Монохромный тип дисплея. Программирование видеоадаптеров CGA, EGA и VGA. Улучшенный цветной дисплей

Первый чёрно-белый телевизор с ЖК-дисплеем появился в 1976 г. (фирма Sharp) и имел экран 160×120 пикселов. Идея использования подобных экранов в любительских конструкциях долгое время наталкивалась на банальную проблему - слишком дорого для домашних разработок. В последние годы ситуация в корне изменилась, и монохромные графические ЖК-дисплеи GLCD (Graphic Liquid Crystal Display) стали ненамного дороже алфавитно-цифровых собратьев.

Преимущества графических индикаторов перед символьными очевидны, ведь они позволяют выводить на экран двухмерную растровую картинку с реально узнаваемым изображением. Быстродействия современных MK достаточно, чтобы воспроизводить на ЖК-дисплее даже потоковое видео. Чем не аналог первого чёрно-белого телевизора в карманном микроконтроллерном варианте?

Из множества параметров, по которым выбирают GLCD, важным является тип внутреннего графического контроллера. От него зависит система команд, физический интерфейс и программный алгоритм.

Известно около десятка разновидностей БИС контроллеров разных фирм изготовителей. По сравнению с «алфавитно-цифровыми» ЖК-модулями в GLCD присутствует новшество - контроллеров может быть несколько и они дополняются драйвером сегментов. Образуется пара, которую можно рассматривать как «чипсет», по аналогии с материнскими платами персональных компьютеров.

В распространённых GLCD, совместимых с системой команд контроллера KS0108 (фирма Samsung), чипсет обозначается через дробь KS0107/KS0108 или KS0107B/KS0108B. Опытные разработчики знают, что название «KS0107» относится к драйверу сегментов, а «KS0108» - к управляющему контроллеру. Иногда в документах указывают только тип контроллера KS0108, считая, что наличие микросхемы драйвера на печатной плате ЖК-дисплея само собой разумеется.

На Рис. 2.43 показана структурная схема GLCD стандарта KS0107/KS0108 с раскладкой 128×64 пиксела. Основой служит матрица ЖК-элементов, скомпонованная по ширине в 128 столбцов и по высоте в 64 строки. Чтобы засветить каждую из 8192 точек экрана, нужно 192 транзисторных ключа, которые находятся в одном драйвере KS0107 и в двух контроллерах KS0108. Каждый контроллер имеет внутреннее ОЗУ ёмкостью 4 Кбит, а также логику сопряжения с внешними устройствами. В свою очередь драйвер формирует сетку синхросигналов для всей системы от задающего RC-генератора (подробности в ).

Рис. 2.43. Структурная схема GLCD с организацией 128×64 пиксела.

Почему в GLCD две микросхемы контроллера, а не одна? Можно предположить, что в целях унификации, поскольку каждая из них отвечает за свой квадрант 64×64 пиксела. Пропорционально увеличивая число квадрантов, можно получить любые размеры экрана от 64×64 до 640×480 пикселов.

Графические ЖК-дисплеи имеют, как обязательный атрибут, встроенную светодиодную подсветку экрана. Её цвет определяет фон картинки. Например, чёрные буквы на жёлтом фоне. Прошитого знакогенератора алфавита в дисплее нет. Программист должен сам сформировать буквы, цифры, символы, знаки. Алфавит может быть любым из известных в мире, и преувеличения здесь нет.

Унификация в цоколевке и названиях контактов, к сожалению, отсутствует даже y GLCD с одним и тем же контроллером. Это минус, который заставляет внимательно изучать даташиты. В Табл. 2.6 для примера собрана коллекция обозначений сигналов, встречающихся в GLCD, совместимых с KS0107/KS0108. Особое внимание следует обращать на полное наименование дисплея. Например, Winstar WG12864Aимeeткoнтpoллep KS0108,a WinstarWG12864D - контроллер T6963C, в котором совсем иная система команд. Встречаются GLCD с пониженным питанием +2.4…+3.6 В. Бывает, что подсветка питается от +5 В, а индикатор от +3 В и т.д.

Таблица 2.6. Расшифровка сигналов GLCD стандарта KS0107/KS0108

Электрические схемы подключения GLCD к MK похожи друг на друга, даже при разных «чипсетах» внутри (Рис. 2.44, а…ж), однако программное обеспечение будет в корне отличаться. Для управления яркостью подсветки можно по аналогии использовать рассмотренную ранее схемотехнику из Рис. 2.42, a…p.

а)типовая схема подключения модуля GLCD, совместимого с системой команд KS0108. Шинаданных «DB0»…«DB7» двунаправленная. Резистор Л2задаёт яркость подсветки. Резистором R1 регулируется контрастность от полностью светлого до полностью тёмного экрана. Отрицательное напряжение на контакте «УЕЕ» -5…-8 В вырабатывается внутри GLCD;

б) тип контроллера такой же, как на Рис. 2.44, а, но цоколевка и название выводов GLCD другие. Для регулирования контрастности достаточно одного постоянного резистора R1. Его сопротивление указывается в даташите. Яркость подсветки не регулируется;

в) на выводы «CSl», «CS2» графического дисплея HG1 (128×64) подаются противофазные сигналы, т.е. в каждый момент времени обращение производится только к одному из двух квадрантов пикселов (64×64). Инвертор на транзисторе VT1 сокращает число линий MK; О

О Рис. 2.44. Схемы подключения графических ЖК-модулей к MK (окончание):

г) модуль GLCD HG1 имеет внутренний контроллер T6963 фирмы Toshiba. Отрицательное напряжение для регулирования контрастности подаётся извне и подстраивается резистором R2. Резистор R1 определяет яркость подсветки. Диод VD1 защищает дисплей от подачи на вход «Vo» положительного напряжения больше, чем +0.7 В;

д) модуль GLCD HG1 имеет внутренний контроллер SED1330 фирмы Seiko Epson Corp. Для регулирования контрастности требуется внешнее двухполярное питание +5 В;

е) схема замещения источника отрицательного напряжения GLCD. Контрастность регулируется переменным резистором R4. Температурная стабильность поддерживается терморезистором RK1. Резистор R3 линеаризирует температурную характеристику, его сопротивление подбирается экспериментально;

ж) сигнал начального сброса для вывода «RES» графического ЖК-модуля HG1 не обязательно подавать от MK. Его можно сформировать внешней цепочкой R1, С/. Достоинство - экономия линий портов MK.

Персональные компьютеры используют для отображения текста и графических изображений несколько различных типов дисплеев. Ниже приведена классификация дисплеев в зависимости от используемого ими интерфейса с компьютером.

• Композитный дисплей. Имеет одну аналоговую входную линию. Дисплей может быть как цветным, так и монохромным. Видеосигнал поступает в дисплей в стандарте NTSC (National Television System Committee). Данный стандарт используется также в телевидении. Композитный дисплей применяется совместно с видеоадаптером CGA.
• Цифровой дисплей. Имеет от одной до шести входных линий. На цифровом дисплее может отображаться до 2n различных цветов, где n равно количеству входных линий. Данный тип дисплеев может использоваться вместе с EGA и CGA.
• Аналоговый RGB дисплей. Имеет три аналоговые входные линии (управляющие красным, зеленым и синим цветами). Уровень напряжения на каждой линии отвечает за интенсивность соответствующего цвета на экране. Количество цветов, которые может отображать аналоговый дисплей, ограничено фактически только возможностями видеоадаптера. Аналоговый дисплей используетя совместно с VGA, Super VGA и XGA.

Параметры наиболее распространенных дисплеев, применяемых на компьютерах, совмесимых с IBM PC/XT/AT, приведены в следующей таблице:

Таблица 2.1 Типы дисплеев

1.1. Монохромный дисплей

Первоначально компьютер IBM PC выпускался с монохромным дисплеем фирмы IBM (MD) и монохромным видеоадаптером (MDA). Хотя MDA не предоставляет возможности использования графики и различных цветов, но за счет высокой разрешающей способности - 720х350 (что даже выше, чем обеспечивает EGA - 640х350) MDA широко используется для приложений, работающих с текстами. Следующим шагом в совершенствовании видеосистем явилось создание фирмой Hercules Technology, INC. нового видеоадаптера Hercules (Геркулес), используемого совместно с монохромным дисплеем фирмы IBM (MD). Этот адаптер совместим с MDA и предоставляет пользователю возможность использования графики.

Монохромный дисплей фирмы IBM и совместимые с ним используют частоту кадров, равную 50Гц.

1.2. Цветной дисплей

Цветной дисплей фирмы IBM (CD - Color Display) используется совместно с цветным графическим адаптером (CGA) и обеспечивает четыре цвета для графики и восемь цветов для текста. Сам цветной дисплей имеет возможность отображать шестнадцать различных цветов. Разрешение цветного дисплея меньше, чем у монохромного - 640х200 и размер символов составляет 8 пикселов (пиксел - минимальный элемент изображения) по высоте и 8 пикселов по ширине. В результате заметно, что символы состоят из отдельных пикселов. С появлением улучшенного цветного дисплея, имеющего большую разрешающую способность, этот недостаток был устранен.

Цветной дисплей имеет частоту смены кадров, равную 60Гц.

1.3. Улучшенный цветной дисплей

Улучшенный цветной дисплей создан для использования совместно с видеоадаптером EGA. Он имеет большую разрешающую способность - 640х350 и может отображать большее количество цветов (любые 16 из 64), чем обычный цветной дисплей. Символы имеют размер 8 пикселов по ширине и 14 пикселов по высоте.

1.4. Многочастотный цветной дисплей

Этот дисплей имеет возможность работать с различной частотой кадров, что позволяет поддерживать режимы с различной разрешающей способностью. Обычно эти дисплеи имеют разрешающую способность 640х350, (что соответствует EGA) и выше - 640х400, 640x480, 800x600, 1024x768. Последние два режима реализуются только видеоадаптерами Super VGA и XGA.

Многочастотный цветной дисплей может воспроизводить больше цветов, чем улучшенный цветной дисплей. При работе в цифровом режмие он имеет те же 64 цвета, что и ECD, а при работе в аналоговом режиме он может отображать практически неограниченное число цветов. Большинство многочастотных дисплеев можно использовать совместно с VGA. Первые модели многочастотного дисплея фирмы NEC видеоадаптер VGA не поддерживали.

1.5. Дисплей VGA

Для видеоадаптера VGA фирмой IBM был разработан аналоговый RGB дисплей с высоким разрешением, а также монохромный аналоговый дисплей с высоким разрешением. На монохромном дисплее различные цвета изображаются различными градациями серого цвета. Эти два дисплея (монохромный и цветной) являются взаимозаменяемыми - приложения, написанные для одного из дисплеев, могут работать с другим дисплеем.

Монохромные мониторы существенно дешевле цветных, имеют более четкое изображение и большую разрешающую способность, позволяют отобразить десятки оттенков «серого цветах, менее вредны для здоровья человека. Поэтому многие профессиональные программисты предпочитают именно их.

Среди монохромных чаще других используются:

● монохромные мониторы прямого управления, обеспечивающие высокую разрешающую способность при отображении текстовых и псевдографических символов, но не предназначенные для формирования графических изображений, построенных из отдельных пикселов; работают совместно только с монохромными видеоконтроллерами;

● композитные монохромные мониторы обеспечивают качественное отображение и символьной и графической информации при совместной работе с цветным графическим адаптером (но выдают, естественно, однотонное, чаще всего зеленое или янтарное, изображение).

Наибольшую разрешающую способность с хорошей передачей полутонов из применяемых в настоящее время мониторов имеют монохромные композитные мониторы с черно-белым изображением типа «paper white» (используемые часто в настольных издательских системах); их разрешающая способность при совместной работе с хорошим видеоадаптером превышает 1600 х 1200 пикселов.

Цветные мониторы

В цветном CRT-мониторе используются три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах. Каждая пушка отвечает за один из трех основных цветов: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue), путем смешивания которых создаются все остальные цвета и цветовые оттенки, вплоть до 16 миллионов разных оттенков, предусмотренных стандартом TrueColor. Люминофор цветной трубки содержит мелкие группы точек, в каждой из которых имеются три вида элементов (отсюда и название группы из люминофорных элементов - триады), светящихся этими основными цветами, а поток электронов от каждой электронной пушки направляется на соответствующие группы точек. Такие мониторы иногда называют RGB-мониторами, по первым буквам названия основных цветов, формирующих спектр.

Электронный луч, предназначенный для красных люминофорных элементов, не должен влиять на люминофор зеленого или синего цвета. Чтобы добиться такого

действия, используется специальная маска, структура которой зависит от типа кинескопов разных производителей, обеспечивающая дискретность (растровость) изображения.

ЭЛТ можно разбить на два класса:

●с дельтаобразным расположением электронных пушек;

● с планарным расположением электронных пушек.

Часто ЭЛТ (трубки) с планарным расположением электронных пушек называют также ЭЛТ с само сведением лучей, так как воздействие магнитного поля земли на трипланарно расположенных луча практически одинаково, и при изменении положения трубки относительно этого поля не требуется производить дополнительные регулировки. В этих трубках применяются маски двух типов: 0 «Shadow Mask» (теневая маска);

● «Slot Mask» (щелевая маска).

Теневая маска - это самый распространенный тип масок для CRT-мониторов. Теневая маска представляет собой металлическую сетку перед экраном стеклянной трубки с люминофорным слоем. Отверстия в металлической сетке обеспечивают точное попадание луча только на требуемые люминофорные элементы и только в определенных областях. Минимальное расстояние между люминофорными элементами одинакового цвета называется шагом точки (dot pitch). Теневая маска применяется во многих современных мониторах, в частности Hitachi, Panasonic, Samsung, Daewoo, LG, Nokia, ViewSonic.

Щелевая маска состоит из параллельных металлических проводников перед экраном стеклянной трубки с люминофорным слоем. Щели между проводниками обеспечивают точное попадание луча на требуемые полосы экрана. Люминофорные элементы расположены в вертикальных эллиптических ячейках, а маска сделана из вертикальных линий. Вертикальные полосы, фактически, разделены на эллиптические ячейки, которые содержат группы из люминофорных элементов трех основных цветов. Минимальное расстояние между двумя ячейками называется щелевым шагом (slot pitch). Щелевая маска используется, помимо мониторов фирмы NEC (разработчика данной технологии), в мониторах Panasonic с плоским экраном PureFlat и LG с плоским экраном Flatron.

Фирма Sony разработала плоские трубки с апертурной решеткой (Aperture Grill), которые более известны как трубки Trinitron. Апертурная решетка представляет собой металлическую решетку из вертикальных линий. Вместо эллиптических ячеек экран содержит серию нитей, состоящих из люминофорных элементов трех основных цветов, выстроенных в виде вертикальных полос. Такая система обеспечивает высокую контрастность изображения и хорошую насыщенность цветов, что вместе обеспечивает высокое качество мониторов с трубками на основе этой технологии. Маска, применяемая в трубках фирм Sony, а также СТХ, Mitsubishi, ViewSonic, представляет собой тонкую фольгу, на которой прорезаны тонкие вертикальные линии. Она держится на одной (в больших мониторах - на нескольких) горизонтальной проволочке-струне, тень от которой видна, на экране. Эта проволочка применяется для гашения колебаний и называется демпфирующей (стабилизирующей) нитью (damper wire).

Минимальное расстояние между двумя одноцветными нитями на экране называется шагом полосы (strip pitch). Введенные выше понятия: «шаг точки», «щелевой шаг», «шаг полосы» можно связать с более распространенным общим термином «размер зерна», рассмотренным ниже.

В качестве цветных мониторов используются также композитные цветные мониторы, обеспечивающие и цвет, и графику, но с довольно низкой разрешающей способностью.

RGB-мониторы являются более качественными, обладающими высокой разрешающей способностью и графики и детализацией цвета, в них для каждого из основных цветовых сигналов отведен свой провод (в композитных - все три цветовых сигнала проходят по одному проводу).

RGB-мониторы работают совместно с цветным графическим контроллером. Три типа видеомониторов: CD (Color Display), ECD (Enhanced CD) и PGS (Professional Graphics System), определяли стандарт цветных мониторов широкого применения, но в настоящее время заслуживают внимания только последние из них.