A grakus hardver

A modern elektronikus számítógépek m¶ködési elvét Neumann János fo-galmazta meg 1946-ban. Az elvek a következ®k:

1. A számítógép legyen soros m¶ködés¶: a gép az egyes utasításokat egymás után, egyenként hajtsa végre.

2. A számítógép a kettes számrendszert használja, és legyen teljesen elekt-ronikus: a kettes számrendszert és a rajta értelmezett aritmetikai, illetve logikai m¶veleteket könny¶ megvalósítani kétállapotú áramkörökkel (pl.: 1 maga-sabb feszültség, 0 alacsonyabb feszültség, 1 be van kapcsolva, 0 nincs bekapcsolva).

3. A számítógépnek legyen bels® memóriája: a bels® memóriában tárolhatók az adatok és az egyes számítások részeredményei, így a gép bizonyos m¶velet-sorokat automatikusan el tud végezni.

4. A tárolt program elve: a programot alkotó utasítások kifejezhet®k szá-mokkal (gépi kód), azaz adatként kezelhet®k, és ezek is a bels® memóriában tárolhatók, mint bármelyik más adat. Ezáltal a számítógép önállóan képes m¶-ködni, hiszen az adatokat és az utasításokat egyaránt a memóriából olvassa ki.

5. A számítógép legyen univerzális: a számítógép különféle feladatainak elvégzéséhez nem kell speciális berendezéseket készíteni.

A Neumann-féle számítógép vázlatos felépítése:

A központi vezérl® egység (CPU Central Processor Unit) feladatai:

ˆ A számítógép m¶ködésének irányítása, vezérlése.

ˆ Adatforgalom irányítása.

ˆ Utasítások értelmezése és végrehajtása.

ˆ Operandusok címének kiszámítása.

Regiszterek:

ˆ Gyors elérés¶, közvetlenül címezhet®, rendszerfelhasználók által osztottan hozzáférhet® tárolók.

ˆ Számuk gépfügg®.

ˆ Használatuk a gyors elérés miatt csökkenti a program futási idejét.

Az aritmetikai, logikai egység (ALU Arythmetical Local Unit) feladatai:

ˆ Adott adatokkal végrehajtja az aritmetikai és logikai m¶veleteket (+, -, *, /, AND, OR, NOT, stb.).

ˆ Saját regisztereik (akkumulátoraik) lehetnek.

A csak olvasható memória (ROM Read Only Memory) tulajdonságai:

ˆ A gép futásához szükséges alapprogramokat tartalmazza.

ˆ Kikapcsoláskor is meg®rzi tartalmát.

ˆ Lehet x, cserélhet®, újraprogramozható és törölhet®.

ˆ Tartalmazhatja az operációs rendszert (kis rendszerek).

A memória (RAM Random Access Memory):

ˆ Írható, olvasható, véletlen hozzáférés¶ tár.

Az adatbusz (BUS):

ˆ Segítségével valósul meg a kommunikáció a számítógép különböz®

alkotóelemei között.

Perifériák:

ˆ Ki/Beviteli eszközök (képerny®, billenty¶zet, egér stb.)

ˆ Háttértárolók (merevlemez, mágneses lemez, CD-ROM, DVD stb.) Az IBM kompatibilis személyi számítógépek grakus hardverei a perifériák kategóriába tartoznak. Bemeneti eszközök a billenty¶zet, az egér, a spaceball, a digitalizáló tábla, a szkenner, digitális fényképez®gép, kamera, botkormány stb. Kimeneti eszközök a képerny® (monitor), a különféle nyomtatók, rajzgépek.

Mindezen eszközök speciális meghajtókkal, illeszt®programokkal (driver) vezérelhet®k, ezek valósítják meg az adatátvitelt és a magas szint¶ programozá-sukat is.

2.1. ábra. A Neumann-féle számítógép vázlatos felépítése

A generatív számítógépes graka szempontjából számunkra a képerny®

(display, monitor), valamint a grakus kártya a fontos.

Három típusú képerny® létezik:

CRT, LCD / TFT, PDP.

A CRT (Cathode Ray Tube) a hagyományos katódsugárcsöves képerny®. Az els® m¶köd®képes televíziót 1926. január 26-án mutatták be Londonban. Az els® színes adást 1928. július 3-án továbbították nagy távolságra. A technika feltalálója Karl Ferdinand Braun (18501918) volt, aki 1897-ben már meg tu-dott így egy képpontot jeleníteni. (Ezért régi neve a Braun-cs®.) A töltéscsatolt elv¶ CRT tévé és kamera feltalálója (1928-ban) Tihanyi Kálmán (18971947). A CRT monitorban egy katódsugárcs® található, amelynek az egyik végén elekt-ronágyú, a másik végén foszforral bevont képerny® található. Az elektronágyú elektronnyalábot l® ki, ezt a mágneses mez® irányítja. Az elektronnyaláb a fosz-forborításba ütközik és felvillan, majd elhalványodik. Ha elég gyorsan követik egymást az elektronnyalábok, akkor az a pont nem halványodik el. Tehát az elektronágyúk írnak a képerny®re a számítógép utasításának megfelel®en, bal-ról jobbra, egy másodperc alatt többször is frissítve a képpontokat. Azt, hogy másodpercenként hányszor frissíti a képpontokat, képfrissítési frekvenciának nevezzük. Ezt Hertzben adjuk meg. A mai monitorok 60130 hertzesek. A mo-nitor az additív színkeverés elve alapján m¶ködik, a három alapszínhez (R, G, B) tartozik egy-egy elektronágyú.

Az LCD (Liquid Crystal Display) folyadékkristályos képerny®. A folyadék-kristályos kijelz®k ®se a kvarcórák kijelz®je. Folyadékkristállyal már 1911 óta kísérleteznek, m¶köd® LCD monitor az 1960-as években készült el®ször. Az LCD monitor két bels® felületén mikronméret¶ árkokkal ellátott átlátszó lap közé folyadékkristályos anyagot helyeznek, amely nyugalmi állapotában iga-zodik a bels® felület által meghatározott irányhoz, így csavart állapotot vesz fel. A kijelz® els® és hátsó oldalára egy-egy polársz¶r®t helyeznek, amelyek a fény minden irányú rezgését csak egy meghatározott síkban engedik tovább.

A csavart elhelyezkedés¶ folyadékkristály különleges tulajdonsága, hogy a rá-es® fény rezgési síkját elforgatja. Ha hátul megvilágítják a panelt, akkor a hátsó polarizátoron átjutó fényt a folyadékkristály elforgatja (innen ered a Twisted Nematic, TN megnevezés), így a fény az els® sz¶r®n átjut, és világos képpontot kapunk. Ha kristályokra feszültséget kapcsolunk, nem forgatják el a fényt, az eredmény pedig fekete képpont. A polársz¶r® elé már csak egy színsz¶r®t kell helyezni. El®fordulhat a gyártás tökéletlensége miatt, hogy a képerny®n halott vagy beragadt képpontokat találunk. A TFT (Thin Film Transistor) vékony-lm tranzisztor. Az LCD technológián alapuló TFT minden egyes képpontja egy saját tranzisztorból áll, mely aktív állapotban el® tud állítani egy világító pontot.

Az ilyen kijelz®ket gyakran aktív-mátrixos LCD-nek is szokás nevezni.

A PDP (Plasma Display Panel) plazmakijelz®k els®, monokróm típusát 1964-ben a Plató Computer System készítette el, Gábor Dénes plazmával kapcso-latos kutatásai nyomán. Az els® plazmatelevíziót a Pioneer mutatta be 1997-ben.

Jelenleg is folyik a gyártók versenye a minél nagyobb képátlóért: már a 100-et is b®ven meghaladják a legnagyobb kijelz®k. A PDP m¶ködése az LCD-nél is egyszer¶bb. A cél az, hogy a három alapszínnek megfelel® képpont fényere-jét szabályozni lehessen. A PDP-nél a képpontok a CRT-hez hasonlóan látható

2.2. ábra. Képerny®típusok: CRT, LCD / TFT, PDP

fényt sugároznak ki, ha megfelel® hullámhosszú energia éri ®ket. Ebben az eset-ben a neon és xenon gázok keverékének nagy UV-sugárzással kísért ionizációs kisülése készteti a képpont anyagát színes fény sugárzására, pont úgy, mint a neoncsövekben. Mivel minden egyes képpont egymástól függetlenül, akár fo-lyamatos üzemben vezérelhet®, a monitor villódzástól mentes, akár 10 000:1 kontrasztarányú, tökéletes színekkel rendelkez® képet is adhat, bármely szög-b®l nézve. [40]

A monitoron ábrázolt kép legkisebb egysége a képpont vagy pixel (picture element). Minél több pontból áll egy kép, annál élesebb, szebb a megjelenítés.

Ezt a tulajdonságot nevezzük felbontásnak. A képerny® felbontását a pixel so-rok és oszlopok száma adja meg. Manapság használatos felbontások: 800×600, 1024×768, professzionális rendszereknél 1280×1024, 1600×1200, vagy még nagyobb is. Természetesen egy bizonyos határon túl már nem érzékelhet® a kü-lönbség. A felbontást általában pont per hüvelykben (dots per inch dpi) mérik.

Ez mutatja meg, hogy egy hüvelykben (2,54 cm) hány képpont található. Mivel a képerny® felbontása alapértelmezés szerint 72 dpi, általában ezzel az értékkel dolgozunk.

2.3. ábra. ATi Radeon— HD 4870 videokártya 512 MB GDDR5 memória; 1,2 teraops teljesítmény; 750 MHz GPU; PCI Express 2.0 interface; 160 W

A monitorokat a videokártyák vezérlik. A processzor (CPU) elküldi a video-kártyának a megjelenítési utasításokat, adatokat, a videokártya pedig a monitor

számára is értelmezhet® jellé alakítja azokat. Az olyan m¶veleteknek, mint elsi-mítás, árnyékolás, komoly számítási igényei vannak, ezért a grakus kártyáknak több feldolgozó egységük, külön grakus processzoruk (GPU Graphics Proces-sing Unit), illetve jelent®s memóriájuk van (64 MB1 GB, GDDR 2/3/4/5). A videokártya AGP (Accelarated Graphics Port) vagy PCI-Express porton keresz-tül csatlakozik az alaplaphoz. A monitorhoz a jelt pedig vagy analóg módon (D-SUB, D-subminiature), vagy digitális módon (DVI Digital Visual Interface), vagy a nagyfelbontású tartalmak miatt kifejlesztett HDMI (High-Denition Mul-timedia Interface) módon küldheti.

2.4. ábra. A grakus hardver vázlatos felépítése

A Graphics Processing Unit (GPU) a grakus vezérl® központi egysége, amely az összetett grakus m¶veletek elvégzéséért felel®s. A GPU feladata a grakák létrehozásával és megjelenítésével közvetlenül kapcsolatban hozható magas szint¶ feladatok átvétele a CPU-tól, hogy annak számítási kapacitása más m¶veletek elvégzésére legyen felhasználható. A modern GPU-k 2D és 3D m¶-veletek elvégzésére egyaránt alkalmasak, alapm¶veletei közé tartoznak például a négyzetes mátrixok szorzása (koordináta-transzformáció számítás).

Manapság 2 vezet® gyártó van a piacon, az Nvidia és az ATi céget felvásárló AMD.A modern grakus hardverek a grakus cs®vezeték (graphics pipeline) elve alapján m¶ködnek. A GPU végrehajt egy grakus utasítást, de e mellett egy másik egység transzformál, vág, árnyal, textúrát tömörít stb., majd az eredmény megjelenik a különböz® bufferekben. Amikor egy pont (vertex) megjelenik a cs®vezeték bemeneténél, lehet, hogy a transzformációs hardver még az el®z®

elküldött elemen dolgozik.