Графический адаптер 8514/a фирмы IBM

Аннотация.

В статье рассматриваются основные особенности нового дисплейного адаптера 8514/A и цветного монитора 8514 фирмы IBM для ПЭВМ. Приводятся результаты тестирования производительности адаптеров 8514/A и VGA, проведенного на моделях 60 и 80 ПЭВМ серии PS/2.

Одновременно с началом производства персональных компьютеров серии PS/2, объявленного к выпуску фирмой IBM в апреле 1987 года, IBM начала выпуск дисплейного адаптера 8514/A и цветного дисплея 8514, что явилось второй попыткой фирмы войти в состав производителей высококачественного графического оборудования. Первая такая попытка была сделана в 1985 году с выпуском профессионального графического контроллера (PGC) и профессионального графического дисплея. Попытка не увенчалась успехом ввиду высокой стоимости и недостаточной производительности системы. С того времени как возможности аппаратных средств машинной графики, так и требования к ним со стороны пользователей значительно возросли. Это и послужило стимулом для фирмы IBM в создании дисплейного адаптера для ПЭВМ, значительно превосходящего предшественников по производительности и разрешающей способности.

Несмотря на то, что адаптер 8514/A и монитор 8514 работают совместно, они могут поставляться и отдельно друг от друга. Адаптер 8514/A может использоваться для отображения большего количества цветов в режиме графического адаптера VGA (Video Graphic Array) по сравнению с собственно VGA при его использовании совместно с мониторами 8512 и 8513, разработанными для ПЭВМ серии PS/2. Монитор 8514 хорош и сам по себе, однако его максимальные возможности раскрываются только при его совместном использовании с дисплейным адаптером 8514/A.

В целом, адаптер 8514/A является типичным продуктом фирмы IBM. В нем нет особых технических новшеств - другие производители аппаратуры выпускают графические адаптеры либо большей производительности, либо меньшей стоимости. Может быть, главным достоинством нового адаптера является то, что его выпуск фирмой IBM привлечет дополнительное внимание потребителей к высококачественным графическим средствам, т.к. не покупавшие графическое оборудование других фирм-производителей пользователи, вероятно, сочтут целесообразным приобрести графическую систему 8514, что приведет к расширению рынка графической аппаратуры.

Адаптер 8514/A предтавляет собой устройство, смонтированное на одной плате, которая может быть установлена на моделях 50, 60 и 80 серии ПЭВМ PS/2. Адаптер подключается в соответствующее гнездо шины типа "микроканал" (Micro Channel) и соединяется с монитором посредством 15-штырькового разъема. Подключение к адаптеру монитора 8514 (с размером экрана 19 дюймов по диагонали), позволяет получать на экране изображения с разрешением 1024 x 768 пикселов. Стандартный дисплейный адаптер 8514/A позволяет одновременно отображать на экране до 16 цветов, а при установке дополнительной дисплейной памяти - 256 цветов. Цвета могут выбираться из палитры в 256000 цветов.

Несмотря на то, что существуют дисплеи и с более высокими характеристиками, возможность функционирования графического адаптера 8514/A в режиме 1024 x 768 пикселов, является существенным шагом вперед по сравнению с адаптером типа VGA, причем, без значительного увеличения стоимости аппаратуры. Во многих системах высококачественной графики стоимость монитора составляет от половины до двух третей стоимости всей системы. Фирме IBM удалось существенно снизить стоимость ее новой графической системы путем использования монитора с чересстрочной разверткой и ограничения максимального разрешения до 1024 x 768 пикселов.

Совместно с дисплейным адаптером 8514/A могут использоваться любые типы мониторов ПЭВМ серии PS/2, а именно: цветные - 8514, 8512, 8513 и черно-белый 8503. При подключении к адаптеру 8514/A мониторов 8512 и 8513 обеспечивается максимальное разрешение 640 x 480 пикселов с одновременным представлением на экране 16 либо 256 цветов (см. табл. 1). Для достижения полной программной совместимости с адаптером VGA, 8514/A подключается к расширенному видеовыходу VGA по шине микроканала (см. John T. Cockerman "VGA: Evolutionary Half-Step", PC TECH JOURNAL, август 1987, стр. 74). Когда адаптер 7514/A не работает в режиме максимального разрешения, а просто пропускает через себя на видеомонитор сигналы от встроенного в ПЭВМ адаптера VGA. Таким образом, выходные сигналы, по сути дела, формируются адаптером VGA, что и гарантирует полную программную совместимость.

Адаптер 8514/A (так же как и VGA) обеспечивает формирование "квадратных" пикселов, т.е. формирование такого растра, где расстояния между двумя соседними пикселами по вертикали и по горизонтали совпадают. Разрешение 1024 x 768, также как и 640 x 480, дает соотношение 4 пиксела по горизонтали к 3 пикселам по вертикали, что совпадает с отношением размера экрана по горизонтали к размеру по вертикали. Использование "квадратных" пикселов упрощает разработку программного обеспечения и позволяет повысить скорость вывода на экран. С того времени, как был выпущен персональный компьютер Macintosh (первый персональный компьютер, обеспечивающей соотношение 4 к 3), пользователи смогли оценить качество изображения и легкость чтения символьной информации на экране дисплея, достигаемых применением такого подхода к выбору разрешения на экране.

Работа дисплейного адаптера 8514/A в режиме высокого разрешения обеспечивается специальным программным интерфейсом, транслирующем поступающие на его вход команды в последовательности команд управления аппаратурой адаптера. Для того, чтобы адаптер начал или прекратил функционирование в режиме высокого разрешения, прикладная программа должна сформировать специальные запросы начала или прекращения работы в этом режиме. Адаптер использует обращение к специальной пограмме для определения режима своей работы.

При включении ПЭВМ адаптер 8514/A является пассивным и весь вывод на экран производится посредством встроенного VGA. Адаптер переключается на режим высокого разрешения только после загрузки программ вышеупомянутого интерфейса (модуль HDILOAD.EXE типа TSR - terminate-and-stay-resident, т.е. такая программа, которая после вызова остается резидентной) и обращения к интерфейсу со стороны прикладной программы. В конце своей работы прикладная программа должна выдать на интерфейс команду на прекращение работы адаптера в режиме высокого разрешения, после чего адаптер возобновляет функционирование в режиме VGA. Т.к. в режиме высокого разрешения адаптер 8514/A использует свою внутреннюю память, то после завершения работы в этом режиме полностью восстанавливается состояние VGA, предшествующее переключению 8514/A в режим высокого разрешения.

Графический адаптер 8514/A представляет собой мощный графический процессор с весьма ограниченным набором аппаратно реализованных функций. Набор функций может быть расширен программным путем. В функциональном плане адаптер 8514/A больше всего напоминает одну из первых графических микросхем NEC7220. Микросхемы, ориентированные на выполнение графических функций, разработанные позднее, такие как HD63484 (Hitachi), TMS34010 (Texas Instruments), представляют собой значительно более мощные и гибкие графические устройства (см. Ed McNierney, "High-Perfomance Graphics: Intel 82786" и"Custom-Tailored Graphics: TMS34010", PC TECH JOURNAL, июль 1987, стр. 56 и 68 соответственно). Адаптер 8514/A значительно уступает перечисленным выше устройствам по своим возможностям, хотя и приближается к ним по скорости рисования. В частности, даже в микрос хеме фирмы Hitachi, разработанной одной из первых, существует аппаратная поддержка вывода дуг, чего нет в 8514/A.

Монитор 8514

Монитор 8514 фирмы IBM является первым монитором для ПЭВМ этой фирмы, работающим в режиме черезстрочной развертки, хотя такой подход достаточно широко распространен при реализации высококачественных графических систем. Разрешение, обеспечиваемое монитором, часто измеряется частотой строк - количеством формируемых каждую секунду строк. Для монитора 8514 эта величина при 768 строках и частоте кадров 60 Гц доложна быть равной 60 кГц. Вместо того, чтобы при развертке кадра каждый раз выводить на экран все его строки, в режиме черезстрочной развертки при генерации одного кадра выводятся только его четные строки,а при выводе следующего - нечетные. В результате получим уменьшение частоты вывода строк в два раза, т.к. при выводе каждого кадра отображается в два раза меньше строк, чем в нем содержится, или, что то же самое, при одной и той же частоте строк можно увеличить количество строк в кадре. Это позволит увеличить разрешение по вертикали. Как видно из сказанного выше, частота строк может быть также уменьшена путем снижения частоты кадров.

При переключении монитора 8514/A с режима 640 x 480 в режим 1024 x 768 используются оба подхода. В режиме 640 x 480 в каждом кадре отображаются все строки, частота кадров при этом составляет 60 Гц. Теоретически, в режиме черезстрочной развертки разрешение может вырасти до 960 строк по вертикали, однако уменьшение частоты кадров до 30 Гц может привести к тому, что изображение на экране будет нестабильным - побочный эффект применения чересстрочной развертки. Ограничением, как это сделано в 8514/A, количества строк (768 вместо 960) и увеличением частоты кадров до 44 Гц вместе с применением люминофоров с длительным временем послесвечения, удается избежать появления побочных эффектов . В результате, фирмой IBM был создан отличный монитор для вывода изображений, хотя он все же не очень пригоден для применения в системах автоматизированного проектирования (САПР), при выполнении чертежных работ и т.п.

Появление побочных эффектов в значительной степени зависит от условий освещенности, в которых эксплуатируется монитор. В связи с этим при покупке монитора 8514 рекомендуется проверить его пригодность для работы в тех условиях освещенности, в которых предполагается его эксплуатация. В противном случае, приобретение такого монитора может оказаться дорогостоящей ошибкой.

Так же как и VGA, адаптер 8514 использует обратную связь от монитора для определения его типа. Информация, полученная от монитора используется в начальный момент времени работы адаптера, а в тех случаях, когда монитор не поддерживает режимов высокого разрешения, служит указанием адаптеру на невозможность использования таких режимов. Три из 15 контактов в соединении адаптера с монитором используются для определения типа монитора и либо заземляются, либо остаются незадействованными внутри монитора. Анализируя поступающую по этим линиям информацию, адаптер 8514/A соответствующим образом настраивается на тип используемого монитора.

Как уже указывалось выше, адаптер 8514/A при работе в режиме VGA просто пропускает через себя сигналы от встроенного в ПЭВМ VGA. Для подключения монитора может быть использован и стандартный выход VGA при работе 8514/A в режиме высокого разрешения. Это является единственной возможностью в ПЭВМ серии PS/2 подключения двух мониторов: 8514 подключается к выходу адаптера 8514/A, а другой монитор - к стандартному выходу VGA.

Интерфейс с адаптером

В отличие от предыдущих типов дисплейных адаптеров фирмы IBM для 8514/A отсутствует описание аппаратного интерфейса с адаптером - все операции по управлению работой адаптера 8514/A осуществляются при помощи специального программного интерфейса. Такое ограничение в использовании адаптера позволяет фирме производить изменения в аппаратуре вплоть до изменения адресов памяти и портов ввода/вывода без изменений в прикладных программах. Перечень адресов памяти и портов ввода/вывода адаптера 8514/A приведен в таблице 2.

Теоретически, программный интерфейс удобнее аппаратного, однако на практике это не всегда так, причем как для пользователей, так и для разработчиков системы. Для пользователей это неудобно тем, что между прикладной программой и графической аппаратурой появляется дополнительная прослойка в виде программного интерфейса, что не позволяет оптимизировать работу адаптера для конкретного приложения.

С другой стороны, для разработчиков фирмы возникает проблема, подобная той, которая возникла при создании видеоинтерфейса в операционной системе OS/2 - необходимость придерживаться строго определенного программного интерфейса. Но при этом разработчики должны быть убеждены, что интерфейс позволит им обеспечить примерно ту же поизводительность системы, что и при прямом обращении к аппаратуре. В случае OS/2 обеспечиваемые функциями VIA операции в алфавитно-цифровом режиме, по-видимому, удовлетворяют этому требованию. Что касается программного интерфейса к дисплейному адаптеру 8514/A, это далеко не так очевидно.

Адреса памяти и портов вв/выв.

Адреса памяти (шестнадцат.)
C600:0800  -  C700:0FFF
CA00:0000  -  CA00:07FF
============================
Адреса вв/выв (шестнадцат.) 
100, 101, 102
2E8, 2E9, 2EA, 2EB, 2EC, 2ED
3C6, 3C7, 3C8, 3C9
6E8, 6E9, 6EA, 6EB, 6EC, 6ED
7C6, 7C7, 7C8, 7C9          
BC6, BC7, BC8, BC9
FC6, FC7, FC8, FC9
AE8, AE9, AEA, AEB, AEC, AED
EE8, EE9, EEA, EEB, EEC, EED

С точки зрения фирмы, второй недостаток программного интерфейса заключается в том, что программный интерфейс может быть сдублирован другими фирмами применительно к разработанной ими аппаратуре, тогда как аппаратный интерфейс является сложным, дорогим, трудно поддающимся копированию и позволяет легко скрыть недокументированные возможности аппаратуры. В частности, уже разработано программное обеспеспечение для графического процессора TMS34010, эмулирующее интерфейс адаптера 8514/A. Многие такие системы будут обладать большей поизводительностью и гибкостью в использовании по сравнению с адаптером 8514/A и смогут составить ему серьезную конкуренцию. Изменения в аппаратуре увеличивают стоимость каждой выпущенной единицы аппаратно совместимого интерфейса, тогда как программа должна быть разработана только один раз. С этой точки зрения, интересно, сколько сможет продержаться программный интерфейс адаптера 8514/A?

Подобно стандартному интерфейсу с прикладной программой (Applications Program Interface - API) операционной системы OS/2 интерфейс с адаптером 8514/A использует механизм вызова функций для выдачи команд дисплейному адаптеру (описание API может быть найдено в: Michael Brian Bentley, "A Consistent API", PC TECH JOURNAL, март 1988, с.78). Т.к. DOS, в отличие от OS/2, не обеспечивает динамического редактирования связей, для определения точек входа в программы интерфейса используется механизм программных прерываний.

Вместе с адаптером 8514/A поставляется программа HDILOAD.EXE, которая после ее вызова становится доступной прикладной программе через прерывание 7Fh. Эта программа инициализирует дисплейный адаптер, проверяет его состояние и при обращении к ней обеспечивает получение ссылки на начало таблицы адресов точек входа в программы интерфейса. Для получения адреса таблицы необходимо загрузить в регистр AX значение 105h и выдать прерывание с номером 7Fh. При успешном выполнении запроса (если флаг переноса не установлен) пара регистров CX:DX содержит адрес начала таблицы из 59 адресов точек входа, представленных в виде "сегмент : смещение". Краткое описание всех функций интерфейса HDILOAD с дисплейным адаптером приведено в таблице 3.

Каждая из функций интерфейса принимает в качестве аргумента далекий указатель на блок параметров, специфичный для каждой функции программного интерфейса. Обращения к функциям HDILOAD выполняются в соответствии с соглашениями, принятыми в языке программирования ПАСКАЛЬ - перед возвратом управления в вызывающую программу параметр удаляется из стека. Если функция возвращает какие-либо значения, то они помещаются в соответствующую структуру, адрес которой задается в параметрах вызова. Интерфейс HDILOAD после загрузки занимает 16К оперативной памяти и не может быть удален без перезагрузки операционной системы.

Программный интерфейс адаптера является достаточно простым. Программисту не приходится выбирать каким образом ему выполнять ту или иную операцию, - программный интерфейс предоставляет только один способ ее выполнения. Единственная сложность может возникнуть на шаге инициализации 8514/A, т.к. здесь необходимо проверить наличие адаптера, убедиться, в том что загружен программный интерфейс и произведены соответствующие установки режимов.

В большинстве случаев для выполнения таких действий пользователем может быть написана стандартная программа. В качестве примера прикладной программы, использующей обращения к 8514/A, приведена программа на языке C под названием 8514DEMO.C. Эта программа в начале своего выполнения инициализирует интерфейс с адаптером, а затем выводит на экран сообщение "Hello, Display Adapter 8514/A!" с использованием стандартного шрифта 12 x 20.

Графика высокого разрешения

Адаптер 8514/A обеспечивает высокоуровневый графический интерфейс для вывода на экран прямых линий, геометрических фигур, текста, загрузки изображения и манипулирования ими, управления курсором, "вырезанием" частей изображения и закраской, а также получение параметров текущего режима работы дисплея. Интерфейс не ориентирован на какие либо конкретные приложения и, что является существенным недостатком, не может быть расширен разработчиками других фирм ввиду отсутствия описания аппаратуры адаптера.

Программный интерфейс 8514/A содержит ряд функций, позволяющих определить текущее состояние и режим работы адаптера, что дает возможность прикладной программе выбирать соответствующие действия в зависимости от состояния адаптера. Необходимость наличия таких функций вызвана тем обстоятельством, что адаптер может работать в двух различных режимах по разрешению: 640 x 480 и 1024 x 768 и двух режимах по количеству одновременно представленных на экране дисплея цветов: 16 и 256. Кроме того, такие функции окажутся полезными, если фирмой IBM будут разработаны новые версии адаптера, допускающие использование и каких-либо других графических режимов.

При использовании разрешения 1024 x 768 адаптер работает только в графическом режиме - режиме адресации всех точек экрана (all-point-addressable - APA), хотя и позволяет осуществлять вывод текстовой информации. При указанном разрешении существуют три режима функционирования адаптера, различающиеся только стандартными размерами символов, выводимых на экран дисплея. Допускается использование символов в трех форматах, что обеспечивает следующие возможности вывода на экран дисплея:

• 38 строк по 85 символов в строке;
• 54 строки по 128 символов;
• 51 строку по 146 символов.

Во всех операциях над алфавитно-цифровыми строками используются данные об атрибутах выводимого символа. Формат текстового атрибута, за исключением бита мерцания, соответствует формату, принятом в дисплейной станции IBM 3270, чем достигается совместимость с большими ЭВМ при выводе текстовых данных.

Несмотря на то, что в настоящий момент не существует версии HDILOAD для операционной системы OS/2, при разработке интерфейса принималась во внимание необходимость его адаптации к этой операционной системе. Так, HDILOAD обеспечивает возможность работы с буфером состояния задачи, в котором могут быть сохранены текущие параметры и режимы вывода. Прикладная программа может сгенерировать запрос к интерфейса с целью определения размеров такого буфера, затем выделить для него память и выдать запрос на сохранение параметров текущего режима в буфере, либо, если буфер был уже заполнен ранее - запрос на перевод адаптера в состояние, соответствующее содержимому этого буфера.

Ввиду того, что буфер состояния задачи не обновляется каждый раз при выводе данных на экран, его наличие не оказывает влияния на производительность системы. В среде операционной системы DOS возможность использования буфера состояния может оказаться полезной, например, для установки нескольких режимов рисования и быстрого переключения между ними впоследствии. Таким образом, использование подобных буферов состояния не ограничивается только многозадачными системами.

Адаптер поддерживает ряд двоичных режимов вывода на экран, которые в документации называются смешиванием (mixes). При использовании таких режимов на результат выполнения операции оказывает влияние не только цвет выводимого объекта, но и текущий цвет закрашиваемого пиксела. В качестве таких операций используются обычные операции булевой алгебры AND, OR, XOR (по непонятным причинам отсутствует операция NOT), а также арифметические операции такие как сложение, вычитание, усреднение и взятие минимума и максимума, что открывает широкие возможности по управлению процессом вывода. Выполнение таких действий, в отличие от адаптера VGA, где выполнение операций вывода в режиме смешивания моделируется программно, обеспечивается аппаратурой адаптера 8514/A, что позволяет повысить скорость вывода.

Операции графического вывода

Все операции графического вывода, выполняемые адаптером 8514/A, базируются на целочисленной координатной сетке. Использование "мировых" координат, так же как и координат, выраженных в форме с плавающей точкой, не допускается. Несмотря на то, что диапазон, в котором изменяются значения координат, значительно меньше, чем возможно закодировать в поле целого типа длиной в 4 байта, абсолютные координаты, поступающие на вход адаптера, должны быть представлены в виде четырехбайтовых целых. Относительные координаты, использование которых допускается некоторыми функциями интерфейса, представляются в формате 8-битового целого со знаком.

Координаты при графическом выводе, подаваемые на вход адаптера, должны находиться в следующем диапазоне: по оси X - от - 512 до 1535, по оси Y - от -512 до 767. При использовании разрешения 640 x 480 диапазон по оси Y составляет [-256, 767]. Как видно, размер той части координатной плоскости, которая появляется на экране, меньше размера всей координатной плоскости. При таком подходе прямоугольники, толстые линии и др. могут частично выходить за пределы экрана без появления не поместившейся части с противоположной стороны экрана.

Программами интерфейса обеспечиваются действия по выводу прямых линий, включая вывод линии в соответствии с ранее подготовленным пользователем образцом закраски, а также вывод линий различной толщины. При выводе прямых могут использоваться 8 стандартных образцов закраски и образец, задаваемый пользователем, каждый длиной 48 пикселов. Что касается толщины линий, то здесь выбор сильно ограничен - допускается использование линий только толщиной в 1 или 3 пиксела и, кроме того, не решены проблемы концов линий и их соединения.

Вывод толстых линий заключается в проведении двух дополнительных линий по обеим сторонам от исходной. При этом не гарантируется, что эти линии не будут частично перекрываться, в связи с чем этот метод применим только в случаях полной перекраски области экрана, занимаемой толстой линией (т.е. в режиме замены). При выводе с применением операций смешивания, например XOR, влияние линий друг на друга приводит к значительным искажениям. В результате возможность вывода толстой линии средствами адаптера практически не используется. В интерфейсе отсутствуют примитивы вывода окружностей, дуг и т.п.; поэтому при выполнении таких действий приходится пользоваться точным, но очень медленным методом вывода по одному пикселу, либо более быстрым, но недостаточно точным методом аппроксимации кривой отрезками прямых.

Операции закраски и копирования

Интерфейс не содержит явной команды закраски многоугольника, однако многоугольник может быть задан и закрашен путем использования команд адаптера "Начать закрашиваемую область" и "Закончить закрашиваемую область". Между этими двумя командами любые замкнутые фигуры, сконструированные при помощи команд вывода прямых, прямоугольников, а также команд перемещения на экране фрагмента изображения, будут закрашены в соответствии с текущим образцом.

Образцы задаются пользователем, их размеры могут находиться в пределах от 1 x 1 до 32 x 32 пиксела. Каждый образец может быть либо цветным, либо монохромным. При использовании монохромных образцов, закраска производится текущими цветами фона и закраски. Цветные образцы (до 8 бит на пиксел) используются без изменений. Для вывода закрашенного прямоугольника может применяться специальная команда, что позволяет выполнить данную операцию быстрее.

Операции копирования фрагмента изображения позволяют перемещать блоки изображений по экрану, копировать их в основную память ПЭВМ либо из основной памяти. Структура команд для выполнения такой операции достаточно сложна. Вначале выполняется одна из нескольких возможных команд запроса на копирование из основной памяти в дисплейную или наоборот, после чего следует команда, посредством которой передается адрес буфера, из которого или в который будет производиться копирование. Вторая команда может быть заменена командой перемещения блока изображения по экрану - адаптер осуществляет проверку на пересечение исходного и результирующего блоков изображения, после чего выбирает соответствующий алгоритм выполнения операции.

Изображение-источник может быть как многоцветным так и монохромным. При выполнении операции нули и единицы монохромного битового образа заменяются текущими цветами фона и закраски.

Если блок изображения переносится в другую область экрана, исходное изображение может быть "объединено" применением операций смешивания с изображением в той области экрана, куда должен быть помещен исходный блок в результате выполнения операции. При чтении из дисплейной памяти в основную никакие установки режимов смешивания не оказывают влияния на результат выполнения операции.

Управление палитрой

В адаптере 8514/A для выбора цветовой палитры используется набор из 256000 цветов (18 бит). Установленная в 8514/A палитра не зависит от палитры, используемой встроенным в ПЭВМ VGA. При работе адаптера в режиме VGA все установки палитры, сделанные базовой системой ввода/вывода применительно к встроенному VGA, дублируются адаптером 8514/A и, следовательно, никаких проблем, связанных с установкой палитры не возникает. Как только 8514/A переключается в режим графики высокого разрешения, все установки палитры теряют свою силу, что влечет за собой необходимость явного ее задания специальными командами интерфейса. При возврате к режиму VGA все прежние установки восстанавливаются.

Цветовая палитра является глобальным ресурсом, а не частью состояния задачи. Если для прикладной программы в многозадачной среде требуется установка собственной палитры, то она должна сохранить текущую палитру, установить новую, а в конце своего выполнения восстановить старую палитру.