σελ 222-230
Μάθημα 4.8 Η οθόνη και η κάρτα γραφικών
Εισαγωγή
Η οθόνη
Τεχνικά χαρακτηριστικά οθονών
Ο προσαρμογέας οθόνης (κάρτα γραφικών)
Χαρακτηριστικά καρτών γραφικών
Όταν μελετήσεις αυτό το μάθημα θα μπορείς:
• Να περιγράφεις τον τρόπο λειτουργίας μιας οθόνης
• Να αναφέρεις τα βασικά χαρακτηριστικά μιας οθόνης
• Να περιγράφεις την αρχή λειτουργίας της κάρτας γραφικών
• Να αναφέρεις τα βασικά χαρακτηριστικά μιας κάρτας γραφικών
4.8.1. Εισαγωγή
Όπως έχουμε δει, ένα από τα βασικά μέρη του προσωπικού υπολογιστή είναι η οθόνη (monitor). Η οθόνη αποτελεί μια ξεχωριστή συσκευή του προσωπικού υπολογιστή και συνδέεται με την κεντρική μονάδα με τη βοήθεια ειδικού καλωδίου. Για τη σύνδεση της οθόνης με τη μητρική πλακέτα είναι απαραίτητη η χρήση μιας ειδικής κάρτας επέκτασης. Αυτή η κάρτα επέκτασης ονομάζεται προσαρμογέας οθόνης (Display Adapter) ή αλλιώς κάρτα γραφικών (Graphics Card). Η κάρτα γραφικών διαθέτει μια υποδοχή πάνω στην οποία συνδέεται, μέσω του καλωδίου που αναφέρθηκε παραπάνω, η οθόνη.
4.8.2. Η οθόνη
Η οθόνη είναι η κυριότερη συσκευή εξόδου του προσωπικού υπολογιστή. Μέσω αυτής παίρνουμε σχεδόν όλες τις πληροφορίες που μας χρειάζονται από τον υπολογιστή. Έτσι, στην οθόνη βλέπουμε τα αποτελέσματα των εργασιών του υπολογιστή, οδηγίες προς τον χρήστη για τη συνέχιση της εισαγωγής των στοιχείων και στοιχεία για την κατάσταση του υπολογιστή. Όταν λοιπόν συναρμολογείται ένας προσωπικός υπολογιστής, είναι πολύ σημαντική η επιλογή της κατάλληλης οθόνης. Η επιλογή αυτή πρέπει να γίνει σύμφωνα με την εργασία στην οποία θα χρησιμοποιηθεί ο προσωπικός υπολογιστής, έχοντας πάντα υπόψη το κόστος. Έτσι για παράδειγμα αν ο προσωπικός υπολογιστής πρόκειται να χρησιμοποιηθεί σχεδόν αποκλειστικά για επεξεργασία κειμένου, μπορεί να επιλεγεί μια σχετικά φτηνή και μικρού μεγέθους οθόνη. Αντίθετα, αν ο προσωπικός υπολογιστής πρόκειται να χρησιμοποιηθεί από έναν γραφίστα για τη σχεδίαση εξώφυλλων περιοδικών, πρέπει να επιλεγεί μια πολύ καλής ποιότητας, μεγάλου μεγέθους και επομένως υψηλού κόστους οθόνη. Στη συνέχεια θα δούμε τα βασικά χαρακτηριστικά μιας οθόνης και το πως επηρεάζουν την ποιότητα και την εργονομία της.
4.8.3. Τεχνικά χαρακτηριστικά οθονών
Το πόσο ποιοτικά καλή είναι μια οθόνη αλλά και το πόσο κατάλληλη είναι για μια εργασία, εξαρτάται από τα τεχνικά χαρακτηριστικά της. Ανάλογα με τη χρήση για την οποία προορίζεται η οθόνη, κάποια από αυτά τα τεχνικά χαρακτηριστικά έχουν μεγαλύτερη και κάποια άλλα μικρότερη σημασία. Γι' αυτόν το λόγο η επιλογή της οθόνης πρέπει πάντοτε να γίνεται με γνώμονα τις ανάγκες του χρήστη του προσωπικού υπολογιστή.
Τεχνολογίες οθονών
Οι οθόνες των προσωπικών υπολογιστών χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες: τις οθόνες καθοδικού σωλήνα (Cathode Ray Tube – CRT) και τις επίπεδες οθόνες.
Στην οθόνη καθοδικού σωλήνα χρησιμοποιείται η ίδια τεχνική απεικόνισης με την τηλεόραση. Στο ένα άκρο ενός σωλήνα, ο οποίος ονομάζεται καθοδικός σωλήνας, υπάρχουν τρία πυροβόλα ηλεκτρονίων, ένα για κάθε ένα από τα τρία χρώματα (μπλε, κόκκινο και πράσινο). Με τα χρώματα αυτά σε κατάλληλους συνδυασμούς είναι δυνατόν να απεικονιστεί στην οθόνη ένας πολύ μεγάλος αριθμός χρωμάτων. Κάθε ένα από τα πυροβόλα αυτά εκπέμπει μια δέσμη ηλεκτρονίων, η οποία εκτρέπεται κατάλληλα από ένα μαγνητικό πεδίο, ώστε να σαρώνει μια οθόνη. Η οθόνη αυτή έχει μια επικάλυψη από φώσφορο ο οποίος λάμπει, όταν πέφτει πάνω του η δέσμη ηλεκτρονίων. Η διαδικασία αυτή γίνεται πολύ γρήγορα ώστε το ανθρώπινο μάτι να μην προλαβαίνει να βλέπει το ίχνος της δέσμης ηλεκτρονίων στην οθόνη αλλά μια ολοκληρωμένη εικόνα.
Οι επίπεδες οθόνες βασίζονται κυρίως στην τεχνολογία των υγρών κρυστάλλων. Στις οθόνες αυτές υπάρχει ένα λεπτό στρώμα από κρυστάλλους σε υγρή μορφή. Με ειδικές ηλεκτρονικές διατάξεις έχουμε τη δυνατότητα να αλλάξουμε την πόλωση των κρυστάλλων αυτών αλλάζοντας έτσι τον τρόπο που αφήνουν το φως να περάσει από μέσα τους. Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να πολώσουμε κατάλληλα τους κρυστάλλους μιας οθόνης δημιουργώντας έτσι την εικόνα που επιθυμούμε.
Οι επίπεδες οθόνες έχουν πολύ μικρότερο όγκο από τις οθόνες καθοδικού σωλήνα. Επίσης, είναι πολύ πιο ελαφριές και έχουν πολύ μικρότερη κατανάλωση ισχύος, ιδιότητες που τις κάνουν ιδανικές για φορητούς υπολογιστές όπου τα παραπάνω μεγέθη είναι κρίσιμα. Οι οθόνες καθοδικού σωλήνα όμως σε σχέση με τις επίπεδες οθόνες έχουν σαφώς καλύτερη ποιότητα εικόνας και χαμηλότερη τιμή, οπότε προτιμούνται στους υπολογιστές γραφείου.
Μέγεθος
Ένα από τα σημαντικότερα τεχνικά χαρακτηριστικά μιας οθόνης είναι το μέγεθος. Όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος αυτό, τόσο περισσότερα στοιχεία μπορεί να απεικονίσει η οθόνη. Επίσης, η ευκρίνεια της εικόνας της οθόνης είναι καλύτερη όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος της τελευταίας. Το μέγεθος μιας οθόνης μετριέται σε ίντσες (") και εκφράζει το μήκος της διαγωνίου της οθόνης. Στις οθόνες καθοδικού σωλήνα το μήκος αυτό είναι το μήκος της διαγωνίου του καθοδικού σωλήνα και όχι της διαγωνίου της εικόνας που μπορούμε να δούμε. Το μήκος της διαγωνίου της εικόνας είναι συνήθως 1" ως 1,5" μικρότερο. Έτσι, μια τέτοια οθόνη μεγέθους 15" μπορεί στην πραγματικότητα να δείξει μια εικόνα με μήκος διαγωνίου 14" ή και μικρότερη. Τυπικά μεγέθη για οθόνες καθοδικού σωλήνα είναι 14", 15", 17", 19" και 21", αλλά το μέγεθος αυτό μπορεί να φτάσει και τις 42". Αντίθετα το μέγεθος στις επίπεδες οθόνες αντιστοιχεί στο πραγματικό μήκος της διαγωνίου της εικόνας που μπορεί να δείξει.
Ανάλυση
Η ανάλυση μιας οθόνης εκφράζει το πλήθος των διαφορετικών στοιχειών ή pixels (pixel = Picture Element – στοιχείο εικόνας) που μπορούν να χρησιμοποιηθούν, για να συνθέσουν μια εικόνα στην οθόνη. Η ανάλυση της οθόνης μας πληροφορεί για το πόσα τέτοια στοιχεία μπορούν να υπάρχουν στον οριζόντιο και στον κατακόρυφο άξονα. Έτσι, μια οθόνη με ανάλυση 800X600 μπορεί να δείξει μια εικόνα με 800 στοιχεία στον οριζόντιο άξονα και 600 στοιχεία στον κατακόρυφο άξονα, δηλαδή συνολικά 480.000 στοιχεία. Τυπικές αναλύσεις που χρησιμοποιούνται στις οθόνες των προσωπικών υπολογιστών είναι 640Χ480, 800Χ600, 1024Χ768, 1280Χ1024 και 1600Χ1200. Ο λόγος της οριζόντιας προς την κατακόρυφη ανάλυση διατηρείται σταθερός ώστε να μην παραμορφώνεται μια εικόνα, όταν απεικονίζεται στην οθόνη με διαφορετικές αναλύσεις.
Σχήμα 4.8.2: Μια εικόνα στην οθόνη του υπολογιστή αποτελείται από ένα πλήθος διακριτών στοιχείων (pixels). Όταν η ανάλυση της οθόνης είναι μεγάλη (τα pixels δηλαδή έχουν μικρό μέγεθος), το ανθρώπινο μάτι δυσκολεύεται να διακρίνει τα "σκαλοπάτια" στην εικόνα.
Οι οθόνες καθοδικού σωλήνα έχουν, συνήθως, τη δυνατότητα να λειτουργήσουν με πολλές διαφορετικές αναλύσεις. Κατά κανόνα, όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος μιας οθόνης καθοδικού σωλήνα, τόσο μεγαλύτερη είναι και η μέγιστη ανάλυση με την οποία μπορεί να λειτουργήσει. Αντίθετα, οι επίπεδες οθόνες μπορούν να λειτουργήσουν μόνο με μια συγκεκριμένη ανάλυση η οποία ορίζεται από τον κατασκευαστή της οθόνης.
Βήμα κουκίδας
Μια οθόνη για να απεικονίσει διάφορα χρώματα χρησιμοποιεί για κάθε στοιχείο της εικόνας τριάδες από κουκίδες. Κάθε κουκίδα μιας τριάδας έχει ένα από τα τρία καθαρά χρώματα (μπλε, κόκκινο και πράσινο) που μπορεί να δείξει η οθόνη. Επειδή οι κουκίδες αυτές είναι πολύ κοντά η μία στην άλλη το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να τις ξεχωρίσει, με αποτέλεσμα να βλέπει ένα μόνο χρώμα που είναι ο συνδυασμός των χρωμάτων των τριών κουκίδων. Έτσι, ανάλογα με την ένταση κάθε κουκίδας μπορούν να απεικονιστούν εκατομμύρια συνδυασμοί χρωμάτων. Το βήμα κουκίδας (dot pitch) μιας οθόνης εκφράζει την απόσταση που έχουν οι κουκίδες μιας τριάδας μεταξύ τους και μετριέται σε χιλιοστά του μέτρου (mm). Όσο μικρότερο είναι το βήμα κουκίδας μιας οθόνης τόσο καθαρότερα φαίνονται τα χρώματα, μια που τόσο περισσότερο δυσκολεύεται το ανθρώπινο μάτι να ξεχωρίσει τις κουκίδες της τριάδας. Τυπικές τιμές για το βήμα κουκίδας είναι 0,22mm ως 0,28mm. Οθόνες με βήμα κουκίδας μεγαλύτερο από 0,28mm έχουν πολύ κακή ποιότητα εικόνας και δεν συνίσταται η χρήση τους.
Ρυθμός ανανέωσης
Ο ρυθμός ανανέωσης (refresh rate) ορίζει πόσες φορές ανανεώνεται η εικόνα της οθόνης κάθε δευτερόλεπτο και μετριέται σε Hz (1 Hz = 1 φορά το δευτερόλεπτο). Αν ο ρυθμός αυτός είναι χαμηλός, τότε το ανθρώπινο μάτι μπορεί να καταλάβει την εναλλαγή των διαδοχικών εικόνων με αποτέλεσμα η οθόνη να τρεμοπαίζει, πράγμα που κουράζει τον χρήστη του υπολογιστή. Όταν ο ρυθμός ανανέωσης είναι μεγάλος, η εικόνα στην οθόνη φαίνεται σταθερή και ξεκούραστη. Τυπικές τιμές του ρυθμού ανανέωσης είναι 56Hz ως 160Hz. Γενικά όσο μεγαλώνει η ανάλυση μιας συγκεκριμένης οθόνης τόσο μικραίνει ο ρυθμός ανανέωσης. Έτσι για παράδειγμα μπορεί μια οθόνη σε ανάλυση 640Χ480 να έχει ρυθμό ανανέωσης 120Hz και σε ανάλυση 1024Χ768 να έχει ρυθμό ανανέωσης 75Hz. Όσο καλύτερη και επομένως ακριβότερη είναι μια οθόνη, τόσο μεγαλύτερους ρυθμούς ανανέωσης μπορεί να έχει στις διάφορες αναλύσεις. Μια οθόνη με ρυθμός ανανέωσης 60Hz ή και μικρότερο είναι κουραστική καθώς είναι αισθητό το τρεμόπαιγμα. Μια οθόνη για να είναι ξεκούραστη, πρέπει να έχει ρυθμό ανανέωσης 75Hz ή μεγαλύτερο.
4.8.4. Ο προσαρμογέας οθόνης (κάρτα γραφικών)
Ο προσαρμογέας οθόνης είναι ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα, το οποίο χρησιμοποιείται για τη σύνδεση της οθόνης με τη μητρική πλακέτα. Ο προσωπικός υπολογιστής δεν μπορεί να λειτουργήσει χωρίς μια οθόνη, για να επικοινωνεί με τον χρήστη. Επομένως τα κυκλώματα του προσαρμογέα γραφικών είναι απολύτως απαραίτητα για τη λειτουργία του προσωπικού υπολογιστή. Γι' αυτό το λόγο πολλοί κατασκευαστές προσωπικών υπολογιστών επιλέγουν να ενσωματώσουν τα κυκλώματα αυτά στη μητρική πλακέτα του υπολογιστή. Οι τυποποιήσεις μητρικών πλακετών baby AT και ATX όμως (βλέπε παράγραφο 4.2.5) δεν επιτρέπουν την τοποθέτηση τέτοιων κυκλωμάτων στη μητρική πλακέτα. Σε αυτές τις περιπτώσεις ο προσαρμογέας οθόνης έχει τη μορφή κάρτας επέκτασης και γι' αυτό το λόγο ονομάζεται και κάρτα γραφικών. Η σχεδίαση αυτή έχει ένα βασικό πλεονέκτημα. Έχουμε τη δυνατότητα να επιλέξουμε μεταξύ πολλών καρτών γραφικών διαφορετικών δυνατοτήτων αυτή που ταιριάζει καλύτερα στις εκάστοτε ανάγκες του χρήστη.
Η αρχή λειτουργία μιας κάρτας γραφικών είναι σχετικά απλή: Κάθε κάρτα γραφικών διαθέτει μια μνήμη RAM, στην οποία ο επεξεργαστής του προσωπικού υπολογιστή γράφει τα δεδομένα που θέλει να απεικονίσει στην οθόνη. Στη συνέχεια ειδικά κυκλώματα που υπάρχουν στην κάρτα γραφικών διαβάζουν τα δεδομένα αυτά και παράγουν κατάλληλα σήματα, τα οποία στέλνονται στην οθόνη, ώστε να δημιουργηθεί η επιθυμητή εικόνα. Τη σήματα αυτά είναι αναλογικά, σε αντίθεση με τα δεδομένα του υπολογιστή που είναι ψηφιακά. Για τον λόγο αυτό σε κάθε κάρτα γραφικών υπάρχει ένας μετατροπέας από ψηφιακό σε αναλογικό σήμα (DAC – Digital to Analog Converter) που μετατρέπει τα ψηφιακά δεδομένα του υπολογιστή στα αναλογικά σήματα που χρειάζεται η οθόνη για να λειτουργήσει.
Σχήμα 4.8.4: Λειτουργία τυπικής κάρτας γραφικών
Οι σύγχρονες κάρτες γραφικών διαθέτουν συνήθως έναν ειδικό επεξεργαστή, τον επιταχυντή γραφικών. Ο ειδικός αυτός επεξεργαστής έχει τη δυνατότητα να δέχεται την περιγραφή αντικειμένων δύο ή τριών διαστάσεων και στη συνέχεια να δημιουργεί με πολύ μεγάλη ταχύτητα τα δεδομένα για την προβολή της εικόνας. Έτσι επιταχύνεται πολύ η διαδικασία απεικόνισης, μια που ο επεξεργαστής του προσωπικού υπολογιστή πρέπει απλώς να περιγράψει τα αντικείμενα που επιθυμεί να απεικονιστούν και την "βαριά δουλειά" της απεικόνισης την κάνει ο επιταχυντής γραφικών που είναι εξειδικευμένος γι' αυτή την εργασία.
4.8.5. Χαρακτηριστικά καρτών γραφικών
Κάθε κάρτα γραφικών έχει μια σειρά χαρακτηριστικών, τα οποία προσδιορίζουν τις δυνατότητές της, καθώς και τη χρήση για την οποία προορίζεται. Τα βασικότερα χαρακτηριστικά μιας κάρτας γραφικών περιγράφονται στη συνέχεια.
Ανάλυση
Κάθε κάρτα γραφικών μπορεί να υποστηρίξει ορισμένες αναλύσεις. Η ανάλυση (resolution) μιας κάρτας γραφικών εκφράζει το πλήθος των pixels που μπορούν να χρησιμοποιηθούν, για να συνθέσουν μια εικόνα στην οθόνη. Τυπικές αναλύσεις που χρησιμοποιούνται στις κάρτες γραφικών των προσωπικών υπολογιστών είναι 640Χ480, 800Χ600, 1024Χ768, 1280Χ1024 και 1600Χ1200.
Βάθος χρώματος
Το βάθος χρώματος (color depth) μετριέται σε bits και εκφράζει το πλήθος των διαφορετικών χρωμάτων που μπορεί να έχει κάθε pixel. Τυπικές τιμές για το βάθος χρώματος είναι 8 bits (28=256 διαφορετικά χρώματα), 16 bits (216=65.536 διαφορετικά χρώματα), 24 bits (224=16.777.216 διαφορετικά χρώματα) και 32 bits (232=4.294.967.296 διαφορετικά χρώματα).
Μνήμη
Η μνήμη της κάρτας γραφικών είναι μνήμη RAM και χρησιμοποιείται για να γράφει ο επεξεργαστής του προσωπικού υπολογιστή τα δεδομένα που θέλει να απεικονιστούν στην οθόνη. Η μνήμη της κάρτας γραφικών έχει άμεση σχέση με την ανάλυση και το βάθος χρώματος, μια που για την περιγραφή κάθε pixel της εικόνας πρέπει να χρησιμοποιηθούν τόσα bits όσα ορίζονται από το βάθος χρώματος. Έτσι, για παράδειγμα για την προβολή μιας εικόνας με ανάλυση 800Χ600=480.000 pixels με βάθος χρώματος 24 bits απαιτείται μνήμη 480.000pixels Χ 24bits/pixel / 8 bits/Byte = 1.440.000 Bytes. Όσο μεγαλύτερη είναι η μνήμη της κάρτας γραφικών τόσο μεγαλύτερες αναλύσεις και βάθος χρώματος μπορεί να υποστηρίξει. Τυπικές τιμές για τη μνήμη της κάρτας γραφικών είναι 1 MByte, 2 MBytes, 4 MBytes, 8 MBytes, 16 MBytes, και 32 MBytes.
Ρυθμός ανανέωσης
Ο ρυθμός ανανέωσης (refresh rate) της εικόνας στην οθόνη εξαρτάται και από την κάρτα γραφικών. Έτσι μια κάρτα γραφικών για κάθε ανάλυση υποστηρίζει μέχρι ένα μέγιστο ρυθμό ανανέωσης.
Τύπος διαδρόμου για περιφερειακά
Κάρτες γραφικών υπάρχουν για όλους σχεδόν τους τύπους διαδρόμων για περιφερειακά. Επειδή όμως το μέγεθος της πληροφορίας που πρέπει να μεταφερθεί από τον επεξεργαστή προς τη μνήμη της κάρτας γραφικών για κάθε εικόνα είναι μεγάλο, οι καλές κάρτες γραφικών χρησιμοποιούν είτε τον διάδρομο PCI είτε τον διάδρομο AGP. Οι σύγχρονες κάρτες γραφικών χρησιμοποιούν σχεδόν αποκλειστικά τον διάδρομο AGP, ο οποίος όπως είδαμε στο μάθημα 4.6 σχεδιάστηκε ειδικά για τις απαιτήσεις των καρτών γραφικών.
Τι έμαθες
• Η οθόνη συνδέεται στην μητρική πλακέτα μέσω της κάρτας γραφικών.
• Οι βασικές κατηγορίες οθονών είναι δύο: οι οθόνες καθοδικού σωλήνα και οι επίπεδες οθόνες.
• Το μέγεθος μιας οθόνης μετριέται σε ίντσες και εκφράζει το μήκος της διαγωνίου της εικόνας που μπορεί να απεικονίσει.
• Όσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση μιας οθόνης τόσο περισσότερη πληροφορία μπορεί να απεικονίσει.
• Το βήμα κουκίδας είναι ένα μέτρο της ευκρίνειας της οθόνης.
• Η κάρτα γραφικών μετατρέπει τα ψηφιακά δεδομένα του επεξεργαστή σε σήματα κατάλληλα για απεικόνιση.
Ορολογία
• οθόνη καθοδικού σωλήνα, επίπεδη οθόνη
• ανάλυση, pixel
• βήμα κουκίδας, ρυθμός ανανέωσης
• κάρτα γραφικών, προσαρμογέας οθόνης, επιταχυντής γραφικών
• βάθος χρώματος
Έλεγχος γνώσεων
1. Ποια λειτουργία επιτελεί η κάρτα γραφικών στον προσωπικό υπολογιστή;
2. Πώς λειτουργεί μια οθόνη καθοδικού σωλήνα και πως μια επίπεδη οθόνη;
3. Ποια πλεονεκτήματα έχουν οι οθόνες καθοδικού σωλήνα και ποια οι επίπεδες οθόνες;
4. Τι εκφράζει η ανάλυση της οθόνης;
5. Τι είναι το βήμα κουκίδας και γιατί είναι σημαντικό να είναι όσο μικρότερο γίνεται;
6. Γιατί μια οθόνη με χαμηλό ρυθμό ανανέωσης μπορεί να είναι κουραστική;
7. Πώς λειτουργεί μια κάρτα γραφικών; Ποιος ο ρόλος του κυκλώματος DAC;
8. Υπολογίστε πόση μνήμη πρέπει να διαθέτει μια κάρτα γραφικών, για να απεικονίσει μια εικόνα με ανάλυση 1024Χ768 και βάθος χρώματος 16 bits.
