Обработка информации в компьютере

Восприятие

Источник информации

Технологию обработки информации на компьютере можно представить в виде следующей схемы (рис. 23).

		Сигнал S2
		Сигнал S1

 

 

Рис. 23. Схема обработки информации на компьютере

Рассмотрим процесс обработки информации на примере программы:

var CHISLO: integer;

input (CHISLO);

CHISLO:=CHISLO+1;

write (CHISLO);

Обработка информации происходит несколько этапов:

1. Источником информации является программист, если выполняется отладка программы, или пользователь, если программа используется. В качестве сигнала S1 выступают входные данные, например, значения переменной CHISLO. Носитель информации произволен.

2. Восприятие сигнала S1 инициируется при выполнении команды, соответствующей оператору input (CHISLO). Введенная с клавиатуры информация размещается в промежуточной буферной памяти устройства ввода. Носитель сигнала S2 носит электронный характер.

3. Введенная информация передается из буферной памяти по адресу основной памяти, указанному в загрузочном модуле для размещения соответствующей переменной. Например, для переменной CHISLO отведена область памяти размером два байта по адресу 0002:0008. Сигнал S3 носит электронный характер.

4. Обработка выполняется процессором и заключается в выполнении оператора присваивания из приведенной программы. Этому оператору соответствует код, по которому выполняются следующие действия:

· в регистр АХ помещается 1;

· в регистр СХ помещаются данные, расположенные по адресу 0002:0008, – это введенное при восприятии значение переменной CHISLO;

· содержимое регистров АХ и СХ складывается, результат помещается в регистр АХ;

· содержимое регистра АХ помещается по адресу 0002:0008, т.е. присваивается переменной CHISLO. При этом отведенная под переменную память может быть недостаточна для размещения результата, если, например, введенное значение было слишком большим. Тогда возникает ситуация переполнения. Таким образом, семантика сигнала S4 различается в зависимости от результатов вычислений:

· если вычисления корректны, то это значение переменной CHISLO, которое размещено по адресу 0002:0008, а потому носит электронный характер;

· если вычисления некорректны, тогда сигнал S4 – это диагностические сообщения о недостатке памяти для переменной; также носит электронный характер.

5. Хранение не выполняется, поскольку в программе отсутствуют команды по привлечению внешней памяти.

6. Передача информации – это перенос сигнала S4 от основной памяти компьютера к промежуточной буферной памяти устройства вывода, в роли которого для нашей программы выступает монитор. Инициируется оператором write (CHISLO), если обработка прошла корректно, или средствами ОС при наличии ошибки в программе. В любом случае выполняется средствами ОС и каналами сопряжения устройства вывода и других устройств компьютера. Сигналы S4 и S5 в таком случае тождественны по синтаксису и носителю, а различаются лишь местом нахождения.

7. Представление информации заключается в преобразовании сигнала S5 к виду, понятному и удобному потребителю. Выполняется устройством вывода, в роли которого в данном случае выступает монитор, тогда сигнал S6 – электронный.

ОТОБРАЖЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ

Графическая подсистема ПК

Графическая подсистема любого ПК состоит из трёх частей. В одной из них создаётся и хранится информация об изображении; эта часть называется графическим адаптером (видеоадаптером). Другая часть служит для отображения этой информации; это монитор. Оставшаяся часть – кабель, связывающий первые две.

Монитор состоит из устройства отображения (дисплея), аппаратного обеспечения, которое непосредственно создаёт изображение на экране, и электронных схем, управляющих работой самого экрана. Монитор отличается от телевизора тем, что в нём применяются отдельные синхронизирующие сигналы и сигналы цветности. В противоположность ему телевизор декодирует только один составной сигнал, содержащий сигналы синхронизации, цвета и звука одновременно.

Созданием изображения на мониторе управляет обычно аналоговый видеосигнал, формируемый видеоадаптером. Компьютер формирует цифровые данные об изображении, которые из оперативной памяти поступают в специализированный процессор видеоплаты, где обрабатываются и сохраняются в видеопамяти. Параллельно с накоплением в видеопамяти полного цифрового «слепка» изображения на экране данные считываются цифроаналоговым преобразователем (Digital Analog Converter, DAC). Поскольку DAC обычно (хотя и не всегда) включает собственную память произвольного доступа (Random Access Memory, RAM) для хранения палитры цветов в 8-разрядных режимах, его еще называют RAMDAC. На последнем этапе DAC преобразует цифровые данные в аналоговые и посылает их на монитор. Эта операция выполняется DAC несколько десятков раз за одну секунду; данная характеристика называется частотой обновления (или регенерации) экрана. Согласно современным эргономическим стандартам, частота обновления экрана должна составлять не менее 85 Гц, в противном случае человеческий глаз замечает мерцание, что отрицательно влияет на зрение.

Дисплей –устройство визуализации (отображения) текстовой и графической информации без ее долговременной фиксации.

Дисплей служит как для отображения информации, вводимой посредством клавиатуры или других устройств ввода, так и для выдачи пользователю сообщений, а также для вывода полученных в ходе выполнения программ результатов.

По физическим принципам формирования изображения дисплеи бывают:

1) на базе электронно-лучевой трубки;

2) жидкокристаллические;

3) плазменные (газоразрядные).

Дисплеи на базе электронно-лучевой трубки традиционны, а принцип их работы аналогичен бытовому телевизору. В электронно-лучевой трубке формируется луч (или три луча для цветных трубок), управляя перемещением и интенсивностью которого можно получить изображение на люминофоровом экране.

Жидкокристаллический экран (индикатор) представляет собой совокупность сегментов для воспроизведения элементарных частей изображения (в частности, точек). Каждый сегмент состоит из нормально прозрачной анизотропной жидкости, заключенной между двумя прозрачными электродами. При подаче на электроды напряжения коэффициент отражения жидкости меняется, и сегмент при освещении его внешним источником света темнеет. В ПК в последнее время широкое распространение получили жидкокристаллические индикаторы с обратной (задней) подсветкой (backlit). Их конструктивная особенность заключается в том, что за экраном размещается источник света, а сам экран состоит из жидкокристаллических ячеек, которые в нормальном состоянии являются непрозрачными. При приложении к такой ячейке напряжения она начинает пропускать свет, что и приводит к получению изображения на экране. Такой принцип формирования изображения облегчает создание цветных дисплеев. Для этого достаточно иметь на экране тройки жидкокристаллических ячеек, обеспечивающие на просвет воспроизведение основных цветов (красного, зеленого и синего).

Экран плазменного дисплея представляет собой матрицу газоразрядных элементов. При приложении к электродам газоразрядного элемента напряжения возникает электрический разряд красного или оранжевого свечения в газе, которым этот элемент заполнен. По сравнению с жидкокристаллическими плазменные индикаторы имеют более высокую контрастность, однако обладают и повышенным энергопотреблением.

Видеоадаптер включает в себя видеопамять, в которой хранится изображение, отображаемое в данный момент на экране дисплея, постоянное запоминающее устройство, в котором записаны наборы шрифтов, отображаемые видеоадаптером в текстовых и графических режимах, и функции BIOS для работы с видеоадаптером. Кроме того, видеоадаптер содержит видеопроцессор – сложное управляющее устройство, обеспечивающее обмен данными с компьютером, формирование изображения и некоторые другие действия.

Принцип работы видеоадаптера. Прежде чем стать изображением на мониторе, двоичные цифровые данные обрабатываются центральным процессором, затем через шину данных направляются в видеоадаптер, где начинают обрабатываться. Обработанные цифровые данные направляются в видеопамять, где создается образ изображения, которое должно быть выведено на дисплее. Затем, все еще в цифровом формате, данные, образующие образ, передаются в RAMDAC, где они конвертируются в аналоговый вид, после чего передаются в монитор, на котором выводится требуемое изображение.

Режимы работы видеоадаптера. Видеоадаптеры могут работать в различных текстовых и графических режимах, различающихся разрешением, количеством отображаемых цветов и некоторыми другими характеристиками.

Текстовый режим. Основной видеорежим у персональных компьютеров – это текстовый режим. В этом режиме линии и прямоугольники создаются с использованием псевдографических символов. 256 таких 8-байтовых (или 12-байтовых, или 14-байтовых, или 16-байтовых) кодовых групп хранятся в памяти для рисунков всех изображаемых символов, и вся эта область памяти называется буфером знакогенератора. Адаптер дисплея «узнает» начальный адрес этого буфера (порядковый номер его начального байта, отсчитанный от начала памяти), берет из видеопамяти код символа, означающий порядковый номер его кодовой группы в буфере знакогенератора, умножает на число пиксельных строк в изображении символа и прибавляет полученное число к начальному адресу буфера знакогенератора. Полученное число есть начальный адрес кодовой группы изображения символа. Далее видеоадаптер берет каждый байт кодовой группы изображения и работает уже с отдельными битами байта: для нулевых битов выводит пиксел цветом фона, а для единичных – цветом рисунка (коды цвета фона и рисунка он тоже берет из видеопамяти – из байта атрибутов). Вот так появляются на экране дисплея рисунки букв, тоже, как и все в компьютере, закодированные двоичными числами. Очень похожа картина при выводе изображений символов на печать, только коды изображений символов и их порядковые номера хранятся в памяти печатающего устройства постоянно либо заносятся туда из памяти компьютера перед началом печати. Единицы в кодах рисунков символов расшифровываются при этом как необходимость, например, удара соответствующей иголки в игольчатых устройствах печати.

Графический режим. В графических режимах видеобуфер организован как последовательность битовых полей, состояние битов каждого поля определяет цвет отдельной точки экрана. В графическом режиме экран разделяется на отдельные светящиеся точки, количество которых зависит от типа дисплея, например 640 по горизонтали и 480 по вертикали. Светящиеся точки на экране обычно называют пикселами, их цвет и яркость может меняться. Именно в графическом режиме появляются на экране компьютера все сложные графические изображения, создаваемыми специальными программами, которые управляют параметрами каждого пиксела экрана. Графические режимы характеризуются такими показателями, как разрешающая способность и палитра.

Разрешающая способность – количество точек, с помощью которых на экране воспроизводится изображение. Типичные в настоящее время уровни разрешения 800х600 точек или 1024 х 768 точек. Однако для мониторов с большой диагональю может использоваться разрешение 1152 х 864 точки.

Размер на экране в длину равен ширине всей видимой области экрана, умноженной на количество пикселов изображения, поделенной на количество элементов изображения в строке (это первое из чисел, определяющих режим развёртки монитора).

Пример: у 17" монитора ширина видимой области около 32 см. Если установлен режим 1024 х 768, то изображение в 640 пикселов будет иметь ширину 32 х 640: 1024 = 20 см.

Аналогично определяется и высота изображения на экране.

Палитра – количество цветов, которые используются для воспроизведения изображения, например, 4 цвета, 16 цветов, 256 цветов, 256 оттенков серого цвета, 2¹⁶ цветов в режиме, называемом High color, или 2²⁴ цветов в режиме True color.

Можно изменить возможности графической подсистемы путём замены используемого в ней аппаратного обеспечения. В большинстве случаев это означает замену видеокарты. Поскольку каждый графический адаптер использует свои видеорежимы и каждый режим имеет свои особые требования к памяти, дисплейная память, которой пользуются компьютеры, расположена физически на самой плате графического адаптера, так что если мы меняем адаптер, то меняем также и память. Таким образом, мы автоматически получаем необходимый объём и тип дисплейной памяти, когда устанавливаем тот или иной графический адаптер.

Специальные видеоадаптеры. Для компьютерных систем, критичных к быстродействию видеоподсистемы, выпускаются специальные видеоадаптеры с графическими сопроцессорами. Такие видеоадаптеры могут брать на себя часть вычислительной работы, связанной с построением изображения, они могут, например, самостоятельно строить окружность, определенную ее центром и радиусом, могут аппаратно выполнять перемещение областей изображений на экране. Вы можете даже самостоятельно программировать такие видеоадаптеры на выполнение определенных действий, освобождая процессорное время для других нужд.

Для облегчения использования графических сопроцессоров вместе с ними поставляются драйверы к различным программам – системам втоматизированного проектирования, моделирования, операционной системе Windows.

Видеопамять. Видеопамять предназначена для хранения видеоинформации –двоичного кода изображения, выводимого на экран.

Видеопамять – это электронное энергозависимое запоминающее устройство. В ней могут храниться одновременно несколько страниц высококачественного графического изображения. От объема видеопамяти зависит доступное графическое и цветовое разрешение.

Большинство видеосистем имеет видеопамять, достаточную для хранения более чем одной экранной страницы отображения данных, поэтому на экране в каждый момент видна только часть того, что хранится в видеопамяти.

В видеопамяти хранится информация о цвете каждой точки экрана. Чем большее количество различных цветов используется, тем больший объем видеопамяти требуется.

Страница – раздел видеопамяти, вмещающий информацию об одном образе экрана (одной картинке на экране). В видеопамяти могут размещаться одновременно несколько страниц.

Объем видеопамяти (V) определяется по формуле:

V = n ^.M ^.N ^.b,

где n – число страниц;

М – количество пикселов в строке;

N – количество строк;

B – битовая глубина.

Сейчас наиболее популярными видеоадаптерами у нас в стране являются SVGA и графические акселераторы Windows.

Для компьютерных систем, критичных к быстродействию видеоподсистемы, выпускаются специальные видеоадаптеры с графическими сопроцессорами.

Графический сопроцессор – сердце видеоадаптера. Он занимается отображением информации на экране, обменом данными с центральным процессором и решает многие другие задачи. У современных адаптеров графический процессор разгружает центральный процессор компьютера и берет на себя ряд проблем, связанных с формированием изображения.

Частным случаем видеоадаптеров с графическими сопроцессорами являются графические акселераторы для Windows. Они специально предназначены для повышения производительности видеоподсистемы компьютера при работе в среде Windows.

Следует подчеркнуть, что, в отличие от более универсальных графических сопроцессоров, акселератор Windows ориентирован исключительно на использование совместно с Windows.

Платы графического акселератора и графические сопроцессоры могут работать в режимах High Color и даже True Color. Однако при таких объемах изображения, которые содержит видеопамять в режимах High Color и True Color, количество информации, передаваемое из оперативной памяти компьютера в видеопамять адаптера, становится просто огромно.

D-акселераторы

Видеоадаптеры, способные ускорять операции трехмерной графики, получили название 3D-ускорителей (синонимом является 3D-акселератор). Какие же действия ускоряет 3D-акселератор?

Перечислим наиболее распространенные операции, которые 3D-ускоритель выполняет на аппаратном уровне.

Удаление невидимых поверхностей. Обычно выполняется по методу Z-буфера, который заключается в том, что проекции всех точек трехмерной модели объекта на плоскость изображения сортируются в специальной памяти (Z-буфере) по расстоянию от плоскости изображения.

Закрашивание (Shading) придает треугольникам, составляющим объект, определенный цвет, зависящий от освещенности. Оно бывает: равномерным (Flat Shading), когда каждый треугольник закрашивается равномерно, что вызывает эффект не гладкой поверхности, а многогранника; по Гуро (Gouraud Shading), когда интерполируются значения цвета вдоль каждой грани, что придает криволинейным поверхностям более гладкий вид без видимых ребер; по Фонгу (Phong Shading), когда интерполируются векторы нормали к поверхности, что позволяет добиться максимальной реалистичности, однако требует больших вычислительных затрат и в массовых 3D-ускорителях пока не используется. Большинство 3D-ускорителей умеет выполнять закрашивание по Гуро.

Отсечение (Clipping) определяет часть объекта, видимую на экране, и обрезает все остальное, чтобы не выполнять лишних расчетов.

Расчет освещения. Для выполнения этой процедуры часто применяют метод трассировки лучей (Ray Tracing), позволяющий учесть переотражение света между объектами и их прозрачность. Эту операцию с разным качеством умеют выполнять все 3D-ycкорители.

Наложение текстур (Texture Mapping), или наложение плоского растрового изображения на трехмерный объект с целью придания его поверхности большей реалистичности. Например, в результате такого наложения деревянная поверхность будет выглядеть именно как сделанная из дерева, а не из неизвестного однородного материала. Качественные текстуры обычно занимают много места. Для работы с ними применяют 3D-ускорители на шине AGP, которые поддерживают технологию сжатия текстур. Наиболее совершенные карты поддерживают мультитекстурирование — одновременное наложение двух текстур.

Фильтрация (Filtering) и сглаживание (Anti-aliasing). Под сглаживанием понимается уменьшение искажений текстурных изображений с помощью их интерполяции, особенно на границах, а под фильтрацией понимается способ уменьшения нежелательной «зернистости» при изменении масштаба текстуры при приближении к 3D-объекту или при удалении от него.

Прозрачность, или альфа-канал изображения (Transparency, Alpha Blending) — это информация о прозрачности объекта, позволяющая строить такие прозрачные и полупрозрачные объекты, как вода, стекло, огонь, туман и дымка. Наложение тумана (Fogging) часто выделяется в отдельную функцию и вычисляется отдельно.

Дизеринг или смешение цветов применяется при обработке двух- и трехмерных изображений с большим количеством цветов на устройстве с меньшим их количеством. Этот прием заключается в рисовании малым количеством цветов специального узора, создающего при удалении от него иллюзию использования большего количества цветов.