Dispositivi I/O: La scheda video

Componenti e funzioni della scheda
video
Dispositivi I/O:
La scheda
video
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A seconda del tipo di computer può essere più o meno potente: i primi modelli
visualizzavano solo testo; si sono diffuse poi schede in grado di mostrare
anche output grafici e modelli tridimensionali texturizzati in movimento in
tempo reale.
Questi ultimi tipi provvedono anche ad elaborare e modificare l'immagine nella
propria memoria interna, effettuando il cosiddetto rendering, il processo di
"resa" o generazione dell’immagine a partire da una descrizione matematica
della forma e dei colori
In passato con le vecchie schede 2D si potevano elaborare semplici immagini
3D con l'aiuto della CPU che doveva così eseguire una lunga e complessa
serie di calcoli.
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Oggi una moderna scheda video integra al suo interno:
– Un Video BIOS
– Una GPU (Graphics processing unit) + vertex unit, per la
trasformazione del modello 3D in una mappa di bit;
– Una dotazione di memoria RAM Video
ogni locazione (o gruppo di locazioni) di RAM grafica contiene il colore di un
pixel dello schermo, o di un carattere se la scheda sta visualizzando solo
testo: il chip grafico legge in sequenza le locazioni necessarie e a pilotare un
convertitore digitale-analogico, detto RAMDAC, che genera il segnale video
che sarà visualizzato dal monitor.
Dalla quantità di RAM grafica equipaggiata nella scheda e dalla velocità
(frequenza) massima del suo RAMDAC dipendono la risoluzione massima
raggiungibile e il numero di colori contemporaneamente visibili.
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Schede video con accelerazione 2D
• Già da un po' di tempo il chip grafico è in grado di eseguire
alcune funzioni grafiche in modo autonomo, senza che il
processore principale debba intervenire: le prime schede
grafiche con questi chip sono dette 2D accelerate, perché
possono svolgere da sole una parte del lavoro di disegno che
altrimenti spetterebbe al processore.
• Le operazioni più comuni da implementare in hardware sono
il tracciamento di linee, di archi e di forme geometriche
semplici (poligoni, cerchi, ellissi) e il bit blitting, cioè lo
spostamento da una parte all'altra dell'immagine di blocchi di
pixel. È in genere presente anche un generatore di caratteri
evoluto, capace di funzionare anche in modalità grafica e di
visualizzare contemporaneamente caratteri di molti font e
grandezze diverse.
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processo di trasformazione per il
rastering ed il successivo rendering
di un’immagine in 2D
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Schede video con accelerazione 3D
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Modalità 3D: i pixel dell'immagine da visualizzare vengono calcolati dalla GPU, fotogramma
per fotogramma, partendo da una serie di dati geometrici forniti dalla CPU.
La RAM video contiene una serie di sottoimmagini, le texture, ciascuna associata ad una
particolare superficie bidimensionale di un modello tridimensionale di cui ne costituisce la
"pelle“, (come carte da parati elettroniche).
Per ogni fotogramma (frame) da visualizzare in modalità 3D, la scheda video riceve dal
processore una serie di punti geometrici (vertici) che specificano delle superfici in uno spazio
tridimensionale con l'indicazione di quali texture applicare alle varie superfici: la GPU calcola,
a partire dai dati ricevuti, se la particolare superficie sia visibile o no, e, se visibile, la sua
forma in due dimensioni (coordinate schermo); poi si occupa di applicare la (o le) texture
indicate. Il valore di ogni pixel viene quindi calcolato a partire da quali e quanti texel (i pixel
delle texture) sono contenuti in esso.
Ulteriori funzioni di accelerazione, utili per aumentare il livello di realismo delle immagini
calcolate, sono il calcolo in hardware delle luci incidenti (Transform and Lighting o T&L), i
pixel shader, il vertex shader e il rendering, il filtro anisotropico e il filtro antialiasing.
Le prime schede video accelerate 3D destinate al grande pubblico (prima di allora erano
molto costose e riservate a professionisti) sono state le famose Voodoo della 3dfx, la prima
industria a produrre schede video con capacità 3D a prezzi popolari, assorbita nel 2001 dalla
concorrente Nvidia.
Framebuffer
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Il framebuffer è un device di uscita video che pilota il
display con un buffer (area provvisoria) di memoria
contenente una frame (area completa e discreta) completa
di dati.
Le informazioni nel buffer consistono tipicamente nei valori
di colore associati a ciascun pixel visualizzabile sullo
schermo secondo i vari formati:
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1 bit per il bianco-nero
4 - 8 bit per palette a 16 e 256 colori
16 bit per l’ highcolor
24 bits per il truecolor
Talvolta si usa un alpha-channel aggiuntivo per la
trasparenza del pixel (real color).
La quantita totale di memoria richiesta per pilotare il
framebuffer dipende quindi dalla risoluzione dello schermo,
dalla profondità colore e dalla dimensione della palette.
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Industrie costruttrici
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Uscite della scheda video
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• Maggiori produttori
• ATI Technologies www.ati.com
con le serie Radeon, Radeon X e FireGl
• NVidia Corporation www.nvidia.com
con le serie GeForce, GeForce FX e la serie Quadro
• Produttori di schede professionali
• Matrox
con le serie Parhelia e P-series
• 3Dlabs
con la serie Wildcat
• Elsa
con la serie Gloria
Della scheda video installata nel
PC vedete solo i connettori posti
nella parte posteriore del case.
Questa è la parte della scheda
grafica alla quale si collega il cavo
del monitor. Molte schede offrono
uscite multiple (due), in modo da
poter collegare più di un display.
Ci sono molti tipi di interfacce;
quelle più comunemente utilizzate
nei PC sono quella analogica e
quella digitale.
I PC sono macchine digitali che processano dati binari (0 e 1). Il formato digitale è l'uscita
nativa delle schede grafiche. I display moderni derivano dai modelli dotati di tubo catodico
(CRT). Gli schermi CRT usano un cannone di elettroni per sollecitare tre differenti materiali
all'interno di un tubo che emette i colori base "rosso", "verde" e "blu". Questi dispositivi sono
analogici e per convertire il segnale digitale viene utilizzato un convertitore da digitale a
analogico (DAC). Con l'avvento degli schermi digitali, come quelli a cristalli liquidi (LCD), la
necessità di un DAC è diventata obsoleta, ma il componente viene ugualmente incorporato
per offrire il supporto analogico.
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Uscita VGA
(D-Sub 15)
Uscita DVI
Digital Video/Visual Interface
Connettore corrispondente al Video
Graphics Adapter
Trasferisce un segnale analogico, che può
variare di qualità in base al prodotto. display
analogico, 15 pin, colore blu.
Standard comun e prima del DVI
Usato per al connessione monitor CRT, dei
proiettori digitali e di alcune HDTV
Uscita digitale standard per le schede grafiche
e gli schermi piatti, dal 2004 e con l'eccezione
dei modelli a basso costo. Molte schede
grafiche dotate di DVI sono solitamente
accompagnate da un convertitore da DVI a
VGA/D-Sub, per collegare un display non
dotato di DVI.
Tutte le schede grafiche allo stato dell'arte
hanno da due porte DVI, per poter collegare
due display ed estendere il desktop su
entrambi.
Altre uscite
Jack di tipo Video Composito, o jack RCA (Radion Corporation of
America). per televisioni e videoregistratori.
S-Video sta per Super-Video o Super-VHS, molto usato nell'industria televisiva le
informazioni dei colori sono separate in tre canali, che rappresentano i colori base
Video Component con componenti esterni
Questa uscita utilizza tre jack coassiali separati, chiamati "Y", "Pb" e "Pr“, che portano
informazioni sui colori separati per l'HDTV (high definition television).
Molto utilizzata per connettere i proiettori digitali. Anche se il segnale è analogico,
offre qualità e risoluzione elevate, avvicinandosi al VGA. La console di nuova
generazione Xbox 360 di Microsoft è venduta con un cavo di collegamento
Component Video.
•HDMI "High Definition Multimedia Interface“.
HDMI è lo standard del futuro. È l'unica uscita che supporti sia video che audio nello stesso cavo. HDMI è stato
creato per TV e film, ma essendo un formato altamente sicuro, gli utenti di computer lo utilizzeranno per
visionare i futuri filmati High Definition in alta risoluzione.
I connettori HDMI sono ancora poco frequenti sulle schede video, ma diventeranno sempre più comuni. Per
visionare video in high definition sui PC serviranno una scheda video e monitor compatibili con HDMI.
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Interfacce della scheda grafica
Scheda audio
Il connettore a pettine per l’inserimento
della scheda video nella mother-board
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Questa è la parte della scheda video che si connette alla scheda madre. Attraverso questo
slot, o interfaccia, la scheda video scambia le informazioni con il resto del computer. Dato
che molte motherboard sono dotate di un unico tipo di slot, è molto importante acquistare
una scheda grafica compatibile. Per esempio, una scheda grafica PCI Express non potrà
funzionare se inserita in uno slot AGP. Non solo non ci entrerà fisicamente, ma il protocollo
per la trasmissione dei dati è differente.
L'aspetto più importante dell'interfaccia grafica è il l'ampiezza di banda. Con questo termine in inglese bandwidth - ci si riferisce alla quantità di informazioni che possono passare
nell'interfaccia in un dato lasso di tempo. Maggiore è l'ampiezza di banda offerta da
un'interfaccia, più veloce sarà la scheda grafica, almeno in teoria.
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Spesso è già integrata nella
motherboard. Include:
• un chip sonoro
• un convertitore digitale-analogico, che
converte onde sonore registrate o
generate in digitale in un segnale
analogico. Questo segnale è
indirizzato a un connettore al quale
può essere connesso un amplificatore
o un'apparecchiatura simile.
• Le architetture più avanzate
solitamente includono più di un chip
sonoro, e dividono fra sintetizzatore di
suoni (solitamente usato per generare
suoni in tempo reale con poco uso
della CPU) e riproduzione digitale di
suoni.
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Scheda audio: Come e' fatta
Scheda audio: gli standard
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Inizialmente: AdLib.
SoundBlaster , AWE32 (Creative Labs), le ultime celebri per un sistema
MIDI più evoluto;
AWE64 (’97), caratteristiche innovative, sintetizzatore di suoni
Larga diffusione e abbassamento dei prezzi quando le schede audio
vengono inserite nei pre-assemblati,
Le schede audio di ultima generazione supportano gli standard
SoundBlaster e General Midi, e consentono di registrare e riprodurre i
suoni ad una frequenza di 44100 Hz in stereofonia, la stessa dei normali
lettori CD audio. Per questo le schede audio vengono pubblicizzate
dichiarando standard acustici di "qualita' CD".
Oltre che riprodurre suoni, le schede audio sono anche fornite di
interfacce per il collegamento diretto ai lettori CD-Rom. Supportano infatti i
tre tipi principali di collegamento: Sony, Mitsumi e Panasonic, che si
uniscono ai gia' noti standard IDE/EIDE e SCSI.
Le moderne schede sonore contengono due sistemi hardware adibiti alla
produzione e cattura dell'audio: il digitalizzatore audio (convertitore digitaleanalogico, DAC) e il sintetizzatore MIDI (convertitore analogico-digitale,
ADC).
Molte schede, per velocizzare lo scambio di dati verso le memorie, utilizzano
canali ad accesso diretto (DMA, Direct Memory Access). Utilizzando due di
questi canali, e' possibile implementare la registrazione e la riproduzione
simultanea dei suoni (operazioni in full-duplex), come avviene normalmente
durante sessioni di chat vocale su Internet o audio conferenze.
• La prima tecnologia MIDI fu la Modulazione di Frequenza (John Chowning,
1970, Stanford University). Il sintetizzatore FM produce i suoni generando e
miscelando due onde sinusoidali, dette portante, e modulatore. Controllando
le loro frequenze si crea una grande varieta' di timbriche e di strumenti.
• Successivamente, Yamaha sviluppo' OPL3, un sintetizzatore a modulazione di
frequenza piu' evoluto, in grado di generare un ventaglio piu' ampio di portanti
e di modulatori. Fu cosi' possibile creare timbriche molto piu' complesse e
realistiche.
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Scheda audio:connettori
Scheda audio: Come e' fatta - II
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Nonostante fosse molto apprezzato nel 1980, l'FM e' ora vecchio e datato
in confronto al sintetizzatore WaveTable. Esso non utilizza le onde portanti
e i modulatori per la creazione delle note, ma campionamenti degli
strumenti reali.
Un campionamento è una rappresentazione digitale della forma d'onda
prodotta da uno strumento musicale. Tale rappresentazione viene
archiviata nei banchi di memoria della scheda audio, e utilizzata per
riprodurre le note dello strumento campionato. Il risultato e' una
similitudine quasi perfetta tra la musica prodotta dalla scheda e quella
proveniente dalla sorgente autentica del suono.
Le moderne schede MIDI sono dotate di un chip, chiamato DSP
(letteralmente Digital Signal Processor - Processore Digitale del Segnale),
che permette di modificare l'andamento delle onde sonore campionate,
generando cosi' non solo note di differente tonalita', ma attraverso
opportuni algoritmi anche effetti di eco, riverbero, chorus e delay.
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La scheda audio ha almeno tre fori ad innesto jack
e può avere un connetore per l’innesto di una
periferica di gioco (es joystick)
1- Mic IN: permette di inserire un microfono per
l'amplificazione della voce.
2- Line OUT: casse attive, auricolari, amplificatore
audio.
3- Line IN: Per collegare alla scheda audio
apparecchiature come una piastra a cassette, un
lettore portatile di CD o un qualsasi segnale audio
a basso livello in ingresso.
Speaker OUT: per collegare la scheda a due
altoparlanti sfuttando l'amplificatore entro
contenuto.
Ricordare che la potenza di amplificazione e'
molto bassa (intorno ai 2 watt per canale) per cui i
diffusori devono essere scelti in modo tale che
rispondano bene anche con tali livelli di
amplificazione.
Connettore Joystick/Midi: Grazie a questo
connettore e' possibile collegare un joystick o
qualsiasi apparecchio dotato di ingressi/uscite Midi
alla scheda audio. La presa e' una standard D Sub
a 15 piedini, perfettamente compatibile con tutti i
joystick per PC.
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