CRT DENETLEYĐCĐLER ( CATHODE RAY TUBE CONTROLLERS ) CRT NĐN YAPISI

Transkript

1 K TÜ Mühendislik Fakültesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü Mikroişlemciler Laboratuarı CRT DENETLEYĐCĐLER ( CATHODE RAY TUBE CONTROLLERS ) CRT NĐN YAPISI Bilgisayar monitörlerinde bilgilerin görüntülenmesi TV lerde kullanılan yöntemlere çok benzerdir. CRT (cathode ray tube) ekranında bir görüntünün nasıl oluşturulduğu Şekil-1 de şematik olarak gösterilmiştir. Şekil-1 Katot ışın tüp ekranında görüntünün oluşturulması. Katot tarafından yayılan elektronlar anot tarafından hızlandırıldıktan sonra saptırma birimleri tarafından saptırılarak flöresan ekranına çarptırılır. Ekran birçok yatay satırlara bölünmüştür. Herbir satır çok sayıda noktadan oluşur ve bu noktalara piksel (pixel) veya resim öğesi (picture element) denir. Tüp boşaltılır ve katot tarafından yayılan elektronlar anotun elektrik alanı sayesinde hızlandırılarak ekrana çarptırılır. Negatif yüklü elektronlar saptırma levhalarına uygulanan gerilimin ürettiği elektrik alanıyla soldan sağa doğru saptırılır. Böylece tarama satırları (scanlines) oluşturulur. Elektron ışını satırın sonuna ulaştığında, tekrara bir sonraki tarama satırının başlangıcına dönmelidir; buna yatay tarama (horizontal retrace) denir. Aynı şekilde, elektron ışını en alt satıra ulaştıktan sonra sağ üst köşeye geri dönmelidir; böylece düşey tarama (vertical retrace) gerçekleştirilmiş olur. Çok sayıda farklı parlaklık görüntüleyebilmek için, elektron ışınının yoğunluğu modüle edilir. Yoğun elektronlu ışının vurduğu yerde parlak bir piksel görünür. Elektron yoğunluğu az olduğu zaman, daha karanlık bir nokta üretilir. Uyarılan bir piksel,flöresan tabakanın kalıcılığından dolayı belirli bir süre ışık yayar. Bir elektron ışınıyla sadece tek renkli veya gri gölgeli görüntüler üretilebilir. Bu monitörler genellikle yeşil, turuncu veya beyaz bir ışık yayan bir flöresan tabakaya sahiptir.

2 Renkli görüntü göstermek için üç elektron ışınına ihtiyaç duyulur. Bu ışınların ekran yüzeyi üzerinde farklı renk noktalarına vurur ve üç ayrı renkte parlarlar. Tüm renkler kırmızı, yeşil, mavi olmak üzere üç ana rengin karışımından türetilebilir. Mesela beyaz bir nokta, bir piksel elemanının tüm üç renk noktasını eşit düzeyde uyarılarak üretilir. Böylece, renkli monitörler üzerinde tüm üç elektron ışını görüntü bilgisine göre modüle edilir. Burada ışın bilgisi, piksele karşı düşen parlaklığın ve rengin yoğunluğunu gösterir. EKRANIN TARANMASI Bir çerçeve resim belirli sayıda satırdan oluşur. Her satır üzerinde de belirli sayıda resim elemanı vardır. Örneğin 640*480 piksel çözünürlüklü bir VGA monitörde, herbiri 640 piksele sahip 480 satır bulunur. Hareketli cisimlerin görüntülerinin iyi olması için genellikle saniyede 60 veya daha fazla sayıda görüntü gösterilir. Bu değer bir çerçeve resim süresinin 16.7 ms olmasını gerektirir. Gösterilen çözünürlükte VGA adaptörleri için IBM MHz lik bir video band genişliği belirlemiştir. Bu değer ekran üzerinde yazılan piksel hızına karşılık düşmektedir. Bu demektir ki her saniyede 25 milyondan fazla nokta ekrana yazılmalıdır. Bu yüzden monitörün video yükselteçleri çok hızlı çalışmalıdır. Daha yüksek çözünürlükler için video band genişliği 100 MHz e kadar yükselebilir; saniyede görüntülenecek çerçeve resim sayısını artırmak için basit, hızlı ve ucuz bir yol vardır: geçmeli tarama. geçmeli taramada biri tek diğeri çift olmak üzere iki alan vardır. Tek alanda sadece tek numaraları tarama satırları yazılır, ve çift alanda ise çift numaralı tarama satırları yazılır. Böylece video band genişliği ikiye bölünür, fakat resim frekansı aynı kalır. Şekil-2. Geçmeli ve geçmesiz tarama. (a) Geçmeli taramada önce tek numaralı satırlar yazılır, sonra çift numaralı tarama satırları yazılır. Düşey saptırma biriminin gerilimi bir görüntünün tamamlanmasını iki devrede başarır; (b) Geçmesiz taramada satırlar ardarda yazılır. Geçmeli yöntem TV döneminin başlangıcından beri, TV kanallarının band genişliğini sınırlamak için kullanılmaktadır. CCIR standardında bir TV görüntüsü, her biri satırlık iki yarım görüntüye ayrılmış 625 satır içerir. TV nin etkin olarak saniyede 25 tam görüntü, göstermesi için bu kısmi görüntüler saniyede 50 defa gönderilir.

3 LCD ve gaz-plazma monitörler CRT ye benzer şekilde resim üretilir, fakat burada şekil çizen bir elektron ışını yoktur ; bunun yerine ardarda adreslenebilen fiziksel elemanları vardır. Bundan dolayı bu monitörlerde görüntü satır satır da üretilir. Tarama burada herhangi bir rol oynamaz, elemanlar adreslenerek tarama kolayca başarılır. CRT DENETLEYĐCĐ (CRTC) Çeşitli çözünürlük ve renk gösterme yeteneği farklılıklarına rağmen ilkesel yapısında grafik adaptörleri büyük çapta değişiklik göstermezler. Şekil-3 te modern bir grafik adaptörün blok yapısı gösterilmiştir. Merkez parça, adaptörün işlevlerini denetleyen ve gerekli kontrol işaretlerini üreten video kontrol edici veya grafik kontrol yongası adı verilen CRT denetleyicidir. Monitörde görüntülenecek metin veya grafik bilgisi, video RAM a CPU tarafından bus arayüzü üzerinden ulaştırılır. CRTC karakter kodlarının video RAM dan okumak için devamlı adres üretir ve bunları karakter üretecine gönderir. Metin modunda karakterler genellikle ASCII kodlarıyla tanımlanır. Nitelik görüntüleme modunu tanımlar. Her ASCII kod için karakter ROM, karaktere ilişkin pikseller için bir karakter paterni tutar. Karakter üretici, karakter ROM daki piksel paternlerini kullanarak karakter kodlarını bir piksel bitleri dizisine çevirerek kaydırmalı kaydediciye gönderir. Đşaret üreteci kaydırmalı kaydediciden gelen bit akımını, video RAM dan gelen nitelik bilgisi ve CRTC den gelen zamandaşlama işaretlerini kullanarak monitör için gerekli işaretleri üretir. Monitör, video işaretlerini işler ve video RAM daki sembolik bilgiyi bilinen biçimde bir resim olarak görüntüler. Böylece video RAM daki karakter bilgisi monitörün elektron ışınını, karakter ROM, karakter üreteci, kaydırmalı kaydedici, ve işaret üreteci üzerinden modüle eder. Şekil-3. Grafik adaptörünün blok yapısı Grafik modunda video RAM daki bilgi doğrudan karakterleri üretmek için kullanılır, yani karakter ROM bir indeks tanımlamaz, çünkü bu bilgi zaten piksellerde görüntülenecek renk ve gri ton paternlerini temsil eder. Bundan dolayı, nitelik bilgisine artık ihtiyaç duyulmaz; işaret üreteci, monitör için parlaklık ve renk işaretlerini, kaydırmalı kaydedicideki bit değerlerinden üretir.

4 Şekil-4. Ekran belleğin (video RAM) adreslenmesi. Buradaki video RAM bilinen ekran bellektir. Ekran belleğin adreslenmesi Şekil-4 te gösterilmiştir. Burada 1 nolu sayıcı adres üreterek ekran bellek içerisindeki video verilerine ulaşmasını sağlar. Sayıcının her bir artırılışında 1 bayt lık yeni bilgi dışarı çıkartılır. Paralel olarak dışarıya çıkartılan bu 8 bitin, bir sonraki 8 bit çıkarılmadan önce video hattı üzerinden seri bir şekilde monitöre iletilmesi gerekir. Bu seriye dönüştürme işlemleri ya çoğullayıcı ya da kaydırmalı kaydedicilerle yapılır. Eğer kaydırmalı kaydediciyle yapılacaksa, kaydırmalı kaydedici uygulanan saat işaretinin frekansı, 1 nolu sayıcıya uygulanan saat işaretinin frekansından 8 kat daha fazla olmalıdır. Çünkü her video RAM adresi için kaydırmalı kaydedicide 8 kaydırma işlemi gerçeklenmelidir. Seriye dönüştürme 8 den 1 e çoğullayıcı ile yapılacaksa, bu çoğullayıcının adres girişine uygulanacak sayıcının (burada 2 nolu sayıcı) saat frekansı, 1 nolu sayıcının saat frekansının 8 katı olmalıdır. ZAMANDAŞLAMA ĐŞARETLERĐ Ekranın taranması için 2 zamandaşlama işareti gerekir: Yatay zamandaşlama (HSYNC, horizontal synchronization) ve düşey zamandaşlama (VSYNC, vertical synchronization) işaretleri. 640*480 çözünürlükteki bilgisayar monitörleri için zamandaşlama işaretlerinin zamanlama diyagramı aşağıdaki gibidir. ( Şekil-5 ) Burada görüldüğü gibi VSYNC nin periyodu 16.3 ms ve HSYNC nin periyodu 32µs dir. Bu işaretler bir sayıcının çeşitli frekanslara sahip çıkış işaretlerinin kapılanmasıyla kolayca elde edilebilir. 8 Mhz saat frekanslı 20 bitlik bir sayıcı gözönüne alalım. Sayıcı çıkışları Tablo 1 deki gibi olur. Eğer 9 ile 17 arasında tüm sayıcı çıkışları AND lenirse VSYNC işareti elde edilir. 5 ile 8 arasındaki çıkışlar NAND lenirse HSYNC işareti elde edilir.

5 64 µs 5V ms VSYNC, 60 Hz (a) 4 µs HSYNC, KHz 32 µs (b) Şekil-5. VSYNC ve HSYNC işaretlerinin zamanlama değişimi. Tablo-1.8 MHz le tetiklenen 20 bitlik bir sayıcının çıkışları. Sayıcı çıkışı Frekans (Hz) Periyot (s) Sayıcının saati 8 M 125 n 1 4 M 250 n 2 2 M 500 n 3 1 M 1 µ K 2 µ K 4 µ K 8 µ K 16 µ K 32 µ K 64 µ µ µ µ µ µ µ µ m m m m VGA KONNEKTÖRÜ Monitör ve video kartı bir konnektör üzerinden birbiriyle haberleşir. Burada VGA monitör ve video kartları kullanılacağı için VGA konnektörlerle değişilecektir. 9 veya 15 uçlu olmak üzere iki türlü VGA konnektörü vardır. Şekil-6 bu konnektör yapısını, Tablo-2 ise bu

6 konnektörün uç tanımlamalarını verir. Video kartında üretilen renk ve zamandaşlama bilgileri bu konnektör üzerinden monitöre gider. (a) (b) Şekil uçlu VGA (Video Graphic Array) Konnektör: (a) Video kartı tarafı, (b) Monitör tarafı. Tablo-2.15 pinlik VGA konnektörü pin tanımlamaları. Uç Adı Yön Tanım 1 RED Kırmızı Video (75 ohm, 0.7 V p-p) 2 GREEN Yeşil Video (75ohm, 0.7 V p-p) 3 BLUE Mavi Video (75 ohm, 0.7 V p-p) 4 ID2 Monitör ID Bit 2 5 GND ---- Toprak 6 RGND ---- Kırmızı Toprağı 7 GGND ---- Yeşil Toprağı 8 BGND ---- Mavi Toprağı 9 KEY ---- Anahtar (Uç yok) 10 SGND ---- Zamandaşlama Toprağı 11 ID0 Monitör ID Bit 0 12 ID1 veya SDA Monitör ID Bit 1 13 HSYNC veya CSYNC Yatay Zamandaşlama 14 VSYNC Düşey veya Karma Zamandaşlama 15 ID3 veya SCL Monitör ID Bit 3 EKRAN BELLEK GEREKSĐNĐMĐ Bir tam görüntüyü gösterebilmesi için ekran belleğin uzunluğunun ne olması gerektiği ekran çözünürlüğüne ve renk çözünürlüğüne bağlıdır. Bu çözünürlükler artarsa ekran belleğin boyutunun artırılması gerekir. Mesela 1024*768 çözünürlüklü bir ekranda 16.7 milyon rengi göstermek istersek ne kadar belleğe ihtiyaç olur? 16.7 milyon ayrı kombinasyon 24 bitle gerçekleştirilebilir (2 24 = ). Bu demektir ki bir pikselin 16.7 milyon ayrı renk alabilmesi için o pikselin renk bilgisi 24 bitle gösterilmelidir. Ekranda ise 1024*768 = piksel mevcuttur. Böylece tam bir ekranı göstermek için *24= bit = bayta ihtiyaç vardır. Bilindiği gibi ekran bellek her adreslendiğinde 1 bayt lık veriyi dışarı verir. Burada 1 piksel verisini bellekten alabilmek için 3 bayt lık bilgi okunmalıdır, yani bellek 3 defa adreslenmelidir. Diğer bir örnek olarak 640*480 çözünürlüklü bir ekranda siyah/beyaz bir görüntü için ne kadar bir belleğe ihtiyaç olduğu hesaplansın. Siyah/beyaz görüntü için 2 renge, dolayısıyla 2 ayrı kombinasyona ihtiyaç vardır. Böylece bir pikseli 1 bitle göstermemiz yeterlidir (2 1 =2). Bu durumda 640*480*1= bit=38.400

7 bayt lık bir bellek yeterli olacaktır. Burada belleğin her adreslenmesinde 1 bayt, yani 8 bit okuduğundan, 8 pikselin verisini aynı anda dışarı alınabilir. EKRAN BĐLGĐSĐNĐN BELLEĞE YERLEŞTĐRĐLMESĐ Ekran bilgisini belleğe yerleştirmeden önce ekran ve renk çözünürlüklerinin bilinmesi gerekir. Mesela bir satırlık bilginin kaç bayt işgal ettiği bilinmelidir. 640*480 çözünürlükte bir ekran verilsin ve bu ekranın mono, yani siyah/beyaz kullanılması istensin. Dolayısıyla 1 piksel için 1 bite ihtiyaç vardır. Ekranda 8*8 lik bir dama tahtasını çizdirilmek istensin, yani Şekil- 7 deki gibi bir görüntü oluşturulmaya çalışılsın. Burada bir tarama satır boyunca ardışık olarak 640/8=80 siyah piksel ve 80 beyaz piksel çizilmesi gerektiği aşikardır. Bir tarama satır üzerinde bu siyah ve beyaz bölgelerin dörder tane bulunacağı kolayca görülebilir. 480/8=60 tarama satırından sonra satırların boyanmasına beyaz renkle başlanır ve 80 piksel sonra siyaha geçilir, yani yukarıdaki işlemin tersi yapılır, çünkü ilk dama satırı bitmiştir. Đkinci dama satırını oluşturan 60 tarama satırında da ardışıl olarak 80 beyaz piksel ve 80 siyah piksel çizilmesi gerekir. Böylece 8 dama satırından sonra (yani 8*60=480 tarama satırından sonra) dama tahtası ekranda oluşturulmuş olur. Bu algoritmanın akış diyagramı şekil-8 de verilmiştir. Şekil *480 çözünürlüklü bir ekran üzerindeki dama tahtası Burada 1 tarama satırı (640 piksel) kaç bayt işgal eder? Mono ekran kullanıldığı için 1 piksel bilgisi 1 bit gerektirmektedir. Dolayısıyla bir tarama satırı için 640/8=80 bayt ihtiyaç vardır. Her bir tarama satırında ardışık olarak her biri 80 piksellik dörder tane siyah ve beyaz dama noktası olacaktı. 80 piksel 80/8 = 10 bayt işgal edecektir. Siyahı 1, beyazı 0 ile gösterirsek, ilk tarama satırında ardışık olarak dörder tane 10 bayt 1, 10 bayt 0 olmalı. Bu bilgi dizisi 60 tarama satır (1 dama satırı) devam edecektir. Yani 60 tarama satırı boyunca ardışık olarak 10 bayt 1, 10 bayt 0 yazılmalıdır. Dolayısıyla ilk dama satırı 80 bayt*60 tarama satırı = 4800 bayt tutacaktır. 0 lardan oluşan 4800 üncü bayt yazıldıktan sonra, ikinci dama satırının ilk baytı olan 4801 inci bayt 0 la başlamalıdır. Bilindiği üzere ikinci dama satırındaki hücrelerin rengi, birinci dama satırındakilerin tersidir. Böylece devam ederek, sekizinci dama satırının sonunda (4800*8= bayttan sonra) bir dama tahtası tamamlanmış olur. Ekrana değişik şekille çizmek mümkündür. Mesela dikey şeritler çizmek için istersek benzer mantıkla düşünerek yeni bir algoritma tasarlayabiliriz. Ekranda dikey olarak 4 beyaz ve 4 siyah şerit olması istensin. Bu paternin algoritması dama tahtasından daha kolay olacaktır bayt boyunca ardışıl olarak 10 bayt 1, 10 bayt 0 yazmak yeterlidir. Ekranda 1 ler alt alta ve 0 lar da alt alta geleceğinden dikey şeritler oluşacaktır.

8 Şerit çizimi bellek kullanılmadan da yapılabilir. Bellek yerine bir saat devresi kullanabilir. Bilindiği gibi elektron tabancası 28 µs boyunca nokta bir satırı tarayıp 4 µs de geri dönerek ikinci nokta satırının başına geliyordu. Eğer ekranda 4 siyah, 4 de beyaz şerit olması isteniyorsa monitörün video girişine bağlanan saat 28 µs/8= 3.5 µs de bir durum değiştirmelidir. Dolayısıyla kullanılacak saat işaretinin periyodu 2* 3.5 µs = 7 µs olmalıdır. Böylece 7 µs nin 3.5 µs inde monitör girişine 1, diğer 3.5 µs inde 0 uygulanmış olur. Şeritlerin genişliği arttırılmak istenirse saat periyodunun artırılması gerekir. Saat periyodunun HSYNC nin periyoduna (32µs) eşitlendiği düşünülsün. Bu durumda ekranda ancak 1 siyah ve 1 de beyaz düşey şerit olabilir. Çünkü saatin yalnız 1 periyodu bir tarama satırına sığar. Eğer saat periyodu HSYNC periyodunun 2 katı yapılırsa o zaman 1 saat periyodu 2 tarama satırına sığar. Yani saat periyodunun yüksek kısmı 1 tarama satırı siyah, 1 tarama satırı beyaz olur. Saat periyodu HSYNC frekansının 4 katı yapılırsa, ekranda ardışık olarak 2 tarama satırı siyah, 2 tarama satırı beyaz olur. Saat periyodu HSYNC periyodunun 8 katı yapılırsa ekranda ardışıl olarak 4 nokta satırı siyah, 4 nokta satırı beyaz olur. Dikkat edilirse ekranda yatay şeritlerin oluşmaya başlamıştır, ve yatay şeritlerin kalınlıkları saat periyoduyla orantılıdır. Saat periyodu artırıldıkça yatay şeritlerin kalınlıkları artacaktır. A=4*60=240, B=8 10 bayt yaz Tersini al Tersini al 10 bayt yaz A yı bir azalt Evet A sıfır mı? B yi 1 azalt Hayır Hayır Evet B sıfır mı? Bir tam ekran tamam Şekil-8. Şekil-7 deki dama tahtasını oluşturan algoritma.

9 Kısaca özetlemek gerekirse saat periyodu HSYNC nin periyodundan küçükse dikey şeritler oluşmakta, ve saat periyodu artırıldıkça şeritlerin kalınlığı artmaktadır. Saat periyodu HSYNC nin periyodundan büyükse yatay şeritler oluşmakta, ve saatin periyodu artırıldıkça şeritlerin kalınlığı yine artmaktadır. BELLEKLE MONĐTÖRÜN YÜZLEŞTĐRĐLMESĐ Belleğin çıkışı uçlardaki işaretlerin 0-5 V arasında değişmektedir. Halbuki monitörün video girişi azami 0.7 V kabul etmektedir. Bu yüzden belleğin çıkış gerilimi uygun bir bölücü ile bölünerek 0.7 V a indirilmelidir. Akla hemen basit dirençli bir gerilim bölücü devre gelebilir. Şekil-9 (a) daki basit gerilim bölücü sürücünün çıkışı 75 Ω luk monitör giriş direnci ile yüklenmezse,devre uygun şekilde çalışacaktır. Yani gerilim bölücünün girişine 5 V verildiğinde çıkışının 0.7 V alınabilir. Fakat 75 Ω giriş direncine sahip monitörü bağlandığında durum değişecektir. A noktasıyla toprak arasındaki eşdeğer direnç 0.7 KΩ // 75 Ω =67.74 Ω olacaktır. Bu durumda A noktasının gerilimi 5*67.74/( ) = mv olacaktır ki bu değer istenilen 0.7 V un neredeyse onda biridir. (a) (b) Şekil-9. Bilgisayarın monitör ile yüzleştirilmesi. (a) Dirençli sürücü. (b) Transistörlü sürücü. Bu durumda başka bir çözümün düşünülmesi gerekir. Şekil-9 (b) deki devrenin giriş direnci çok büyük, çıkış direnci ise yaklaşık emiter direnci kadardır. Bu yüzden monitörün 75Ω luk giriş direnci ile paralel bağlandığında, eşdeğer direnç yaklaşık 75Ω olur. Böylece 5V luk giriş gerilimi 5.2 KΩ ise 150 Ω luk dirençlik yardımıyla uygun şekilde bölünür. UYGULAMA Şekil-10 daki blok diyagram, CRTC nin ayrık gerçekleştirilişini ve ekran kartı içerisinde nasıl kullanılacağını göstermektedir. Sayıcının uygun çıkışları kapılanarak HSYNC ve VSYNC işaretleri üretilir. Sayıcı çıkışları aynı zamanda belleği adreslemek için de kullanılmaktadır. Sayıcının adreslediği alanlar belleğin çıkışına aktarılır ve çoğullayıcı yardımıyla seriye dönüştürüldükten sonra arayüz üzerinden monitöre gönderilir. Bu, belleğin okunması işlemidir. Belleğe yazmak için CPU nun belleğe erişmesi gerekir. Burada olduğu gibi belleğe

10 faklı iki kaynaktan erişmek tampon kullanımını gerektirir. Tamponların yetki uçlarına giden işaretler birbirlerinin tersi olmalıdır. Bu sayede belleğe bir anda ya ayrık CRTC ya da CPU erişebilir. Burada bellek 2 KB lık olduğu için adres hattı 11 bittir. Mikrobilgisayar sisteminden gelen adres bilgisinin anlamlı 5 biti bu belleğe seçmek için kullanılır. Bellekteki bilginin monitöre gönderilmesi durumunda devamlı okuma işlemi yapılacağından sayıcı tarafından, yonga seçme için sürekli 1 gönderilir. Şekil 10. Basit bir ekran kartı. DENEYE HAZIRLIK 1- Motorola 6802 CPU emir takımını hazır bulundurunuz ve nasıl kullanıldığını öğreniniz. 2- CRTC, ekran kartları ve çalışma ilkeleri hakkında araştırmalar yapınız. DENEYĐN YAPILIŞI 1- Deney düzeneğinde denetim ucundan lojik 0 vererek CPU nun ekran belleğe ulaşmasını sağlayınız. 2-0xA000 0xA7FF adres aralığına yerleştirilmiş ekran belleği, denetim ucundan lojik 1 verildiğinde CRTC ekran belleğe erişecek ve ekranda sütunlar görülecek şekilde doldurunuz. Ekran belleği doldurmak için gerekli programı, denetim işareti lojik 0 iken 0x0100 adresinden başlayarak yazınız, çalıştırınız ve ekran belleğin istenildiği şekilde dolduğunu görünüz. 3- Denetim ucunu lojik 1 yaparak ekranda dikey şeritler oluştuğunu gözlemleyiniz. DENEY RAPORU : Deneyde yazılan programı veriniz ve çalışmasını anlatınız.

11