1152x870
HFreq [kHz]
A [ µs ]	12.98
B [ µs ]	1.0
C [ µs ]	0.23
D [ µs ]	11.52
E [ µs ]	0.23

VFreq [Hz]	75.0
O [ms]	13.33
P [ ms ]	1.6
Q [ ms ]	0.2
R [ ms ]	11.33
S [ ms ]	0.2
VideoClock [MHz]	100,0

Rejestry	Macintosh 1152x870
HESYNC
HEBLNK
HSBLNK
HTOTAL
VESYNC
VEBLNK
VSBLNK
VTOTAL

ROZWIĄZANIE:

DANE: Rozdzielczość 1152 x 870

VFreq = 75 Hz

VCLK = 100 MHz

************OBLICZENIA WSTĘPNE*****************

O =1/VFreq = 1/(75 Hz) = 13.33 ms

HActive = D =1152∗1/VCLK =1152*10 ns = 11.52 s

**********************************************************

*********VERTICAL**********************************

Określamy VBlank

VBlank =1/VFreq − (HActive+HBlank) ∗L
VBlank ma wartość maksymalną dla HBlank=0 stąd:
VBlank << 1/VFreq − (HActive+0) ∗870 = 13.33 − 10.02 =3.31 ms:

Przyjmujemy VBlank = 2 ms

VBlank = P + Q + S

Q = S = ≈ (10÷20%) VBlank przyjmujemy10% stąd:
Q = S = 0.2 ms

P = 1.6 ms

R = VActive = 1/VFreq − VBlank = 13.33 − 2 =11.33 ms

A = 1/HFreq = VActive/ 870 =11.33 ms / 870 =12.98 s

HBlank = A − D = 1/HFreq − HActive =12.98 − 11.52 =1.46 s

HBlank = B + C + E

C = E = ≈ (10÷20%) HBlank przyjmujemy C=E=0.23 s (≈15% ) stąd:
C = E = 0.23 s

B = HBlank - C - E = 1.46 -0.23-0.23 = 1 s

*********************************************************

*********HORIZONTAL******************************

Określamy HBlank

HBlank + HActive =(1/VFreq-VBlank) / 870
HBlank ma wartość maksymalną dla VBlank=0 stąd:
HBlank + HActive << (1/VFreq-0) / 870= 13.33 ms / 870 = 15.32 s

HBlank << 15.32 s − HActive = 15.32 − 11.52 = 3.8 s

Przyjmujemy HBlank = 1.46 s

HBlank = B + C + E

C = E = ≈ (10÷20%) HBlank
przyjmujemy C = E = 0.23 s stąd B =1.46 − 0.23 − 0.23 = 1 s

A = 1/HFreq = HActive + HBlank =11.52+1.46 = 12.98 s

• R = VActive = 1/HFeq ∗ 870 = 11.33

• -s
  

VBlank = O − R = 1/VFreq − VActive =13.3 − 11.3 =2 ms

VBlank = P + Q + S

Q = S = 0.2 ms ≈ (10÷20%) VBlank

P = 1.6 ms

*********************************************************

Dla HSync jednostka taktu 1/VCLK= 10 ns		Przeliczenie na takty	Dla VSync jednostka taktu 1/HFreq= A= 12.98 µs		Przeliczenie na takty
A	12.98 µs	1298	O	13.3 ms	13.3 ms/(12.98 µs)=1024
B	1.00 µs	100	P	1.6 ms	1.6 ms/(12.98 µs)=123
C	0.23 µs	23	Q	0.2 ms	0.2 ms/(12.98 µs)=15
D	11.52 µs	1152	R	11.3 ms	11.3 ms/(12.98 µs)=870
E	0.23 µs	23	S	0.2 ms	0.2 ms/(12.98 µs)=15

Rejestry (uwzględnia numerację taktów od 0)

HESYNC+1	B = 100
HEBLNK+1	B + C = 100 + 23 = 123
HSBLNK+1	B + C + D = 123 + 1152 = 1275
HTOTAL+1	B + C + D + E =A = 1275 + 23= 1298
VESYNC+1	P = 123
VEBLNK+1	P + Q = 123 + 15 = 138
VSBLNK+1	P + Q + R = 138 + 870 = 1008
VTOTAL+1	P + Q + R + S =O = 1008 + 15= 1023

Zweryfikować parametry czasowe obliczone z rzeczywistymi

Wartości obliczone		Wartości rzeczywiste 1/VCLK= 10 ns
A	12.98 µs	1298•10 ns=12.98 µs
B	1.00 µs	100•10 ns=1.00 µs
C	0.23 µs	23•10 ns=0.23 µs
D	11.52 µs	1152•10 ns=11.52 µs
E	0.23 µs	23•10 ns=0.23 µs

Wartości obliczone		Wartości rzeczywiste 1/HFreq= A= 12.98 µs
O	13.3 ms	1024•12.98 µs = 13.291 ms
P	1.6 ms	123•12.98 µs = 1.596 ms
Q	0.2 ms	15•12.98 µs = 0.195 ms
R	11.3 ms	870•12.98 µs = 11.293 ms
S	0.2 ms	15•12.98 µs = 0.195 ms

Literatura: Grafika Komputerowa - metody i narzędzia. Jan Zabrodzki

Rozdz. 9

9.22 Procesory graficzne

TMS 34010

TMS 34020

Układ współpracy z urządzeniami zobrazowania

↓

Rejestry wewnętrzne:

HESYNC+1

WYNIKI

Zadanie 1
DANE				WYNIK
VFreq	60	[Hz]		VActive [ms]	14,67
VBlank	2	[ms]
HBlank	2	[s]
DANE			WYNIK
	K	L	HFreq [kHz]	HActive [s]	VBW [MHz]
Hercules	720	348	23,73	40,15	17,93
EGA	640	350	23,86	39,90	16,04
VGA	640	480	32,73	28,56	22,41
SVGA	800	600	40,91	22,44	35,64
	1024	768	52,36	17,10	59,89
TIGA	1280	1024	69,82	12,32	103,87
	1600	1280	87,27	9,46	169,16
Zadanie 2			z przeplotem
DANE				WYNIK
VFreq	60	[Hz]		VActive [ms]	14,67
VBlank	1	[ms]
HBlank	2	[s]	HBlankp	3,6	[s]
DANE			WYNIK
	K	L	HFreq [kHz]	HActive [s]	VBW [MHz]
SVGA	800	600	20,45	45,29	17,66
	1024	768	26,18	34,59	29,60
TIGA	1280	1024	34,91	25,05	51,11
	1600	1280	43,64	19,32	82,83
Zadanie 3
DANE				WYNIK
VCLK	100	[MHz]		HActive [s]	16,00
VBlank	1	[ms]
HBlank	1	[s]	HBlankp	1,8[s]
	K	L
	1600	1280
			WYNIK
			(a) bez przeplotu	(b) z przeplotem
1/HFreq	[s]		17	17,8
VActive	[ms]		21,76	11,39
1/VFreq	[ms]		22,76	12,39
VFreq	[Hz]		43,9	80,7

 VActive=1/VFreq - VBlank

 HFreq=1/(VActive/L)
 HActive=1/HFreq-HBlank
 VBW=1/(HActive/K)

 VActive=1/VFreq - VBlank

 HFreq=1/(VActive/(L/2))
 HBlank_p=1,8*HBlank
 HActive=1/HFreq-HBlank_p
 VBW=1/(HActive/K)

 HBlank_p=1,8*HBlank
 HActive=K*1/VCLK

(a)
1/HFreq=HActive+HBlank

VActive=L*1/HFreq

1/VFreq=VActive+Vblank

VFreq=

(b)

1/HFreq=HActive+HBlank_p

VActive=L/2*1/HFreq

1/VFreq=VActive+Vblank

VFreq=

---