مخزن الإطارات

مخزن الإطارات (أو مخزن الإطارات ، أو أحيانًا مخزن الإطارات ) هو جزء من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ^{[ 1 ]} يحتوي على صورة نقطية تُستخدم لتشغيل شاشة العرض. وهو مخزن مؤقت للذاكرة يحتوي على بيانات تمثل جميع وحدات البكسل في إطار فيديو كامل . ^{[ 2 ]} تحتوي بطاقات الفيديو الحديثة على دوائر مخزن الإطارات في أنويتها. تساعد هذه الدوائر في تحويل الصورة النقطية الموجودة في الذاكرة إلى إشارة فيديو يمكن عرضها على شاشة الكمبيوتر.

في مجال الحوسبة ، يُعدّ مخزن الشاشة جزءًا من ذاكرة الحاسوب، يستخدمه تطبيق الحاسوب لعرض المحتوى المراد عرضه على شاشة الحاسوب . ^{[ 3 ]} يُطلق على مخزن الشاشة أيضًا اسم مخزن الفيديو ، أو مخزن إعادة التوليد ، أو مخزن إعادة التوليد اختصارًا. ^{[ 4 ]} يشير مصطلح "مخزن الشاشة" إلى وظيفة منطقية، بينما تشير ذاكرة الفيديو إلى موقع تخزين مادي. على وجه الخصوص، قد يُوضع مخزن الشاشة في ذاكرة الوصول العشوائي الرئيسية (RAM)، أو ذاكرة الفيديو، أو أي موقع مادي آخر.

لتقليل زمن الاستجابة وتجنب تشوه الصورة ، يمكن تخزين عدة إطارات مؤقتًا ، وتُسمى هذه التقنية بالتخزين المؤقت المتعدد . عندئذٍ، يكون إطار واحد فقط مرئيًا في أي وقت، بينما تكون الإطارات الأخرى مخفية. توجد الإطارات غير المرئية حاليًا في المخزن المؤقت خارج الشاشة .

تتضمن المعلومات المخزنة في المخزن المؤقت عادةً قيم الألوان لكل بكسل يُعرض على الشاشة. تُخزن قيم الألوان عادةً بتنسيقات ثنائية أحادية اللون (1 بت)، ورباعية الألوان (4 بت) ، وثمانية الألوان (8 بت)، وسداسية عشر بت عالية الألوان ، ورباعية الألوان الحقيقية (24 بت) . تُستخدم قناة ألفا إضافية أحيانًا للاحتفاظ بمعلومات حول شفافية البكسل. يعتمد إجمالي حجم الذاكرة المطلوبة لمخزن الإطار على دقة إشارة الإخراج، وعلى عمق اللون أو حجم لوحة الألوان.

ناقش باحثو الحاسوب مطولاً المزايا النظرية لذاكرة الإطار، لكنهم لم يتمكنوا من إنتاج جهاز بذاكرة كافية بتكلفة اقتصادية معقولة. ^{[ 5 ]} في عام 1947، استخدم حاسوب مانشستر بيبي أنبوب ويليامز ، الذي أصبح لاحقًا أنبوب ويليامز-كيلبورن، لتخزين 1024 بت على ذاكرة أنبوب أشعة الكاثود (CRT) وعرضها على أنبوب أشعة كاثود ثانٍ. ^{[ 6 ] [ 7 ]} استكشفت مختبرات بحثية أخرى هذه التقنيات، حيث حقق مختبر لينكولن التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا شاشة عرض بسعة 4096 بت في عام 1950. ^{[ 5 ]}

تم تطبيق شاشة عرض ملونة ممسوحة ضوئيًا في أواخر الستينيات، تُعرف باسم شاشة بروكهافن النقطية (BRAD)، والتي استخدمت ذاكرة أسطوانية وشاشة تلفزيون. ^{[ 8 ]} في عام 1969، قام أ. مايكل نول من مختبرات بيل للهاتف بتطبيق شاشة عرض ممسوحة ضوئيًا مزودة بذاكرة إطار، باستخدام ذاكرة ذات نواة مغناطيسية . ^{[ 9 ]} بعد عام تقريبًا، تم توسيع نظام مختبرات بيل لعرض صورة بعمق لوني يبلغ ثلاثة بتات على شاشة تلفزيون ملونة قياسية. كان لا بد من تحويل الرسومات المتجهة المستخدمة في الكمبيوتر لتتوافق مع الرسومات الممسوحة ضوئيًا لشاشة التلفزيون.

في أوائل سبعينيات القرن العشرين، ساهم تطوير رقائق الدوائر المتكاملة لذاكرة MOS ( ذاكرة أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة ) ، ولا سيما رقائق DRAM ( ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية) عالية الكثافة بسعة لا تقل عن 1 كيلوبايت ، في جعل إنشاء نظام ذاكرة رقمية مزود بمخازن إطارات قادرة على استيعاب صورة فيديو قياسية أمرًا عمليًا لأول مرة . ^{[ 10 ] [ 11 ]} وقد أدى ذلك إلى تطوير نظام SuperPaint على يد ريتشارد شوب في مركز أبحاث زيروكس بارك (PARC) عام 1972. ^{[ 10 ]} تمكن شوب من استخدام مخزن إطارات SuperPaint لإنشاء نظام مبكر لالتقاط الفيديو الرقمي. ومن خلال مزامنة إشارة الخرج مع إشارة الدخل، استطاع شوب الكتابة فوق كل بكسل من البيانات عند دخوله. كما جرب شوب تعديل إشارة الخرج باستخدام جداول الألوان. وقد سمحت هذه الجداول لنظام SuperPaint بإنتاج مجموعة واسعة من الألوان خارج نطاق البيانات المحدودة ذات 8 بت التي يحتويها. سيصبح هذا المخطط شائعًا فيما بعد في مخازن الإطارات الحاسوبية. 

في عام 1974، أصدرت شركة إيفانز آند ساذرلاند أول نظام إطارات عرض تجاري، وهو نظام الصور ^{[ 12 ]} ، بتكلفة تقارب 15000 دولار أمريكي. كان هذا النظام قادرًا على إنتاج صور بدقة تصل إلى 512 × 512 بكسل بتدرج رمادي 8 بت ، وشكّل إضافة قيّمة لباحثي الرسومات الذين لم تكن لديهم الموارد اللازمة لبناء نظام إطارات عرض خاص بهم. لاحقًا، أنشأ معهد نيويورك للتكنولوجيا أول نظام ألوان 24 بت باستخدام ثلاثة من أنظمة إطارات العرض من إيفانز آند ساذرلاند. ^{[ 13 ]} كان كل نظام إطارات عرض متصلًا بمخرج ألوان RGB (واحد للأحمر، وواحد للأخضر، وواحد للأزرق)، مع حاسوب مصغر من نوع PDP 11/04 من شركة ديجيتال إكويبمنت كوربوريشن يتحكم في الأجهزة الثلاثة كوحدة واحدة.

في عام 1975، أنتجت شركة Quantel البريطانية أول إطار بث تجاري كامل الألوان، وهو Quantel DFS 3000. وقد تم استخدامه لأول مرة في التغطية التلفزيونية لدورة الألعاب الأولمبية في مونتريال عام 1976 لإنشاء صورة داخل صورة للشعلة الأولمبية المشتعلة بينما عرضت بقية الصورة العداء وهو يدخل الملعب.

أتاح التطور السريع لتقنية الدوائر المتكاملة إمكانية احتواء العديد من أجهزة الكمبيوتر المنزلية في أواخر سبعينيات القرن الماضي على مخازن إطارات ذات عمق لوني منخفض. واليوم، تستخدم جميع أجهزة الكمبيوتر تقريبًا المزودة بإمكانيات رسومية مخزن إطارات لتوليد إشارة الفيديو. وقد تميزت أجهزة كمبيوتر أميغا ، التي صُممت في ثمانينيات القرن الماضي، بتصميم خاص يولي اهتمامًا بالغًا لأداء الرسومات، وتضمنت مخزن إطارات فريدًا من نوعه بتقنية التثبيت والتعديل، قادرًا على عرض 4096 لونًا.

انتشرت تقنية مخازن الإطارات أيضًا في محطات العمل المتطورة ولوحات أنظمة الألعاب الإلكترونية خلال ثمانينيات القرن الماضي. أصدرت شركات SGI و Sun Microsystems و HP و DEC و IBM مخازن إطارات لأجهزة الكمبيوتر الخاصة بمحطات العمل خلال تلك الفترة. كانت هذه المخازن تتميز بجودة أعلى بكثير من تلك الموجودة في معظم أجهزة الكمبيوتر المنزلية، واستُخدمت بانتظام في التلفزيون والطباعة ونمذجة الكمبيوتر والرسومات ثلاثية الأبعاد. كما استخدمت شركة Sega تقنية مخازن الإطارات في لوحات ألعابها المتطورة ، والتي كانت بدورها تتميز بجودة أعلى من تلك الموجودة في أجهزة الكمبيوتر المنزلية.

غالبًا ما تحتوي مخازن الإطارات المستخدمة في الحواسيب الشخصية والمنزلية على مجموعات من الأوضاع المحددة التي يمكن أن تعمل ضمنها. تعمل هذه الأوضاع على إعادة تهيئة الجهاز لإخراج دقة عرض مختلفة، وعمق ألوان، وتخطيطات ذاكرة، وتوقيتات معدل تحديث مختلفة .

في عالم أجهزة وأنظمة تشغيل يونكس ، كان يتم تجنب هذه الميزات عادةً لصالح التحكم المباشر في إعدادات الأجهزة. كان هذا التحكم أكثر مرونة بكثير، حيث كان من الممكن الوصول إلى أي دقة وعمق لوني ومعدل تحديث، ولم يكن هناك حد سوى الذاكرة المتاحة لإطار العرض. 

من الآثار الجانبية المؤسفة لهذه الطريقة إمكانية تشغيل جهاز العرض بما يتجاوز قدراته. في بعض الحالات، أدى ذلك إلى تلف مكونات الشاشة. ^{[ 14 ]} وفي أغلب الأحيان، كان ينتج عنه صورة مشوشة وغير قابلة للاستخدام. تعالج شاشات CRT الحديثة هذه المشكلة من خلال إضافة دوائر حماية. عند تغيير وضع العرض، تحاول الشاشة الحصول على إشارة متزامنة مع تردد التحديث الجديد. إذا لم تتمكن الشاشة من الحصول على إشارة متزامنة، أو إذا كانت الإشارة خارج نطاق حدود تصميمها، فإنها تتجاهل إشارة مخزن الإطارات، وقد تعرض للمستخدم رسالة خطأ.

تحتوي شاشات LCD عادةً على دوائر حماية متشابهة، ولكن لأسباب مختلفة. فبما أن شاشة LCD يجب أن تأخذ عينة رقمية من إشارة العرض (وبذلك تحاكي شعاع الإلكترون)، فإن أي إشارة خارج النطاق لا يمكن عرضها فعليًا على الشاشة.

لطالما دعمت مخازن الإطارات مجموعة واسعة من أنماط الألوان. ونظرًا لتكلفة الذاكرة، استخدمت معظم مخازن الإطارات القديمة عمق ألوان 1 بت (لونان لكل بكسل)، أو 2 بت (4 ألوان)، أو 4 بت (16 لونًا)، أو 8 بت (256 لونًا). تكمن مشكلة أعماق الألوان الصغيرة هذه في عدم إمكانية إنتاج نطاق كامل من الألوان. وكان الحل لهذه المشكلة هو نظام الألوان المفهرسة ، الذي يُضيف جدول بحث إلى مخزن الإطارات. يعمل كل لون مُخزّن في ذاكرة مخزن الإطارات كفهرس لون. ويُستخدم جدول البحث كلوحة ألوان تحتوي على عدد محدود من الألوان المختلفة، بينما يُستخدم الباقي كجدول فهرسة.

فيما يلي صورة نموذجية مفهرسة مكونة من 256 لونًا ولوحة ألوانها الخاصة (موضحة على شكل مستطيل من العينات اللونية):

في بعض التصاميم، كان من الممكن أيضًا كتابة البيانات في جدول البحث (أو التبديل بين لوحات الألوان الموجودة) بشكل فوري، مما يسمح بتقسيم الصورة إلى أشرطة أفقية لكل منها لوحة ألوان خاصة بها، وبالتالي عرض صورة ذات نطاق ألوان أوسع بكثير. على سبيل المثال، عند عرض صورة فوتوغرافية خارجية، يمكن تقسيم الصورة إلى أربعة أشرطة: الشريط العلوي مع التركيز على درجات لون السماء، والشريط التالي مع درجات لون أوراق الشجر، والشريط الذي يليه مع درجات لون البشرة والملابس، والشريط السفلي مع ألوان الأرض. يتطلب هذا أن تحتوي كل لوحة ألوان على ألوان متداخلة، ولكن عند القيام بذلك بعناية، فإنه يتيح مرونة كبيرة.

على الرغم من أن الوصول إلى مخازن الإطارات يتم عادةً عبر ربطها مباشرةً بذاكرة وحدة المعالجة المركزية، إلا أن هذه ليست الطريقة الوحيدة للوصول إليها. فقد تنوعت طرق الوصول إلى ذاكرة مخازن الإطارات بشكل كبير، ومن أكثرها شيوعًا ما يلي:

• ربط مخزن الإطارات بالكامل بنطاق ذاكرة معين.
• أوامر المنفذ لتعيين كل بكسل، أو نطاق من البكسلات، أو إدخال لوحة الألوان.
• تحديد نطاق ذاكرة أصغر من ذاكرة إطار العرض، ثم تبديل البنك حسب الضرورة.

قد يكون تنظيم إطار المخزن المؤقت مُكدسًا بالبكسل أو مُسطحًا . وقد يكون إطار المخزن المؤقت قابلاً للعنونة على جميع النقاط أو قد تكون هناك قيود على كيفية تحديثه.

تحتوي بطاقات الفيديو دائمًا على مقدار معين من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). ويُستخدم جزء صغير من هذه الذاكرة لتخزين بيانات الصورة النقطية مؤقتًا لعرضها. ولذلك، يُستخدم مصطلح " مخزن الإطارات " غالبًا كمرادف لهذه الذاكرة.

يرسل المعالج المركزي تحديثات الصورة إلى بطاقة الفيديو. يقوم معالج الفيديو الموجود على البطاقة بتكوين صورة من شاشة العرض وتخزينها في مخزن الإطارات كصورة نقطية كبيرة في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). تستخدم البطاقة هذه الصورة النقطية في ذاكرة الوصول العشوائي لتحديث صورة الشاشة باستمرار. ^{[ 15 ]}

تحاول العديد من الأنظمة محاكاة وظيفة جهاز إطار العرض، غالبًا لأسباب تتعلق بالتوافق. وأكثر أجهزة إطار العرض الافتراضية شيوعًا هما جهاز إطار العرض في لينكس (fbdev) وجهاز إطار العرض الافتراضي X ( Xvfb ). أُضيف Xvfb إلى توزيعة نظام X Window لتوفير طريقة لتشغيل X بدون إطار عرض رسومي. طُوّر جهاز إطار العرض في لينكس لتجريد الطريقة الفيزيائية للوصول إلى إطار العرض الأساسي في خريطة ذاكرة مضمونة يسهل على البرامج الوصول إليها. وهذا يزيد من قابلية النقل، حيث لا يُطلب من البرامج التعامل مع أنظمة ذات خرائط ذاكرة منفصلة أو تتطلب تبديل البنوك .

قد يُصمَّم مخزن الإطارات بذاكرة كافية لتخزين بيانات فيديو لإطارين. في تقنية تُعرف عمومًا بالتخزين المؤقت المزدوج ، أو تحديدًا بتقليب الصفحات ، يستخدم مخزن الإطارات نصف ذاكرته لعرض الإطار الحالي. أثناء عرض هذا الإطار، يُملأ النصف الآخر ببيانات الإطار التالي. بمجرد امتلاء المخزن الثانوي، يُوجَّه مخزن الإطارات لعرضه. يصبح المخزن الأساسي هو المخزن الثانوي، والعكس صحيح. غالبًا ما يُجرى هذا التبديل بعد فترة التعتيم الرأسي لتجنب تمزق الشاشة الناتج عن عرض نصف الإطار القديم ونصف الإطار الجديد معًا.

أصبح تقليب الصفحات أسلوبًا قياسيًا يستخدمه مبرمجو ألعاب الكمبيوتر .

مع ازدياد الطلب على رسومات أفضل، ابتكر مصنّعو الأجهزة طريقةً لتقليل وقت وحدة المعالجة المركزية اللازم لملء مخزن الإطارات. تُعرف هذه الطريقة عادةً بتسريع الرسومات . تُرسل أوامر رسم الرسومات الشائعة (العديد منها هندسي) إلى مُسرِّع الرسومات بصيغتها الخام. ثم يقوم المُسرِّع بتحويل نتائج الأمر إلى صورة نقطية في مخزن الإطارات. تُتيح هذه الطريقة لوحدة المعالجة المركزية القيام بمهام أخرى.

ركزت المعالجات الرسومية المبكرة على تحسين أداء أنظمة واجهة المستخدم الرسومية ثنائية الأبعاد . ومع الحفاظ على هذه الإمكانيات ثنائية الأبعاد، تركز معظم المعالجات الرسومية الحديثة على إنتاج صور ثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي. يعتمد التصميم الشائع على مكتبة رسومية مثل OpenGL أو Direct3D ، والتي تتفاعل مع برنامج تشغيل الرسومات لترجمة الأوامر المستلمة إلى تعليمات لوحدة معالجة الرسومات (GPU) الخاصة بالمعالج الرسومي. تستخدم وحدة معالجة الرسومات هذه التعليمات لحساب النتائج النقطية، ثم تُنقل النتائج إلى مخزن الإطارات. بعد ذلك، تُنتج إشارة مخزن الإطارات بالاشتراك مع أجهزة تراكب الفيديو المدمجة (والتي تُستخدم عادةً لإنتاج مؤشر الماوس دون تعديل بيانات مخزن الإطارات) وأي مؤثرات خاصة نهائية تُنتج عن طريق تعديل إشارة الإخراج. ومن أمثلة هذه المؤثرات الخاصة النهائية تقنية منع التعرج المكاني المستخدمة في بطاقات 3dfx Voodoo . تُضيف هذه البطاقات ضبابية طفيفة إلى إشارة الإخراج، مما يجعل تعرج الرسومات النقطية أقل وضوحًا.

في وقت من الأوقات، كان هناك العديد من الشركات المصنعة لمسرعات الرسومات، بما في ذلك: 3dfx Interactive و ATI و Hercules و Trident و Nvidia و Radius و S3 Graphics و SiS و Silicon Graphics . اعتبارًا من عام 2015تهيمن شركات Nvidia (التي استحوذت على 3dfx في عام 2002) و AMD (التي استحوذت على ATI في عام 2006) و Intel على سوق مسرعات الرسومات لأنظمة x86 .

باستخدام مخزن الإطارات، يُوجَّه شعاع الإلكترونات (إذا كانت تقنية العرض تستخدمه) لإجراء مسح نقطي ، وهي الطريقة التي يعرض بها التلفزيون إشارة البث. تُسحب معلومات اللون لكل نقطة معروضة على الشاشة مباشرةً من مخزن الإطارات أثناء المسح، مما يُنشئ مجموعة من عناصر الصورة المنفصلة، ​​أي البكسلات.

تختلف مخازن الإطارات اختلافًا كبيرًا عن شاشات العرض المتجهة التي كانت شائعة قبل ظهور الرسومات النقطية (وبالتالي، عن مفهوم مخزن الإطارات نفسه). ففي شاشة العرض المتجهة، تُخزَّن رؤوس العناصر الرسومية فقط. ثم يُوجَّه شعاع الإلكترونات في شاشة العرض للتحرك من رأس إلى آخر، راسمًا خطًا عبر المنطقة بين هذه النقاط.

وبالمثل، تختلف مخازن الإطارات عن التقنية المستخدمة في شاشات العرض النصية القديمة ، حيث يحتوي المخزن على رموز الأحرف، وليس وحدات البكسل الفردية. يقوم جهاز عرض الفيديو بنفس عملية المسح النقطي كما هو الحال مع مخزن الإطارات، ولكنه يُنشئ وحدات البكسل لكل حرف في المخزن أثناء توجيه الشعاع.

• مستوى البت
• عرض خطوط المسح
• سلسلة التبديل
• لعبة فيديو تعتمد على البلاطات
• عرض مُبلّط
• استخدم جهاز Tektronix 4050 أنبوب تخزين للاستغناء عن الحاجة إلى ذاكرة إطار العرض

• مقابلة مع باحث في معهد نيويورك للتكنولوجيا يناقش نظام 24 بت
• تاريخ مخازن الإطارات في شركة صن مايكروسيستمز