Программные продукты и системы

В настоящее время средства машинной графики являются неотъемлемой частью современных компьютеров, что позволяет пользователям эффективно применять компьютеры для процессов визуализации информации. Важнейшей областью применения компьютеров являются системы автоматизированного проектирования (САПР), которые в широком смысле являются основным инструментом во многих областях (научные исследования, разработка новых программных систем, проблемно-ориентированные сферы). На мировом рынке современных средств ВТ представлено огромное количество графических систем: специализированные графические терминалы больших и мини-ЭВМ, графические рабочие станции, персональные компьютеры. Необычайно широкое распространение ПЭВМ, совместимых с IBM PC AT 286/386/486, привело к значительному увеличению прикладных применений во многих сферах и дало возможность огромному количеству пользователей применять его как в повседневной, так и профессиональной деятельности [1].

Графический адаптер "FLEXGRAPH 100"

"FLEXGRAPH 100" является графическим контроллером высокого разрешения и позволяет существенно увеличить скорость обработки графических данных. Он выполнен в виде дополнительной платы, устанавливаемой либо в 8-разрядный слот (PC/XT), либо в 16-разрядный (PC/AT) персонального компьютера. "FLEXGRAPH 100" построен на базе графической СБИС ACRTC HD63484, обеспечивающей режимы отображения графики и текста при общей частоте потока видеоданных ПО MHz.

СБИС ACRTC представляет мощный аппаратный видеоконтроллер, обладающий следующими свойствами [2]:

• преобразование логических X-Y координат в физические адреса кадрового буфера;
• наличие 38 специализированных команд, включающих 23 графические операции (вывод линий, кривых, многоугольников, эллипсов, закрашивание областей и др.);
• работа с окнами;
• функции горизонтального и вертикального "zoom";
• формирование символов;
• программирование разрядности выходных пикселов 1, 2, 4, 8, 16 бит;
• программирование телевизионного растра;
• интерфейс с ЦП;
• формирование курсора и ряд других.
•  

На рисунке 1 приведена структурная схема адаптера "FLEXGRAPH 100".

Посредством интерфейсной логики производится загрузка команд и данных в микропроцессор ACRTC, который формирует графические изображения в видеопамяти, выполненной в виде 2-х буферов из 8-битовых плоскостей каждый. Видеопамять построена на микросхемах TMS 44C251 VIDEORAM организацией 256Кх4 бит. Логика формирования видеопотока обеспечивает ввод видеоданных на входы цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). ЦАП выполнен на микросхеме фирмы Brooktree Bt451KPJ, и обеспечивает формирование видеосигнала, соответствующего частоте потока видеоданных 110 MHz. Важной особенностью данной микросхемы является наличие встроенной памяти типа "look-up-table", которая позволяет оперативно управлять цветовой палитрой отображаемых изображений. Логика интерфейса и контроллера видеопамяти выполнена на базе ИС программируемых логических матриц 16L8, 16R4.

Ниже, в таблице 1 приведены основные характеристики контроллера "FLEXGRAPH 100".

Таблица 1

Графический процессор                                        - Hitachi ACRTC HD63484

Объем кадрового буфера                                      - 2 Мб

Количество одновременно отображаемых цветов     - 256

Количество возможных цветов в палитре            - 4096

Частота вывода пикселов                                      — 110 MHz

Максимальное разрешение                                   - 1024x1280

Тип развертки                                                        - прогрессивная Масштабирование:

вертикальное                                     - аппаратное

горизонтальное                                 - программное

Интерфейс                                                              - 8/16 бит РС/ХТ/АТ

- DMA режим

Размеры контроллера                                            - 327x94 мм

Потребляемая мощность                                      - 5Vx4,5A

Программное обеспечение "FLEXGRAPH 100"

Программное обеспечение адаптера "FLEXGRAPH 100" представлено рядом стандартных драйверов для распространенных систем ПЭВМ:

-    BGI driver позволяет эффективно использовать адаптер "FLEXGRAPH 100" с языками про граммирования "Borland". При помоши компиляторов, поддерживающих BGI интерфейс (Turbo С, Turbo Pascal, Borland C+ +), создаются программы для адаптера "FLEXGRAPH 100" в различных прикладных графических разработках.

-    "Microsoft Windows" интерфейс обеспечивается драйвером FLEXG 100.drv для работы в сис теме MS Windows 3.0 и соответственно со всеми прикладными системами в среде MS Windows.

-    HALO'88 интерфейс поддерживается драйвером HFLEX.drv, позволяющим использовать адаптер "FLEXGRAPH 100" с распространенным графическим пакетом HALO'88.

-    AutoCAD интерфейс обеспечивается драйвером ADIFLEX.EXE, который функционально со поставим с драйверами (ADI) большинства графических плат для системы AutoCAD. ADI драйвер "FLEXGRAPH 100" позволяет работать с версиями AutoCAD-Re lease 10 и Release 11. При работе с системой AutoCAD поддерживает двухмониторную конфигурацию, в качестве основного мони тора для работы используется монитор высокого разрешения, в качестве системного - любой мо нитор класса CGA, EGA, VGA, ADI драйвер позволяет использовать расширенные функции систе мы AutoCAD (например расширенное "меню"). Он также обеспечивает функцию "Zoom Window" в малой части области "меню", которое отображает область, определенную курсором, с увеличе нием на 4 уровня. "FLEXGRAPH 100" ADI драйвер также поддерживает программу. При этом нет необходимости при инициализации AutoShade перезагружать файл инициализации.

Графический стандарт "TIGA"

Предложенная фирмой IBM спецификация графического контроллера VGA для ПЭВМ привела его к фактическому стандарту, что позволило многим фирмам производить контроллеры, совместимые по регистрам и функциям BIOS с контроллером IBM VGA. Кроме того, множество производителей выпускают графические платы SUPER-VGA, совместимые с IBM VGA, но обладающие более высоким разрешением, цветовой палитрой и др. Происходит острая конкурентная борьба на рынке ПЭВМ по проблеме выбора следующего стандарта для графического контроллера. Существует две точки зрения на выбор следующего стандарта, должен ли он быть специфицирован на аппаратном уровне или на уровне программного интерфейса. По-видимому, основные производители средств графики склонны принять спецификацию программного интерфейса. В настоящее время выделяются два графических стандарта на уровне программного интерфейса - стандарт А1 фирмы IBM для графического адаптера IBM 8514A и стандарт TIGA 340, предложенный фирмой TEXAS INSTRUMENTS. Этой же фирмой разработана более открытая архитектура стандарта ТЮА, кото* рая обеспечивается подробными спецификациями для разработчиков как аппаратных средств, так и прикладных программных.

На рисунке 2 представлена схема построения графического стандарта ТЮА.

Как видно из схемы, разработчикам программных средств необходимо разработать один TIGA драйвер, связывающий свою прикладную программу с интерфейсом ТЮА, после чего они будут уверены, что их программное средство будет работать с любыми видеоадаптерами, реализованными на базе TMS 34 процессоров. С другой стороны, разработчики аппаратных средств должны разработать управляющий код "TIGA EXECUTER" для обеспечения функций ТЮА в аппаратуре, и могут быть уверены, что любые программные продукты, распространенные на рынке ПЭВМ, будут работать на этих средствах. Практически все крупные разработчики программных средств для ПЭВМ в настоящее время поддерживают стандарт ТЮА. Среди них такие распространенные программные системы, как MS WINDOWS, AutoCAD, Ventura, Lotus и др. фирмой TEXAS INSTRUMENTS предложен ряд средств, например процессоры серии TMS 34*, позволяющие разрабатывать графические адаптеры различного поколения, вычислительной мощности и др. Основу для разработки графических адаптеров составляют специализированные графические процессоры TMS 34010, TMS 34020, сообщается о разработке TMS 34030. Кроме того, фирмой TEXAS INSTRUMENTS разработана специализированная видеопамять TMS 44с251 емкостью 256К*4бит и ряд других БИС (формирователь палитры - TMS 34070, контроллер памяти с возможностью интеграции VGA данных — TMS 34092 и Др.). Разработчики аппаратных средств с помощью программы SPK (Software Porting Kit) имеют возможность эффективно связать любую разработку на базе процессоров семейства TMS 34 с программным интерфейсом TMS 340. Разработчикам программных средств предлагается набор средств для разработки драйверов (Driver Developer's Kit-DDK), проблемно-ориентированных графических программ высокого уровня (Software Developer's Kit-SDK). Последний включает в себя компилятор языка С, ассемблер с функциями расширенной графики и библиотеку шрифтов.

Графические процессоры фирмы TEXAS INSTRUMENTS

Как было отмечено выше, в настоящее время фирмой TEXAS INSTRUMENTS производится 2 процессора - TMS 34010 [3] и TMS 34020 [4], которые предназначены для построения графических адаптеров, поддерживающих стандарт ТЮА. Процессоры TMS 34010, TMS 34020 являются высокопроизводительными универсальными 32-разрядными микропроцессорами, выполненными по технологии "CMOS" и оптимизированными для выполнения графических приложенний. Универсальность их системы команд, дополненная специальными графическими операциями, дает им существенное преимущество перед специализированными графическими контроллерами, например ACRTC HD63483, с одной стороны, и универсальными 32-разрядными микропроцессорами - с другой. Благодаря этим свойствам можно разгрузить центральный процессор ПЭВМ от вычислений как общего характера, так и формирования графических изображений по заданным алгоритмам.

Архитектура процессоров TMS 34010, TMS 34020 обеспечивает конвейерный принцип обработки информации, что позволяет формировать растр на экране монитора на несколько порядков быстрее обычного микропроцессора.

В таблице 2 указаны для примера скорости выполнения ряда графических операций микропроцессором TMS 34010/50 MHz.

Таблица 2

Процессоры TMS 34010, 34020 обладают такими свойствами, как наличие кэш-памяти команд (256 байт для TMS 34010, 512 байт для TMS 34020), 31-32 битовых регистра общего назначения, конвейерное АЛУ с переменной разрядностью, микропрограммируемыЙ контроллер управления видеопамятью, пиксельный процессор, процессор растровых операций, функциональный регистр сдвига и др.

На рисунке 3 приведена структура основных элементов процессоров TMS 34010, 34020

Рис.3. Структура основнь>х элементов TMS 340I0, 34020

Так как TMS 34020 является процессором второго поколения, выпущенного фирмой TEXAS INSTRUMENTS, он полностью совместим по системе команд с процессором TMS 34010, однако имеет ряд новых свойств. Основные отличия TMS 34020 от TMS 34010 приведены в таблице 3.

Таблица 3

На базе графических процессоров TMS 34010, 34020 разработана серия графических адаптеров, поддерживающих стандарт TIGA-FLEXIMAGE:

-   FLEXIMAGE 100/1 - недорогой графический адаптер на базе процессора TMS 34010 для PC AT, поддерживает мониторы типа S-VGA и обеспечивает вывод изображений форматом 1024*768 пикселов при 256 цветах.

—    FLEXIMAGE 100/2 — многофункциональный графический адаптер на базе процессора TMS

34010, поддерживающий различные форматы отображаемых изображений от 640*480 до FLEXIMAGE 200 - высокопроизводительный графический адаптер, построенный на базе процессора TMS 34020 и сопроцессора TMS 34082, обеспечивающий выходные изображения до формата 1600*1200 пикселов. На рисунке 4 приведена структурная схема адаптеров FLEXIMAGE.

Рис.4. Структурная схема адаптеров FLEXIMAGE

В таблице 4 приведены основные характеристики графических адаптеров серии FLEXIMAGE

Видеоадаптер класса "multimedia" FLEXWINDOW 100/VGA

FLEX WINDOW 100 - видеоадаптер, реализирующий функции "multimedia", позволяет связать персональный компьютер с TV-аппаратурой. С его помощью на экране VGA-монитора можно наблюдать реальные цветные телевизионные изображения, вводимые с внешних телевизионных источников стандарта PAL/SEKAM/NTSC, таких как VHS-видеомагнитофон, телевизионный тюнер, цветная видеокамера. Адаптер позволяет отображать изображение в любом окне VGA-монитора, обеспечивая аппаратное масштабирование 1:1,1:2,1:4. Максимальное разрешение от 640x480 (VGA) до 800x600 (S-VGA) при кодировании -24 бит.пиксел.

Произвольный кадр может быть зафиксирован в режиме стоп-кадр. Конструктивно адаптер состоит из базовой 327x94 мм платы, вставляемой в слот PC/AT и объединенной с платой VGA посредством коннектора расширения (feature connector). На основной плате располагается дочерняя плата, которая предназначена для ввода изображений, с использованием техники цифрового муль-тистандартного декодирования.

На рисунке 5 приведена структурная схема "основной платы" видеоадаптера "FLEXWINDOW 100". "

Основу видеоадаптера "FLEXWINDOW 100" составляет три банка видеопамяти А,В,С, каждый из которых производит запись полного цветного R,G,B кадра форматом 256 К (512*512) *24 бит. Запись цифровых потоков телевизионных кадров, поступающих с "дочерней платы" в регистр "TVDATA", происходит последовательно в банки А,В.С по параллельным входам видеопамяти, реализуемой на микросхемах TMS 44C251 фирмы TEXAS INSTRUMENTS. Запись и чтение банков видеопамяти не перекрываются, что позволяет осуществить независимую синхронизацию видеоданных с телевизионных источников и данных с адаптера VGA ПЭВМ.

Таблица 4

Управление работой видеоадаптера производится рядом регистров, загружаемых с ПЭВМ, которые определяют смещение телевизионного окна относительно левого верхнего угла дисплея, режимы отображения VGA данных, определяемых блоком адресной обработки, настройку цветовой палитры.

Наличие внутренней табличной памяти типа "look-up-table" в эналогово-цифровом преобразователе RAM DAC Bt473 kpj фирмы Brooktee позволяет оперативно проводить цветовую коррекцию выходных данных.

Данные VGA поступают с коннектора расширения на мультиплексор, на второй вход которого поступают данные из видеопамяти RAMDAC формирует выходные сигналы R,G,B обеспечивающие "multimedia" изображение на экране дисплея ПЭВМ.

В таблице 5 приведены основные технические характеристики основной платы видеоадаптера "FLEXWINDOW".

Таблица 5

"Дочерняя плата" видеоадаптера FLEXWINDOW 100, структурная схема которой приведена на рисунке б, предназначена для ввода цветных изображений с внешних телевизионных источников в банки видеопамяти А,В,С "основной платы".

Рис.5. Структурная схема видеоадаптера "FLEXW1NDOW 100" (основная плата)

Введенный с внешнего источника видеосигнал оцифровывается на частоте 20.25 МГц, с помощью аналого-цифрового преобразователя Bt 252 kpj фирмы Brooktree. Цифровая БИС SAA 9058 выполняет функцию предискретизации с фильтрацией нижних частот, что позволяет избежать искажений типа "муар". Ядром платы является пара цифровых декодеров видеосигнала SAA90S1, SAA9056 фирмы Philips. Бис SAA9051 выполняет функцию демодуляции, декодирования квадратурно-модулированного сигнала для стандартов PAL/NTSC, а Бис SAA 9056 - частотно-модулированного видеосигнала стандарта SECAM. Сформированные цифровые яркостный (Y) и цветораз-ностные сигналы (UV) в стандарте 4-1-1 поступают на цифровой процессор, выполненный на БИС Bt 281 kpj фирмы Brooktree, которая выполняет функцию интерполяции входных сигналов и производит матричное преобразование Y,U,V - R,G,B.

Микросхема SAA9057 формирует опорную сетку частот, связанную петлей ФАПЧ со строчной частотой видеосигнала.

Работа схемы управляется внутренней шиной стандарта I2S.

Аналого-цифровой преобразователь программируется для установки верхнего и нижнего уров«ей видеосигнала. Звуковой канал обеспечивает усиление, регулировку тембра, громкости, а также функцию "псевдостереозвука".

В таблице 6 приведены основные характеристики дочерней платы видеоадаптера FLEXWINDOW 100".

Программная поддержка видеоадаптера FLEXWINDOW/100 обеспечивается программой обработки "multimedia" изображений "FLEXWINDOW", функционирующей в среде MICROSOFT WINDOWS v.3.00, v.3.10, которая реализует следующие основные функции: Работа с видеоизображением.

Прием видеосигнала в системах PAL,SECAM,NTSC. Предусмотрена возможность как принудительной, так и автоматической настройки на видеосистему, коррекция видеосигнала по амплитуде, настройка яркости, контраста, цветовой насыщенности видеоизображения. Работа с файлами на диске.

Видеоизображение можно записать на диск в TIFF формате (Официально поддерживается многими фирмами, в том числе Aldus Corp., Microsoft Corp). Изображение - 24-битовое, True Color. Размеры 512x512. Можно задать кратность сканирования видеопамяти, при этом значения пикселов усредняются. Кроме этого, предусмотрена возможность загрузки TIFF-файлов в память видеоадаптера. Реализация.

Видеоизображение выводится в стандартное окно (Application Window). Окно можно перемещать по экрану и изменять его размер. Окно может перекрываться окнами других программ (программа отслеживает этот момент и делает пересечения видимыми).

Программный интерфейс с видеоплатой реализован в виде Dynamic Link Libraries (Windows DLL's), документирован и может быть использован другими программами. Для видеоадаптеров FLEXGRAPH 100 и FLEXIMAGE ххх разработана прикладная программа "Картографический редактор", функционирующая на ПЭВМ PC AT/286, 386, 486 в средах MS DOS, WINDOWS 3.00, 3.10. Пользователь может выбрать видеоадаптер, обеспечивающий работу с широкой гаммой современных мониторов ПЭВМ с разрешением от 640x480 до 1600x1200 пикселов. Картографический редактор предназначен для использования в таких областях, как география, геология, градостроительство, навигация и т.д., т.е. там, где требуется работать с топографическими картами и наносить на них графические образы. Он обеспечивает разнообразные возмощности графического редактора общего назначения и, кроме того, позволяет использовать топографические карты в качестве фона. Редактор включает поддержку широкого спектра графических примитивов: линии, круги, дуги, сплайны, многоугольники; растровые и векторные шрифты произвольного размера и ориентации, редактируемые библиотеки специальных символов для конкретных приложений операции копирования, перемещения, масштабирования, удаления. Существует двухмониторная версия редактора, в которой пользователь может независимо задать разные масштабы и области обзора, а также осуществлять внутриэкранные и межэкранные операции. Благодаря использованию графической библиотеки HALO 88 обеспечена поддержка большинства существующих графических адаптеров, принтеров и плоттеров.

Работа по разработке аппаратных и программных средств семейства "РЬЕХ"выполнена творческим коллективом специалистов инженеров-электронщиков и программистов различных предприятий под руководством автора. Ведутся интенсивные разработки в данном направлении, такие как разработка стереовидеоконтроллера стандарта TIGA, графических видеоадаптеров для рабочих станций SPARC, дальнейшее развитие средств "multimedia", выполняющих методы сжатия и хранения видеоданных и звука, создание программных продуктов, интегрируемых с современной программной технологией.

Автор выражает признательность проф. В.Н. Решетникову на научные консультации при выполнении работ и подготовке данной статьи.

Список литературы

1.     В.Н. Решетников, А.Н. Сотников. Проблемно-ориентированные системы обработки графических изоб ражений сложной структуры б задачах визуализации // Программные продукты и системы, 1992 - N I.

2.     HITACHI. HD 63484 ACRTC ADVANCED CRT CONTROLLER USER'S MANUAL.

3.     TEXAS INSTRUMENTS 340Ю USER'S GUIDE.

4.     TEXAS INSTRUMENTS 34020 USER'S GUIDE.