Dispositivi di output

Un dispositivo di output preleva le informazioni dall’unità centrale e le trasforma in qualcosa di assimilabile dall’uomo. Così le mappe di bit diventano disegni e fotografie attraverso il video e la stampante o suoni attraverso la scheda audio.

Scheda video

La scheda video gioca un ruolo fondamentale in un computer, anche se, come periferica, viene chiamata anch’essa scheda aggiuntiva. Una scheda video è composta da una memoria video di tipo RAM, una piccola memoria di tipo ROM, un processore video ed un’uscita che permette di collegarvi un monitor. La scelta di avere una scheda separata dalla scheda madre è stata fatta per permettere la continua espansione verso nuove tecnologie. Tramite la scheda video è possibile impostare diversi parametri fondamentali per le immagini, tra i quali:

• La risoluzione: composta dalle dimensioni dell’immagine e dal massimo numero di colori  visualizzabili. Le dimensioni dell’immagine si misurano in pixel (picture element), valore che esprime il numero di punti orizzontale e verticale da cui è formata l’immagine. Ogni pixel può avere un valore tra 0 ed il numero massimo di colori disponibile;

• La frequenza di rigenerazione: chiamata comunemente refresh (rinfresco del video). Questo parametro espresso in Hz determina quante volte al secondo il video deve essere aggiornato con la nuova immagine ed è un parametro che deve essere supportato dal monitor per evitare fenomeni di sfarfallìo o, nei casi peggiori, un danneggiamento al monitor stesso.

Sulla memoria ROM della scheda video sono memorizzati in sequenza, tramite il codice ASCII (American Standard CodeforInformation Interchange), i vari caratteri alfanumerici. Da qui vengono prelevati quando il processore video intercetta una richiesta da parte del processore centrale (CPU) e vengono copiati nella memoria video. Questa memoria funziona come una lavagna, la quale viene costantemente aggiornata. L’osservatore (nel nostro caso il monitor), riproduce ogni istante l’immagine contenuta nella memoria video.
Le moderne schede video sono accelerate. Ciò significa che impiegano molto meno tempo a disegnare un’immagine. Questo viene ottenuto tramite l’ampliamento della memoria ROM per permettere ad alcuni oggetti grafici di risiedere costantemente sulla scheda video. Il set di istruzioni dei processori video è stato opportunamente ampliato. Per fare un esempio, quando si vuole disegnare un rettangolo, con una scheda video normale (di qualche anno fa)  la CPU, partendo dall’angolo in alto a sinistra, disegna una per volta (e punto per punto) le quattro linee del perimetro. Questo processo tiene impegnata la CPU per tutto il tempo del disegno e la velocità del disegno stesso è fortemente influenzata dalla velocità di elaborazione della CPU. Con una scheda accelerata la CPU invia un comando di disegno dell’oggetto rettangolo specificando come parametri le posizioni dell’angolo in alto a sinistra e dell’angolo in basso a destra. Tutto il processo di disegno è svolto velocemente dal processore video detto RAMDAC (Random Access Memory Digital to Analog Converter) così la CPU principale può continuare l’elaborazione del programma subito dopo aver inviato il comando di disegno. Alcune schede video “dedicate” contengono informazioni riguardo ai disegni tridimensionali e vengono impiegate soprattutto per i giochi, nei quali la grafica 3D richiede alte velocità di elaborazione e calcoli in virgola mobile.

Il sistema di coordinate video

La rappresentazione grafica avviene tramite un sistema a matrice (linee e colonne). Ad ogni combinazione di linea e colonna corrisponde un punto al quale si può decidere se dare visibilità o meno. Combinando opportunamente questi punti (pixel) viene formata l’immagine. Il sistema utilizzato ricorda quello cartesiano, ma il punto di origine non si trova al centro dello schermo, bensì nell’angolo superiore sinistro. Così le coordinate sono sempre numeri positivi più facilmente (e velocemente) trasferibili. Per accendere un pixel bisogna quindi conoscerne la posizione e assegnarvi un colore. Il valore massimo del colore dipende strettamente dalla massima risoluzione supportata dalla scheda video. Oramai tutte le schede video sono in grado di rappresentare il colore a 24 bit e 32 bit, con un numero massimo di 16.777.216 colori. Questo tipo di risoluzione viene anche definita true color (colori veri), perché permette, con un’alta affidabilità, la rappresentazione di immagini fotografiche.

Monitor

La scheda video definisce, oltre al colore, la risoluzione in termini di ampiezza orizzontale, ampiezza verticale e refresh. Questi parametri, però, debbono essere supportati dal monitor. Data la forma rettangolare del monitor si definisce fattore di schermo il rapporto tra l’ampiezza orizzontale (X) e l’ampiezza verticale (Y). Per la maggior parte questo rapporto vale 1,3. Ciò vuol dire che X è 1,3 volte Y. Si ottengono così delle risoluzioni che sono diventate lo standard video nei computer. Esse sono:
 

Le risoluzioni più utilizzate sono 320 x 240; 640 x 480; 1024 x 768, 1280 x 1024, 1600 x 1200. Altre risoluzioni più alte sono dedicate ad applicazioni particolari. La frequenza di refresh è normalmente 60 Hz, ma monitor più recenti supportano frequenze oltre 150 Hz.
 

Monitor CRT

 Il cinescopio, detto anche cannone elettronico o CRT (Catode Ray Tube), cioè tubo a raggi catodici, si può schematizzare come in figura. Attraverso il passaggio della corrente elettrica in una particolare valvola (a filamento) si ottiene il surriscaldamento della medesima. Quando essa raggiunge un livello elevato di temperatura fornisce agli elettroni (-, catodo) l’energia necessaria per abbandonare l’atomo e liberarsi. Attraverso una griglia metallica connessa al polo positivo (+, anodo) ed una tensione elevata (circa 30 kV), si ottiene l’accelerazione improvvisa degli elettroni, attirati dalla carica positiva. Questi, accelerati, attraversano la griglia e vengono focalizzati da una specie di “imbuto magnetico”, il focalizzatore. Il tutto si svolge all’interno di un tubo di vetro in cui è stato creato il vuoto. A questo punto gli elettroni costituiscono un fascio compatto che viene anche chiamato pennello elettronico, perché quando arriva a colpire la superficie interna dello schermo, cede la propria energia cinetica ai fosfori che s’illuminano perché riscaldati. Il fascio di elettroni forma quindi un punto luminoso al centro dello schermo, ma per formare l’immagine è necessario muovere il pennello elettronico. Per questo, in quello che viene chiamato giogo (il collo del tubo catodico), sono montate delle placche elettromagnetiche. La loro caratteristica è quella di variare la propria energia magnetica in base alla tensione ad esse applicata e variando il flusso magnetico si ottiene la deviazione degli elettroni, attirati o respinti. Le placche elettromagnetiche vengono dette di deflessione, perché permettono, comandate da un apposito circuito elettronico, di spostare il pennello elettronico in qualsiasi punto dello schermo. L’immagine viene disegnata tramite spostamenti orizzontali da sinistra a destra, riga per riga dall’alto al basso, accendendo e spegnendo il fascio di elettroni a seconda della posizione. La scansione totale dello schermo avviene in un tempo talmente breve che la retina dell’occhio umano non fa in tempo a raccogliere tutti i particolari e noi vediamo istantaneamente l’immagine al completo. Il tempo di refresh viene calcolato in base alla frequenza di refresh, che determina quante volte in un secondo l’immagine viene ridisegnata. Così, per esempio, un monitor che lavora a 60 Hz disegna 60 immagini al secondo. Conseguentemente un’immagine impiega un sessantesimo di secondo per essere disegnata completamente.

Schematizzazione di un tubo catodico

Monitor LCD

La tecnologia ha recentemente abbandonato il tubo catodico in previsione di un futuro utilizzo della tecnologia LCD (Liquid Crystal Display). La scoperta dei cristalli liquidi non è recente (1888), ma è recente l’impiego di questo materiale per la costruzione di schermi e televisori. La proprietà peculiare dei cristalli liquidi è quella di non essere né un materiale solido né liquido. Il cristallo inizialmente solido è in grado di diventare liquido quando viene portato ad una certa temperatura, mantenendo però la struttura cristallina e questo fenomeno è stato sfruttato per comandare il passaggio della luce. Nello strato più interno vi sono due lamine di vetro distanti fra loro circa 5 micron (5 milionesimi di millimetro), composte da finissime scanalature rettilinee ma sfalsate, tra l’una e l’altra lamina, di 90°. Quando i cristalli (a forma di bastoncino) cercano di adagiarsi spontaneamente sulla superficie (principio di capillarità dei liquidi), sono costretti a compiere una rotazione di 90°. La luce che li attraversa segue lo stesso andamento.
Attraverso dei filamenti disposti a griglia viene applicato un campo elettrico per ogni cristallo. Con un adeguato valore di campo si riescono a riportare i cristalli interessati nella posizione precedente ed alla luce viene impedito il passaggio. La griglie di filamenti vengono chiamate filtri polarizzatori e siccome i cristalli non emettono luce propria, gli schermi LCD sono dotati di una lampada per la retroilluminazione.

Questo tipo di schermo è poco adatto alle immagini in rapido movimento, perché grazie all’inerzia dei cristalli, l’immagine non può essere modificata istantaneamente. Infatti spegnendolo si nota il dissolversi della figura e questo fenomeno porta a diversi problemi di sincronizzazione tra cui lo sfarfallio dell’immagine. Altri inconvenienti sono la luce che si rifrange sulla parte anteriore, che provoca macchie di colore, aloni e l’angolazione dell’osservatore: se lo schermo viene osservato a 90° tutti i cristalli sembrano attivi e lo schermo può sembrare spento o completamente illuminato.

A parte tutti gli svantaggi, gli schermi LCD vantano diversi pregi:

- godono di un’ottima precisione alle massime risoluzioni;
- hanno una brillantezza di colori più alta dei CRT;
- dissipano una quantità di calore quasi nulla;
- occupano uno spazio minimo in profondità e quindi sono i più adatti per i sistemi portatili;
- consumano notevolmente meno energia elettrica;
- non emettono radiazioni dannose all’uomo.

Una variante dei monitor LCD sono i monitor TFT (Thin Film Transistor) anche detti a matrice attiva, poiché l'immagine viene realizzata accendendo i alcuni microtransistor. Per la particolare costruzione di questi schermi viene utilizzato silicio amorfo fuso alla temperatura di 1000 gradi centigradi. Questo tipo di schermo vanta un pregio altissimo rispetto ai normali LCD: difatti la luce viene emessa (matrice attiva) e non rifratta, quindi guardandolo da una angolazione diversa l'immagine ha sempre la stessa luminosità.
 

Stampante

 Le stampanti possono essere costruite secondo diverse tecnologie, tra cui:

• ad aghi: costituite da una testina avente una superficie quadrata formata da 3x3 (9 aghi) o 6 x 4 (24 aghi) e da un nastro. L’immagine viene impressa sul foglio similmente a quanto accade quando si redige un testo su di una vecchia macchina per scrivere;

• laser: funziona quasi come una fotocopiatrice, in cui esiste un toner (un cilindro di materiale friabile) ed un raggio laser comandato da un circuito elettronico in grado di polverizzare il toner e depositare lo strato di polvere sul foglio;

• a sublimazione di colore: oggi poco utilizzate, disegnano l’immagine riscaldando le varie parti del foglio con diverse temperature. Necessitano di particolari fogli con superficie sensibile al calore. L'immagine si forma cambiando la colorazione in base alla temperatura diversa in ogni punto;

• a getto d’inchiostro: sono le più utilizzate soprattutto da utenti domestici. Sono equipaggiate da una testina contenente diversi aghi (il numero varia secondo i modelli) forati in cui viene immesso l’inchiostro liquido prelevato dalle vaschette del colore. Gli aghi interessati al disegno vengono portati ad una temperatura elevata in modo che l’inchiostro in essi contenuto formi una bolla piena d’aria all’estremità. Data la distanza dal foglio di carta (pochi micron), la bolla d’inchiostro imprime un puntino del colore desiderato. Per questo vengono anche chiamate Bubble-Jet.

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