Wie Funktioniert ein Monitor?

Um das Grafikkauderwelsch zu durchschauen, ist es hilfreich, die Funktionsweise einer Grafikkarte zu verstehen. Allgemein kann gesagt werden, daß die Grafikkarte die Verbindung zwischen Computer und Monitor darstellt. Die GK generiert aus den digitalen Informationen des PC analoge Signale für den Monitor.

Im Detail sieht dies folgendermaßen aus: Der Prozessor berechnet die Bildinformationen und übergibt diese über das Bussystem an die Grafikkarte. Diese besteht dann aus folgenden Teilen, deren Funktionen jetzt im einzelnen beschrieben werden sollen.

evtl.: Anschlüsse

Neuere Grafikkarte können verschiedene Anschlüsse besitzen. Das können z.B. sein:

- D-Sub-Mini, - Feature Connector - oder Scenic Highway


 

Schnittstelle zum Bussystem

Je nach Bussytem ist diese Schnittstelle bis zu 32 Bit breit. über diese Schnittstelle übermittelt die CPU an den Grafikchip die entsprechenden Bilddaten.

 

Bildschirmspeicher:

Der Video-RAM befindet sich im allgemeinen auf der Grafikkarte. Ausnahmen machen hier einzelnen ältere Modelle, bei denen der Video-RAM sich auf der Hauptplatine befindet. Er ist erweiterbar.Erstaunlicherweise wird er von Programmen wie ein ganz gewöhnlicher Datenspeicher betrachtet (also lesbar und schreibbar). Der Bedarf an Bildschirmspeicher berechnet sich folgendermaßen:

Bedarf= Zeilen * Spalten * 2

Der Bedarf an Bildschirmspeicher im Grafikmodus berechnet sich dann wie folgt:

Bedarf= Zeilen * Spalten * Farben/256

Weiterhin ist zu bemerken, daß der Bildschirmspeicher intern in 4 Bitplanes (Bildschirmseiten) unterteilt. Die Gröszlig;e einer einzigen Bitplane richtet sich widerum nach der Gesamtgröße des Video-RAM's.
Beispiel:
Größe des V-RAM's=1MB
Größe einer Bitplane=Größe des V-RAM's / 4
Größe einer Bitplane= 1MB /4
Größe einer Bitplane= 250 kB


 

VRAM oder DRAM

Im Grafikspeicher herrscht ein ständiges "Rein und Raus" , weil er einerseits ständig ausgelesen wird und anderseits ständig neu beschrieben wird, da sich die Grafik laufend ändert. Bei herkömmliche DRAM-Speicherbausteine(DRAM=Dynamic Random Acess Memory), wie sie auf preisgünstigen Grafikkarten zu finden sind, kan entweder gelesen oder geschrieben werden. Wobei zu bemerken ist, daß der RAMDAC höhere Priorität genießt, andernfalls wäre es zeitweise dunkel auf dem Bildschirm. Bei höherer Auflösung und Farbtiefe sind sehr viele Leseoperationen des RAMDAC notwendig und es bleibt nur sehr wenig Zeit für den Grafikchip, um Grafikdaten zu aktualisieren. Die Grafikkarte wird ausgebremst.
Eine Alternative dafür sind VRAM's (Video RAM's). Diese Speicherbausteine sind dual-ported-RAM's, d.h. es kann gleichzeitig geschrieben und gelesen werden. Der Effekt dabei ist, daß sich RAMDAC und Grafikchip nicht gegenseitig behindern. Leider sind diese Speicherbausteine teurer. Ob man DRAM's oder VRAM's einsetzen sollte, hängt einmal vom Geldbeutel und andernseits vom Zweck ab. 32-bit-Grafikkarten bekommen schon bei niedrigen Auflösungen und Truecolor erheblich Probleme, wenn sie mit DRAM's ausgerüstet sind. Allgemein gilt VRAM's sollte diejenigen benutzen, die im Truecolormodus bzw. mit Auflösungen jenseits der 1024 x 768 Bildpunkte arbeiten.
Eine gewisse Sonderstellung nehmen hier die EDO-DRAM's ein, da diese trotz der Zugehörigkeit zur Klasse der DRAM's sehr akzeptable Zugriffszeiten auf die Daten haben.



 

 

CRTC- Controller

Er stellt den wichtigsten Bestandteil der Grafikkarte dar. Demzufolge hat er auch ein vielfältiges Aufgabengebiet. Bei älteren Sytemen kontrolliert er die gesamte Bildschirmsteuerung. Seine Hauptaufgabe besteht in der Generierung und Synchronisierung der Steuersignale für den Elektronenstrahl des Monitors. Der CRTC beeinflußt und überwacht alle anderen Komponenten der Grafikkarte. Außerdem holt er die Daten aus dem Bildschirmspeicher. Anhand dieser Daten legt er genau fest wieviel Zeilen und Spalten gezeichnet werden sollen. Um den Bildaufbau zügig vollziehen zu können, erlaubt er keiner anderen Komponente den Zugriff auf den Bildschirmspeicher während des Auslesens des Video-RAM's . Man kann also sagen, daß er die volle Kontrolle über den Video-RAM hat. Bei vorhandenem Lichtstift wir auch dieser vom CRTC kontrolliert. Die Erzeugung des blinkenden Bildschirmcursors gehört ebenfalls zu den Aufgaben des CRTC.

 

Attribute Controller

Im Textmodus liest er die Attributebytes aus dem Bildschirmspeicher und ermittelt aus diesen die Farbe des Zeichens. Diese übergibt er dann an den Signalgenerator.
Im Grafikmodus fungiert er annähernd gleich, wobei der unterschiedliche Aufbau des VRAM's im Text- und im Grafikmodus beachtet werden muß. Hier übergibt er Steuersignale, die für einen vernünftigen Bildaufbau notwendig sind.

 

Zeichengenerator:

Auch dieser Bestandteil greift direkt auf den Bildschirmspeicher zu. Im Textmodus lädt er jeweils ein Zeichen und splittet dieses mittels eines ROM's, welcher die Zeichenmuster jedes möglichen Zeichens aus dem ASCII-Zeichensatz gespeichert hat, in einzelne Punkte auf. Das so erhaltene Punktmuster wird mittels eines Schieberegisters an den Signalgenerator weitergegeben.

 

Pixelschieberegister:

Dessen Aufgabe besteht darin die Bildpunkte in richtiger Reihenfolge an den Signalgenerator zu übergeben. Damit wären schon alle Funktionen des Pixelschieberegisters beschrieben.-

 

Signalgenerator:

Er wandelt die an ihn übergebenen Bitketten des Schieberegisters, die Attributinfos des Attribute Controllers und das Synchronisationssignal des CRTC in die erforderlichen Signale für den Monitor um.

 

Schnittstelle zum Monitor

ie Schnittstelle zum Monitor besteht aus einem Port für das Rotsignal, einem Port für das Grünsignal, einem Port für das Blausignal und jeweils einem Port für vertikale und horizontale Synchronisationsimpulse.
Der Elektronenstrahl wird dann folgendermaßen angesteuert:

Zu Beginn wird vom CRTC ein display-enable Signal erzeugt. Dadurch wird der Monitor veranlaßt den Elektronenstrahl einzuschalten. Dieser Vorgang wiederholt sich zu Beginn jeder Zeile. Bei der Bewegung des Elektronenstrahls von links nach rechts generiert der CRTC die jeweiligen Signale damit die Pixel in den gewünschten Farben dargestellt werden. Bei Erreichen des Zeilenendes wird zunächst das display-enable Signal ausgeschalten, was das Entstehen einer sichtbaren Linie beim Zeilenwechsel verhindert. Danach wird ein horizontales Synchronisationssignal von CRTC erzeugt, welches den Elektronenstrahl an den Anfang der nächsten Zeile setzt. Dieser Vorgang wird wiederholt bis die letzte Rasterzeile erreicht wurde. Auch jetzt wird zunähst das display-enable Signal ausgeschalten. Außerdem wird hier ein vertikales Synchronisationssignal generiert, welches den Elektronenstrahl auf die linke obere Ecke des Bildschirms zurücksetzt.


 

Aufbau und Funktionsweise heutiger Grafikkarten (erklärt am Beispiel der VGA)

Die VGA-Karte

• CRTC- Controller

• (Aufgaben wie bei normaler Grafikkarte)
  
  

   

• Attribute Controller

• (Aufgaben wie bei normaler Grafikkarte)
  
  

   

• Graphics Controller
   

• Dieser Controller bietet die Möglichkeit verschiedene Arten von Lese- und Schiebeoperationen durchzuführen und legt fest, wann die CPU Zugriff auf den Bildschirmspeicher bekommt.
  
  

   

• Sequence Controller
   

• Die erste Aufgabe des Sequence Controllers besteht im Refresh des Video-RAM. Weiterhin ermöglicht er die Auswahl des aktuellen Zeichensatzes.
  
  

   

• DAC-Controller (bei neueren Grafikkarten: RAMDAC)
   

• Er ist im Großen und Ganzen ein Äquivalent zum Signalgenerator. Allerdings hat dieser Chip weitaus mehr Informationen zu bearbeiten aufgrund der höheren Farbtiefe. So hat er die in einer internen Tabelle gespeicherten 256 Farbregister zu verwalten. Zur Erzeugung eines 18-Bit Farbwertes, der sich aus 6 bit rot, 6 bit blau, 6 bit grün zusammensetzt, wird von anderen Komponenten ein Index auf die Farbtabelle mit 256 Farben geliefert. Dieser wird in ein analoges Monitorsignal, das dann am Ausgang der Grafikkarte anliegt. Da sich die Integration des Signalgenerators nur negativ auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Grafikkarte auswirkt, ist dieser Chip außerhalb des VLSI-Chips untergebracht. In den Grafikchip gepackte DAC's bzw. RAMDAC erzeugen oftmals ein minderwertiges Monitorsignal, das durch geringe Flankensteilheit für Unschärfe und Kontrastlosigkeit sorgt und ungerechterweise dem Monitor in die Schuhe geschoben wird. Die maximale Pixelfrequenz wird in Mhz angegeben. Grundsätzlich gilt: Je höher die Pixelfrequenz des RAMDAC ,desto besser wird die Grafikkarte mit hohen Auflösungen und Bildwiederholfrequenzen fertig. Je mehr Reserven der DAC hat, desto leichter kann er mit einem steilflankigem Signal dienen.
  
  Damit ist die Funktionsweise einer herkömmlichen VGA-Karte eigentlich beschrieben. Da sie letztendlich als Puffer zwischen Rechner und Monitor fungiert, bezeichnet man sie als Framebuffer. Darunter fallen sämtliche EGA-, VGA- und Super- VGA- Grafikkarten. Allen gemeinsam ist, daß der Grafikchip lediglich für die Entgegennahme der Grafikdaten vom Bus und die Verteilung auf den Videospeicher zuständig ist. Die eigentliche Rechenarbeit obliegt einzig und allein der CPU. Bei neueren Grafikkarten nimmt der Grafikprozessor der geplagten CPU ein Teil der Arbeit ab, indem er aktiv am Grafikaufbau beteiligt wird. Darauf möchten wir allerdings erst später noch einmal genauer eingehen. Eine herkömmliche VGA- oder SVGA- Karte wird also nur im Textmodus selbstständig aktiv.
  
  

Der Textmodus

Der Grafikmodus

Der Trick mit der Palette

Um auch mit 256 Farben noch glatte Farbverlüufe realisieren zu können, muß man zu einem Trick greifen: der Farbtabelle. Aus der Farbtiefe von 8 Bit und 64 Helligkeitstsufen (6 Bit) pro Farbkanal ergeben sich also 262 144 Farben. Aus dieser Maenge von Farben werden nun 256 ausgewählt und in der Color-Look- up-Table des DAC(oder RAMDAC) gespeichert. Den 256 Registern des DAC entsprechen dann 256 Farben, woraus folgt, daß zwar 262144 Farben zur Verfügung stehen, aber nur 256 simultan nutzbar sind. Bei zwei Bildern mit unterschiedlicher Palette wird eines davon mit verfälschten Farben dargestellt.

 

Grafikmodus mit einer Farbtiefe >8 Bit

 

Bei einer VGA-Karte ist dies natürlich nicht möglich. Diese Karte diente ja auch nur als Grundlage für die Erklärungen der einzelnen Modi. Heutige Grafikkarten bieten eine höhere Farbtiefe. Allgemein kann gesagt werden, daß die Grö&szig;e des Videospeichers im Grafikmodus von der gewünschten Auflösung und der Farbtiefe abhängt. Dabei gilt folgende Formel:

Speicherbedarf=horizontale Auflösung x vertikale Auflösung x Farbtiefe

z.B.: 800*600*16 Bit= 960000 Byte (in der Praxis = 1 MB)

Da die Farbtiefe angibt wieviel Bit fü:r die Speicherung eines Bildpunktes benötigt werden, ergibt sich folgende Tabelle:

2 Farben = 1 Bit
16 Farben = 4 Bit
256 Farben = 8 Bit
32768 Farben = 15 Bit
65536 Farben = 16 Bit
16,7 Mio Farben = 24 Bit
Hierbei setzen sich die "krummen Werte" 15 und 24 Bit aus 5 bzw. 8 Bit pro Farbkanal und 32 bzw. 64 Helligkeitsstufen pro Kanal zusammen. Allerdings besteht hier ein Problem. Die 15 bzw. 24 Bit passen nicht in das 8-, 16-, 32-Bit-Schema der Speicherbausteine. Das ist der Grund, weshalb auch die 15 Bit von Highcolor in der Praxis 16 Bit Speicherplatz benötigen. 1 Bit fällt einfach unter den Tisch. Bei Truecolor wird es noch extremer. Hier fallen gleich 8 Bit unter den Tisch, da ja die nächste passende Speichergröße 32 Bit umfa&szig;t. So wird praktisch bei Truecolor ein Viertel des Speicherplatzes verschwendet. Einige Grafikchips bieten aber einen Ausweg aus dieser Situation an. Sie speichern die Bildpunkte verschachtelt. Dann befindet sich im ersten Doppelwort der erste Bildpunkt und das erste Drittel des zweiten Bildpunktes. In der zweiten Zelle ist dann der Rest des 2. Bildpunktes und die ersten 2/3 des dritten Bildpunktes. Man nennt dieses Verfahren auch PACKED-PIXEL-VERFAHREN. Es bietet einen sehr sparsamen Umgang mit Speicherplatz. Nachteil hierbei ist das das Verteilen der Bildpunkte etwas Zeit in Anspruch nimmt und somit etwas langsamer als das herkömmliche Speicherverfahren ist.

Weiterentwicklungen

• Die SVGA

• 
  Diese Karte ist eine zur VGA abwärtskompatible Karte, die alle Register der alten VGA und zusätzliche Register hat, die notwendig sind, um die neuen Errungenschaften voll nutzen zu können. Sie besitzt natürlich auch einen größeren Grafikspeicher(2 - 4 MB), um höhere Auflösungen darstellen zu können. Durch die Erweiterung des Speichers ist dieser nicht mehr über die Bitplanes adressierbar, sondern es wurde das BANK-SWITCHING eingeführt. Die höhere Farbtiefe wurde durch eine Erweiterugn des DAC(oder RAMDAC) erreicht. Mit der SVGA sind bis zu 16,7 Mio Farben darstellbar. Sie hat also folgende zusätzliche Merkmale:
  
  
  - mehr Farbe
  - neue Grafikmodi mit höheren Auflösungen
  - Textmodi mit mehr Spalten und Zeilen
  - Hardware- Cursor auch im Grafikmodus
  - Hardware- Zooming
  
  Problem der SVGA war, da&szig; es für diese Karte meist Windows-, aber kaum DOS-Treiber gab, so daß kaum Dos-Programme, die Die Fähigkeiten der SVGA nutzen, geschrieben wurden.
  
  

   

• 3D-Karten

• 
  Die Grafikchips dieser Grafikkarten besitzen einmal einen sogenannten Z-Buffer, in dem die Tiefeninformationen gespeichert werden, und haben spezielle Funktionen für 3D-Effekte. Einige dieser Funktionen sollen nur kurz erwähnt werden. So gibt es hier z.B. das Fogging, das MIP-Mapping und viele andere. Genauere Informationen dazu finden sie im Abschnitt 3D-Grafikkarten.
  
  

   

• Tiga

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  Die Besonderheiten dieser meist im CAD und DTP-Bereich angewendeten Karten ist ein eigener Grafikprozessor mit Programmspeicher sowie Boot-Routinen auf P-ROM. Das Betriebssystem der Karten, die Zeichensätze und sogenannte Display-Listen, die eine Grafik in der Art beschreiben, da&szig; die Größe , Art und Lage der enthaltenen Objekte angegeben wird sind in diesem Speicher abgelegt. Es können sogar eigene Programme in diesem Speicher abgelegt werden und selbsstständig abgearbeitet werden. Es soll sogar angeblich möglich sein den für den Bildaufbau benötigten Kern einer grafischen Benutzeroberfläche in diesem Speicher unterzubringen und somit der CPU Arbeit abzunehmen.