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Cap. 1:Renderização 3D:Hardware Gráfico

Mestrado em Engenharia Informática (6931)1º ano, 1º semestre

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Sumário

− Arquitectura básica dum computador− Informação digital− Monitores CRT− Monitores LCD− Placas Gráficas

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Arquitectura conceptualdum computador

Controlo eprocessamento deinstruções

Armazenamentode dados,programas, eficheiros

Diálogo comperiféricos,

diálogo homem-máquina

CPU

Memória

Modelo deVon Neumann

E/S

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Arquitectura conceptualdum computador (cont.)

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− A informação é representada numcomputador digital é binária, ou seja, éformada por bits: 0 (zero) e 1(um).

− bit (binary digit): dígito binário.− byte (8 bits): octeto− memória principal (RAM): sequência de

bytes endereçaveis.− palavra: tamanho natural de dados dum

computador. O tamanho depende da CPU.Há CPU de 16-bits, de 32-bits, etc.

− registos (CPU): pequenas memóriasexistentes dentro da CPU. Uma CPU de 16-bits tem registos de 16-bits, etc.

Informação num computador digital

memória

1 byte

1 bit

palavra(registo)

2 bytes

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− A informação analógica é contínua. Problema fundamental: degradação

− A informação digital é discreta (binária): baixo, inactivo, falso, 0 alto, activo, verdadeiro, 1

Há várias formas de armazenar informaçãodigital: eléctrica (circuitos integrados ou “chips”). magnética (discos rígidos, fita magnética). óptica (CD-ROMs, DVDs, etc).

Armazenamento de informaçãodigital

TransístorTríodo

Lampâda eléctrica / tubo de vácuo de 1 elemento (Edison, 1879)Díodo /tubo de vácuo de 2 elementos (Fleming, 1904)Tríodo / tubo de vácuo de 3 elementos (de Forrest, 1906):

Amplificador (revolucionou a área de broadcasting) Comutador (switch) (revolucionou a computação digital)

Transístor (Shockley, Brattain e Bardeen, Bell Labs, 1947)Circuito integrado (Kilby, Texas Instruments, 1958)

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• J.P. Eckert e J.W. Mauchly• Moore School, University of Pennsylvania• Trabalho iniciado em 1943 e terminado em

finais de 1945.• Programação: pela activação/desactivação

de comutadores (switches).• Memória principal: 19000 tubos de vácuo

(vacuum tubes)• Poder de cálculo: 500 multiplicações por

segundo.• Tamanho: 30m x 3m x 1m• Peso: 30 toneladas

ENIAC:Electronic Numeric Integrator AndComputer

http://www.library.upenn.edu/special/gallery/mauchly/jwmintro.html

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Memória principal (RAM): Repositório sequencial de bytes. Cada byte tem um endereço (valor inteiro). Os endereços permitem o acesso aleatório à

memória. Espaço de endereçamento físico: conjunto de

endereços para os bytes existentes em RAM. Espaço de endereçamento virtual: espaço de

endereçamento físico + espaço deendereçamento disponível

Espaço de endereçamento virtual dumamáquina de 32 bits = 232 bytes ≈ 4GB

Memória principal:RAM (Random Access Memory)

memória

234567234568

Unidades de medida de memória:− 1KB (Kilobyte) = 1024 bytes ≈103 bytes− 1MB (Megabyte) = 1000KB ≈ 106 bytes− 1GB (Gigabyte) = 1000MB ≈ 109 bytes− 1TB (Terabyte) = 1000GB ≈ 1012 bytes− 1PB (Petabyte) = 1000TB ≈ 1015 bytes− 1EB (Exabyte) = 1000PB ≈ 1018 bytes

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− Os registos são memórias internas da CPU.− O seu tamanho é normalmente igual à

palavra do computador/CPU.− Há basicamente 3 tipos de registos:

Program Counter (PC): serve para guardar oendereço da próxima instrução a serexecutada dum dado programa executável quereside em memória. É, por isso, conhecido porregisto de endereçamento.

Registos Gerais. Alguns destes registosservem para guardar a instrução corrente dumdado programa. Servem também para guardardados durante a execução duma instrução oudum programa.

Registo de Estado. Serve para guardar oestado de execução dum programa/processoquando lhe é retirado o direito de usar a CPUpor parte do sistema operativo. Assim, quandolhe é atribuído novamente o direito de usar aCPU, o programa voltar a correr no ponto (ouestado) em que se encontrava previamente.

Memórias da CPU:registos

CPU

Unidadede Controlo

Unidade Aritméticae Lógica

Program Counter

RegistosGerais

Registo de Estado

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Monitores CRTCathode Ray Tube)

• Shadow mask CRT• Aperture grill mask CRT• Slotted mask CRT

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− História breve: 1897, Karl Braun desenvolveu o primeiro CRT duma

forma controlada. 1940, utilização em TV (televisores). Até 2001, dominância no mercado de monitores. Maior fabricante actual: Philips Electronics.

− Constituição: 1 invólucro de vidro (semelhante a uma garrafa) 1 cátodo (de carga negativa) 3 canhões de electrões, um para cada côr

fundamental (RGB) 1 anôdo (de carga positiva) 1 tela com bolbos (ou pontos) de fósforos R (red), G

(green), e B (blue).

Monitores CRT(Cathode Ray Tube)

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Pixel:• É um trio de 3 bolbos de fósforo, um por cada cor

fundamental: R (red), G (green) e B (blue).

Fósforo:• Um fósforo é qualquer material que, quando

exposto a radiação, emite luz visível.

Resolução:• VGA 640x480• SVGA 800x600• XGA 1024x768

Pixel e Resolução

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Dot pitch:• É a distância entre dois pontos de fósforo da

mesma côr.• Esta distância varia normalmente entre 0.22mm e

0.3mm.

Distância entre bolbos de fósforo(Dot pitch)

Tela de fósforosdum monitor CRT

dot pitch

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Varrimento progressivo:• Na figura ao lado, as linhas azuis indicam que o

feixe de electrões (ou, melhor, 3 feixes deelectrões) faz por estimulação dos fósforos, i.e. ofeixe está ligado;

• As linhas interrompidas representam o retorno dofeixe (desligado) ao lado esquerdo da tela; estemovimento de retorno ou reposicionamento docanhão chama-se retraço horizontal;

• A linha verde indica o retraço vertical, o qualacontece no final da última linha da tela, comretorno do feixe (desligado) ao início da primeiralinha.

Frame:• Imagem formada pelo feixe de electrões durante o

varrimento completo da tela de fósforos.

Formação da imagem porvarrimento progressivo(progressive scanning)

NOTA: Nos televisores CRT usa-sevarrimento entrelaçado.

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Taxa de refrescamento:• É o número de frames por segundo geradas no

monitor.

Hertz (Hz):• Unidade de medida da taxa de refrescamento.

Efeito de “flickering”:• 75 Hz é a taxa de refrescamento miníma

recomendável para um monitor CRT.• Evita-se assim o efeito de “flickering”.

Taxa de refrescamento máxima:

VSF = HSF / nº de linhas horizontal x 0.95

em que:VSF = vertical scanning frequency (refresh rate)HSF = horizontal scanning frequency

Taxa de refrescamento(refresh rate)

Exemplo:Dado um monitor com:

HSF = 96 kHzresolução = 1280x1024

tem-se VSF = 96000 / 1024 x 0.95 = 89 Hz

Exemplo:HSF = 96 kHzresolução = 1600x1200

tem-se VSF = 96000 / 1200 x 0.95 = 76 Hz

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Shadow mask CRT

• A shadow mask está localizada imediatamenteantes da camada de fósforo;

• Cada furo da máscara circunscreve cada pixel, porforma a aumentar a qualidade da imagem.

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• Na década de 1960, a Sony desenvolveu este tipo demonitores CRT, sendo a tecnologia conhecida porTrinitron.

• Em vez de usar screen de secção esférica, usa umscreen de secção cilíndrica.

• Em vez de usar pontos de fósforo, os monitoresTrinitron usam fitas verticais de fósforo.

• A grelha (aperture grill) consiste num conjunto de fiosverticais. Esta grelha é anterior à tela de fósforo. Cadafio está alinhado com a fronteira que separa uma fitaazul de uma vermelha. Além disso, há dois fioshorizontais que fixam os fios verticais.

Aperture grill CRT

Tela de fósforosdum monitor CRT

stripe pitch

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Monitores LCD(Liquid Crystal Display)

• DSTN (Dual Scan Twisted Nematic)• TFT (Thin Film Transistor)

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• Os cristais líquidos foram descobertos no final doséc. XIX pelo botânico Frieddrich Reinitzer.

• Os cristais líquidos são substâncias quasetransparentes que exibem propriedades quer damatéria sólida quer da matéria líquida.

• A passagem de luz através dos cristais líquidosprovoca o alinhamento das suas moléculas - umapropriedade dos sólidos.

• Em 1960, descobriu-se que a carga eléctricamudava o seu alinhamento molecular, econsequentemente a forma como a luz passavaatravés dos cristais - uma propriedade dos líquidos.

• LCD é uma tecnologia transmissiva. Um LCDfunciona pela variação de quantidades de luzbranca de intensidade fixa através dum filtro.

• Os elementos RGB dum pixel são obtidos pelafiltragem da luz branca.

• Os cristais líquidos são normalmente compostosorgânicos que consistem de moléculas semelhantesaos cones do olho humano. Portanto, os cristaislíquidos funcionam como sensores de cor quandosão estimulados pela luz.

Pixel LCD

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• Há 2 tipos principais de LCDs usados emcomputadores: matriz passiva (DSTN) e matrizactiva (TFT).

• Os LCDs de matriz passiva compreende umconjunto de camadas. Tem 2 camadas de vidrochamadas substractos.

• A cada substracto liga-se um conjunto de eléctrodostransparentes constituídos por material condutor,que é normalmente o indium-tin oxide.

• Os eléctrodos dum substracto são perpendicularesaos eléctrodos do outro substrato. Há, pois,eléctrodos-linha e eléctrodos-coluna. As linhas e ascolunas estão ligadas a circuitos integrados quecontrolam quando uma carga a uma columa e umalinha particulares.

• Os cristais líquidos estão ensaduichados entre osdois substractos.

• A activação dum pixel (que está localizado naintersecção duma coluna com uma linha) é feitapela aplicação duma voltagem por parte do circuitointegrado associado à coluna respectiva.

Monitores LCD de matriz passiva(DSTN)

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• Os LCDs de matriz activa dependem basicamentedos thin film transistors (TFT).

• Os TFT são transistores (comutadores) econdensadores minúsculos. Estão dispostosmatricialmente num substracto de vidro - umtransistor por cada cor (RGB) de cada pixel.

• O endereçamento dum pixel é feito por activação dasua linha, após o que se aplica uma carga à suacoluna. Tendo em conta que todas as outras linhasestão desactivadas, só o condensador daquele pixelrecebe a carga, que a mantém até ao próximo ciclode refrescamento.

• Os TFTs controlam a intensidade dos elementos decor de cada pixel.

• O tempo de resposta é de 25ms para a matrizactiva, ao passo que é de 300ms.

Monitores LCD de matriz activa(TFT)

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Placas Gráficas

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Tipos de placas gráficas

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Resolução• É o número de pixéis usados para representar uma imagem.• Determina quer o nível de detalhe quer os requisitos de armazenamento.

136 × 208272 × 416 68 × 104

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Profundidade da cor(Colour depth)

Imagem monocromática a preto e branco:• Cada pixel é armazenado num bit (o ou 1).• Uma imagem monocromática 640×480 ocupa 37.5 KB em memória

(ficheiro).Imagem monocromática em tons de cinzento:• Cada pixel é armazenado num byte (0 a 255).• Uma imagem em tons de cinzentos 640×480 ocupa 300 KB em

memória (ficheiro).Imagem a cores de 8-bits:• Cada pixel é armazenado num byte.• Suporta 256 cores, com qualidade de cor aceitável.• Uma imagem a cores de 8-bits com resolução 640×480 ocupa 300

KB em memória (ficheiro).Imagem a cores de 24-bits:• Cada pixel é representado por três bytes (e.g., RGB).• Suporta 256×256×256 cores (16777216).• Uma imagem a cores de 24-bits com resolução 640×480 ocupa 900

KB em memória (ficheiro).• Muitas imagens a cores de 24-bits são armazenadas como imagens

de 32-bits, sendo o byte suplementar usado para guardar um valoralpha que representa informação de efeitos especiais.

2 níveis(escala: 0-1)

256 níveis(escala: 0-255)

formato GIF (8 bits)

formato JPEG (24 bits)

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Componentes da placa gráfica

Componentes:• Processador gráfico (GPU)• Memória vídeo• Conversor digital-analógico (RAMDAC -

random access memory digital-to-analogueconverter)

• Driver software

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Funcionamento da placa gráfica

A. O software que estamos a usarinforma o PC que várias tarefas devisualização precisam de ser feitas.

B. Vários drivers decidem que tarefas aplaca gráfica precisa deprocessar/acelerar.

C. As tarefas que podem seraceleradas/processadas pela placagráfica são então atribuídas aoprocessador gráfico, o qual processadados com a ajuda dos seus drivers.(As tarefas que a placa não conseguetratar são dadas ao CPU principal. Ainformação processada pela CPU émais tarde transferida para o framebuffer para ser usada quandonecessária para formar a imagem noecrã.)

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Funcionamento da placa gráfica(cont.)

D. Os objectos são processados edesenhados, a GPU armazena osdados processados (i.e. os dados aser visualizados no ecrã) no framebuffer.

E. Toda a informação armazenada noframe buffer é finalmente transferidapara a RAMDAC, onde a informaçãodigital é convertida em sinaisanalógicos compreensíveis pelosmonitores CRT.

F. Os dados analógicos são enviadospara o monitor através do VGAconnector. O monitor acende os pixéisno ecrã (60 ou mais vezes porsegundo) para criar a ilusão dumaimagem contínua e suave.

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Diferenças entre PCI e AGP bus

1. Um bus é como uma auto-estrada para transferirdados entre o chipset (motherboard) e a placagráfica

2. Há duas auto-estradas principais: PCI (PeripheralComponent Interconnect) e AGP (AcceleratedGraphics Port)

3. PCI. Introduzido pela Intel no início dos anos 90. Éa auto-estrada usada para todos os periféricos quese ligam à placa-mãe. Isto significa que uma placagráfica PCI tem de partilhar a largura de banda dobus com outros periféricos (placa de som, modem,etc.), mas a transferência de dados é feita semintervenção da CPU.

4. AGP. Introduzido pela Intel em 1996 e é suportadopela maioria das placas-mãe. É um bus dedicado agráficos. A grande vantagem é a grande largura debanda disponível, o que significa que maiorquantidade de dados podem ser processados.

5. Por exemplo, a taxa de dados da AGP 1X mode(66MHz = 264 MB/sec) é 2 vezes mais rápida que ada PCI (33MHz = 132MB/sec), enquanto a AGP 2Xmode (133 MHz = 528 MB/sec) é 4 vezes maisrápida e a AGP 4X é 8 vezes mais rápida. A AGP8X é actualmente a mais ráida de todas.

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Intel© 850 Chipset

FIM

Intel® 850 Chipset Family: 82850/82850E MemoryController Hub (MCH) DatasheetThe Intel® 850 chipset family is a high-bandwidth chipsetfamily designed for high-performancedesktop and workstation platforms based on the Intel®Pentium® 4 processor. The chipsetcontains two main components—the Memory ControllerHub (MCH) and the I/O Controller Hub 2 (ICH2).The MCH provides the system bus interface, memorycontroller, AGP interface, and hub interface for I/O.

Intel® 82801BA I/O Controller Hub 2 (ICH2) and Intel®82801BAM I/O Controller Hub 2 Mobile (ICH2-M) DatasheetThis datasheet is intended for Original Equipment Manufacturersand BIOS vendors creating ICH2-based products.This document assumes a working knowledge of the vocabularyand principles of USB, IDE, AC’97, SMBus, PCI, ACPI,LAN, and LPC. The Intel® 82801BA ICH2 is a highly integratedmultifunctional I/O Controller Hub that provides the interface to the PCI Bus and integrates many of the functionsneeded in today’s PC platforms. The ICH2 communicateswith the host controller over a dedicated hub interface. Thisdatasheet provides a detailed description of the ICH2’sfunctions and capabilities including, signals, registers, on-chipfunctional units, interfaces, pinout, packaging, electricalcharacteristics, and testability.