За счет чего видеокарта увеличивает скорость вывода графической информации на экран
За счет чего видеокарта увеличивает скорость вывода графической информации на экран
Что такое видеокарта?
Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в разъём расширения, универсальный (PCI-Express, PCI, ISA, VLB, EISA, MCA) или специализированный (AGP), но бывает и встроенной (интегрированной) в системную плату (как в виде отдельного чипа, так и в качестве составляющей части северного моста чипсета или ЦПУ).
Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический процессор, который может производить дополнительную обработку, снимая эту задачу с центрального процессора компьютера.
1. графический процессор (Graphics processing unit — графическое процессорное устройство) — занимается расчётами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики. Является основой графической платы, именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства. Современные графические процессоры по сложности мало чем уступают центральному процессору компьютера, и зачастую превосходят его как по числу транзисторов, так и по вычислительной мощности, благодаря большому числу универсальных вычислительных блоков. Однако, архитектура GPU прошлого поколения обычно предполагает наличие нескольких блоков обработки информации, а именно: блок обработки 2D-графики, блок обработки 3D-графики, в свою очередь, обычно разделяющийся на геометрическое ядро (плюс кэш вершин) и блок растеризации (плюс кэш текстур) и др.
2. видеоконтроллер — отвечает за формирование изображения в видеопамяти, даёт команды RAMDAC на формирование сигналов развёртки для монитора и осуществляет обработку запросов центрального процессора. Кроме этого, обычно присутствуют контроллер внешней шины данных (например, PCI или AGP), контроллер внутренней шины данных и контроллер видеопамяти. Ширина внутренней шины и шины видеопамяти обычно больше, чем внешней (64, 128 или 256 разрядов против 16 или 32), во многие видеоконтроллеры встраивается ещё и RAMDAC. Современные графические адаптеры (ATI, nVidia) обычно имеют не менее двух видеоконтроллеров, работающих независимо друг от друга и управляющих одновременно одним или несколькими дисплеями каждый.
3. видеопамять — исполняет роль кадрового буфера, в котором хранится изображение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора (или нескольких мониторов). В видеопамяти хранятся также промежуточные невидимые на экране элементы изображения и другие данные. Видеопамять бывает нескольких типов, различающихся по скорости доступа и рабочей частоте. Современные видеокарты комплектуются памятью типа DDR, DDR2, GDDR3, GDDR4 и GDDR5. Следует также иметь в виду, что помимо видеопамяти, находящейся на видеокарте, современные графические процессоры обычно используют в своей работе часть общей системной памяти компьютера, прямой доступ к которой организуется драйвером видеоадаптера через шину AGP или PCIE. В случае использования архитектуры UMA в качестве видеопамяти используется часть системной памяти компьютера.
4. цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, RAMDAC — Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) — служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор. Возможный диапазон цветности изображения определяется только параметрами RAMDAC. Чаще всего RAMDAC имеет четыре основных блока — три цифроаналоговых преобразователя, по одному на каждый цветовой канал (красный, зелёный, синий, RGB), и SRAM для хранения данных о гамма-коррекции. Большинство ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал — получается по 256 уровней яркости на каждый основной цвет, что в сумме дает 16,7 млн цветов (а за счёт гамма-коррекции есть возможность отображать исходные 16,7 млн цветов в гораздо большее цветовое пространство). Некоторые RAMDAC имеют разрядность по каждому каналу 10 бит (1024 уровня яркости), что позволяет сразу отображать более 1 млрд цветов, но эта возможность практически не используется. Для поддержки второго монитора часто устанавливают второй ЦАП. Стоит отметить, что мониторы и видеопроекторы, подключаемые к цифровому DVI выходу видеокарты, для преобразования потока цифровых данных используют собственные цифроаналоговые преобразователи и от характеристик ЦАП видеокарты не зависят.
5. видео-ПЗУ (Video ROM) — постоянное запоминающее устройство, в которое записаны видео-BIOS, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п. ПЗУ не используется видеоконтроллером напрямую — к нему обращается только центральный процессор. Хранящийся в ПЗУ видео-BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до загрузки основной операционной системы, а также содержит системные данные, которые могут читаться и интерпретироваться видеодрайвером в процессе работы (в зависимости от применяемого метода разделения ответственности между драйвером и BIOS). На многих современных картах устанавливаются электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEPROM, Flash ROM), допускающие перезапись видео-BIOS самим пользователем при помощи специальной программы.
6. система охлаждения — предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и видеопамяти в допустимых пределах.
Правильная и полнофункциональная работа современного графического адаптера обеспечивается с помощью видеодрайвера — специального программного обеспечения, поставляемого производителем видеокарты и загружаемого в процессе запуска операционной системы. Видеодрайвер выполняет функции интерфейса между системой с запущенными в ней приложениями и видеоадаптером. Так же как и видео-BIOS, видеодрайвер организует и программно контролирует работу всех частей видеоадаптера через специальные регистры управления, доступ к которым происходит через соответствующую шину.
Ширина шины памяти, измеряется в битах — количество бит информации, передаваемой за такт. Важный параметр в производительности карты.
Объём видеопамяти, измеряется в мегабайтах — объём собственной оперативной памяти видеокарты. Больший объём далеко не всегда означает большую производительность. Видеокарты, интегрированные в набор системной логики материнской платы или являющиеся частью ЦПУ, обычно не имеют собственной видеопамяти и используют для своих нужд часть оперативной памяти компьютера (UMA — Unified Memory Access).
Частоты ядра и памяти — измеряются в мегагерцах, чем больше, тем быстрее видеокарта будет обрабатывать информацию.
Текстурная и пиксельная скорость заполнения, измеряется в млн. пикселов в секунду, показывает количество выводимой информации в единицу времени.
Выводы карты — видеоадаптеры VGA и более поздние обычно имели всего один разъём VGA (15-контактный D-Sub). В настоящее время платы оснащают разъёмами DVI или HDMI, либо Display Port в количестве от одного до трех. Некоторые видеокарты ATi последнего поколения оснащаются шестью видеовыходами. Порты DVI и HDMI являются эволюционными стадиями развития стандарта передачи видеосигнала, поэтому для соединения устройств с этими типами портов возможно использование переходников. Порт DVI бывает двух разновидностей. DVI-I также включает аналоговые сигналы, позволяющие подключить монитор через переходник на разьем D-SUB. DVI-D не позволяет этого сделать. Dispay Port позволяет подключать до четырёх устройств, в том числе акустические системы, USB-концентраторы и иные устройства ввода-вывода. На видеокарте также возможно размещение композитных и S-Video видеовыходов и видеовходов (обозначаются, как ViVo)
Типы памяти видеокарты
VRAM (Video RAM — видео ОЗУ) — так называемая двухпортовая DRAM. Этот тип памяти обеспечивает доступ к данным со стороны сразу двух устройств, то есть,имеется возможность одновременно писать данные в какую-либо ячейку памяти, и одновременно с этим читать данные из какой-нибудь соседней ячейки. За счёт этого позволяет совмещать во времени вывод изображения на экран и его обработку в видеопамяти, что сокращает задержки при доступе и увеличивает скорость работы. То есть RAMDAC может свободно выводить на экран монитора раз за разом экранный буфер, ничуть не мешая видеопроцессору осуществлять какие-либо манипуляции с данными. Но это всё та же DRAM и скорость у неё не слишком высокая.
WRAM (Window RAM) — вариант VRAM, с увеличенной на
25 % пропускной способностью и поддержкой некоторых часто применяемых функций, таких как обрисовка шрифтов, перемещение блоков изображения и т. п. Применяется практически только на акселераторах фирмы Matrox и Number Nine, поскольку требует специальных методов доступа и обработки данных. Наличие всего одного производителя данного типа памяти (Samsung) сильно сократило возможности её использования. Видеоадаптеры, построенные с использованием данного типа памяти, не имеют тенденции к падению производительности при установке больших разрешений и частот обновления экрана, на однопортовой же памяти в таких случаях RAMDAC всё большее время занимает шину доступа к видеопамяти и производительность видеоадаптера может сильно упасть.
EDO DRAM (Extended Data Out DRAM — динамическое ОЗУ с расширенным временем удержания данных на выходе) — тип памяти с элементами конвейеризации, позволяющий несколько ускорить обмен блоками данных с видеопамятью приблизительно на 25 %.
SDRAM (Synchronous Dynamic RAM — синхронное динамическое ОЗУ) пришёл на замену EDO DRAM и других асинхронных однопортовых типов памяти. После того, как произведено первое чтение из памяти или первая запись в память, последующие операции чтения или записи происходят с нулевыми задержками. Этим достигается максимально возможная скорость чтения и записи данных.
DDR SDRAM (Double Data Rate) — вариант SDRAM с передачей данных по двум срезам сигнала, получаем в результате удвоение скорости работы. Дальнейшее развитие пока происходит в виде очередного уплотнения числа пакетов в одном такте шины — DDR2 SDRAM (GDDR2), DDR3 SDRAM (GDDR3) и т. д.
SGRAM (Synchronous Graphics RAM — синхронное графическое ОЗУ) вариант DRAM с синхронным доступом. В принципе, работа SGRAM полностью аналогична SDRAM, но дополнительно поддерживаются ещё некоторые специфические функции, типа блоковой и масочной записи. В отличие от VRAM и WRAM, SGRAM является однопортовой, однако может открывать две страницы памяти как одну, эмулируя двухпортовость других типов видеопамяти.
MDRAM (Multibank DRAM — многобанковое ОЗУ) — вариант DRAM, разработанный фирмой MoSys, организованный в виде множества независимых банков объёмом по 32 КиБ каждый, работающих в конвейерном режиме.
RDRAM (RAMBus DRAM) память, использующая специальный канал передачи данных (Rambus Channel), представляющий собой шину данных шириной в один байт. По этому каналу удаётся передавать информацию очень большими потоками, наивысшая скорость передачи данных для одного канала на сегодняшний момент составляет 1600 МиБ/с (частота 800 МГц, данные передаются по обоим срезам импульса). На один такой канал можно подключить несколько чипов памяти. Контроллер этой памяти работает с одним каналом Rambus, на одной микросхеме логики можно разместить четыре таких контроллера, значит теоретически можно поддерживать до 4 таких каналов, обеспечивая максимальную пропускную способность в 6,4 ГБ/с. Минус этой памяти — нужно читать информацию большими блоками, иначе её производительность резко падает.
Компьютер с нуля
Видеокарта
Видеокарта
Эволюция видеоинтерфейсов
Видеоадаптер первоначально являлся картой расширения.
ISA – объем памяти 512 Кб.
VESA – расширенная шина; карта устанавливалась сразу в два слота, размером на всю ширину материнской платы; объем памяти – 2 Мб.
PCI – способствовали заметному развитию видеоадаптеров. Присутствуют на современных ПК, но видеокартами давно не используются.
AGP (AcceleratedGraphicsPort) – разработан на основе PCI.
AGP 1.0 – 1997 г.; могла работать в двух режимах передачи данных 1Х/2Х (266/533 Мб/с); напряжение – 3,3 В.
AGP 2.0 – 1998 г.; 4Х (1066 Мб/с); 1,5 В.
AGP 3.0 –8Х (2133 Мб/с); 0,8 В.
PCI-Express – 2004 г.
В отличие от старых параллельных шин ISA, PCI, AGP, принцип передачи данных PCI-E является последовательным. PCI-E работает по принципу «точка-точка», т.е. одна шина в чистом виде может объединять только два устройства. Поэтому в ее архитектуре предусматривается свитч, распределяющий сигналы между всеми устройствами PCI-E. Это принципиальное отличие от PCI, где на общую шину включаются все устройства.
За счет последовательной передачи данных удается достичь огромных тактовых частот (2,5 – 10 ГГц).
Варианты масштабирования PCI-E: PCI-E х1, PCI-E х4, PCI-E х8, PCI-E х16, PCI-E х32.
Компания PCI-SIG заявила об увеличении скорости передачи данных до 5 Гб/с. Первая продукция на основе новой шины появилась на рынке начиная с 2007 г.
Немаловажен экономический эффект. Последовательная шина требует меньше проводников на печатной плате, таким образом, высвобождается место, упрощается дизайн, уменьшаются электрические наводки. Предусмотрена автономная система энергосбережения: питание от разъема должно отключаться при отсутствии активности в промежутке определенного времени. Возможна горячая замена устройств.
Разъем PCI-E делится ключом на две части. Первая часть (та, что ближе к задней стенке корпуса) одинакова для всех разъемов и предназначена для питания карты. Сюда подводятся напряжения 3,3 В и 12 В. Спецификацией предусматривается подводка мощности 60 Вт. По другую сторону от ключа расположены контакты секций линий передачи данных. Соответственно количеству линий меняется длина разъема.
Задачи, решаемые видеокартой
Видеокарта реализует игровые спецэффекты:
Для поддержки игровых спецэффектов в процессор видеокарты встраивают специальный «блок трансформации и освещения» (T&L), позволяющий получить высокое качество игрового изображения.
Обработка мультимедиа информации: вывод изображения на телеэкран, прием изображения с внешнего источника – видеокамеры, видеомагнитофона, телевизионной антенны.
Состав видеоадаптера
1) Видеопроцессор (графический процессор, Graphics Processor)
ЦП формирует цифровые данные об изображении, которые из ОП поступают в видеопроцессор. Видеопроцессор формирует изображение по командам ЦП.
Архитектура видеопроцессора
Цифроаналоговый преобразователь (Digital Analog Converter, DAC), АЦП
Поскольку DAC включает собственную память произвольного доступа (Random Access Memory, RAM) для хранения палитры цветов, его называют RAMDAC. RAMDAC считывает данные из видеопамяти и преобразует цифровые данные в аналоговые и посылает их на монитор.
RAMDAC – блок, отвечающий за преобразование двоичных значений цвета и яркости точки в аналоговый сигнал.
Микросхема VGA BIOS отвечает за стандартные функции начальной загрузки компьютера (к ней обращается BIOS системной платы) и ряд специфичных функций, присущих конкретному видеоадаптеру.
Контроллер (электронный контроллер)
Эта часть графического адаптера, которая устанавливает адаптер в один из возможных текстовых или графических режимов. Реализован на базе микросхемы Motorola 6845. Эта микросхема генерирует сигналы строчной и кадровой развертки и видеосигналы, а также формирует на экране изображение курсора и управляет его мерцанием. Управление микросхемой осуществляется через 18 регистров.
Регистр – внутреннее запоминающее устройство, используемое для временного хранения данных и команд.
Могут находиться атрибутный и графический контроллеры.
Атрибутный контроллер задает текущую палитру (т.е. цветоустановку).
Экран имеет две области цветоустановки:
Графический контроллер предназначен для манипулирования данными, считываемыми или записываемыми процессором и видеопамятью, а также обеспечивает независимость вывода информации на экран от работы с процессором.
Для более мощных средств работы с графикой, позволяющих создавать изображения с использованием большого количества цветов, обрабатывать и воспроизводить полноэкранные анимации (последовательность графических изображений, создающая эффект движения объектов на экране, разрабатывается с помощью специальных пакетов).
Для повышения быстродействия видеосистемы разработаны графические ускорители и графические сопроцессоры. Они представляют собой платы расширения (плата со специальным разъемом для установки в слот расширения компьютера, на которой размещается дополнительное внешнее устройство), которые могут быть использованы только с видеоадаптером соответствующего типа. Выполняют следующие функции:
Графический ускоритель (видеопроцессор, акселератор, графический процессор) – устройство, которое принимает на себя часть функций ЦП, связанных с формированием и выдачей изображений на экран, повышая, таким образом, быстродействие видеосистемы и производительность компьютера в целом.
Функции графического ускорителя:
Графический сопроцессор – устройство, принимающее на себя часть функций ЦП для повышения быстродействия видеосистемы. Обеспечивает также аппаратную поддержку для прикладных программ с расширенными графическими возможностями.
Существует два типа графических сопроцессоров:
1) сопроцессоры полностью принимают на себя функции видеоадаптера по формированию и выводу изображений;
2) строится на основе регистров, в которых хранятся параметры, часто используемые при формировании изображений, тем самым дают экономию времени при пересылке данных между сопроцессором и ОЗУ.
Дополнительные возможности: подключение видеокамеры.
Существует два подхода к реализации программной поддержки для графических сопроцессоров:
1) На плате сопроцессора устанавливается ПЗУ, содержащее программы, управляющие работой сопроцессора. Как правило, эти программы обеспечивают создание графических примитивов, используемых конкретными приложениями.
2) Не использует «зашитые» программы. В этом случае программы разрабатываются программистами с использованием набора команд сопроцессора. Плата обычно поставляется вместе со специальной библиотекой программ, рассчитанной на использование различными прикладными программами.
2) Видеопамять (1 Мб, 2 Мб, 4 Мб, 8 Мб, 16 Мб, 64 Мб, 128 Мб, 256Мб, 512 Мб, 1024 Мб)
Часть ОЗУ, в которой хранится электронный образ изображения. Обычно размещается на плате видеоадаптера. Видеоадаптер считывает содержимое видеопамяти и передает на монитор с частотой 56-160 раз в секунду. Каждая ячейка видеопамяти соответствует определенной позиции на экране и любое изменение содержимого видеопамяти вызывает соответствующее изменение на экране.
Четыре микросхемы видеопамяти SGRAM (Synchronous Graphics RAM) хранят по каждой отображаемой на экране точке, результаты промежуточных вычислений и различные заготовки для стандартных элементов.
Объем необходимой видеопамяти определяется в зависимости от разрешения (числа строк, умноженного на число точек в строке) и глубины цвета (необходимого числа байтов для хранения информации о каждой точке).
Чем больше размер видеопамяти, тем быстрее работают игры и графика.
Дополнительные устройства
TV-тюнер
– для приема видеокартой телевизионных сигналов и вывода их на монитор (прием и оцифровка телевизионного сигнала).
Практически все TV-тюнеры построены на различных модификациях набора микросхем – Brooktree BT848. Есть также модели на основе чипов Philips.
TV-тюнеры требовательны к качеству сигнала, поступающего из эфира.
Другие телевизионные системы (стандарты телевизионного сигнала): PAL.
AverMedia TV Studio 307 TV+FM Tuner, пульт ДУ
Pinnacle Systems Studio PCTV
Compro VideoMate TV Gold II
FM-тюнер – радиоприемник.
Видеовыход
– вывод изображения с компьютера на монитор и на экран телевизора (через специальный разъем).
Видеовход
(карта видеозахвата, например, Miro, Pinnacle) – подключение видеокамеры, видеомагнитофона для последующего редактирования изображения. В процессе захвата видео происходит сжатие (компрессия) изображения.
Для такой карты используют термин VIVO (Video In Video Out).
Микросхема декодера DVD и MPEG
Поддержка цифрового интерфейса вывода (DV).
3D-ускоритель –
для работы с 3-хмерной графикой в играх.
Существует несколько стандартов программного интерфейса, использующего 3-хмерную графику:
DirectX 9.0 – специальная библиотека драйверов, встроенных в Windows: благодаря им игровые программы получают доступ к «железу» и могут использовать все его возможности – в т.ч. и встроенные технологии сглаживания.
Режимы работы видеоадаптера
Байт цвета 0 1 2 3 4 5 6 7
Байт цвета управляет набором цветов в текстовом режиме.
0 – 2 бит – цвет изображения (символа)
3 бит – повышенная яркость цвета символа (расширение цвета до 16)
4 – 6 бит – цвет фона
7 бит – цвет мерцания, при запрете – повышенная яркость фона
Видеоадаптеры работают в одном их 2-х режимов.
1) Текстовый режим. Экран условно разбивается на отдельные участки – знакоместа (прямоугольники 9´16), чаще всего на 25 строк по 80 символов. В каждое знакоместо может быть выведен один из 256 заранее заданных символов, т.е. минимальным объектом на экране является символ ASCII. Содержимое видеопамяти является точным электронным образом изображения на экране. Адаптер 60-70 раз в секунду считывает содержимое видеопамяти и посылает в монитор для вывода на экран. Каждая ячейка видеопамяти соответствует определенной позиции на экране. При работе в текстовом режиме адаптер рассматривает видеопамять как последовательность ячеек на экране. Каждой ячейке соответствуют 2 байта видеопамяти: 1 байт – ASCII-код выводимого символа, 2 байт – код цветового атрибута данного символа (цвет изображения и цвет фона).
Текстовый режим – основной видеорежим. Во время начальной загрузки вывод информации на экран осуществляется в текстовом режиме с разрешением 720´400 (режим работы видеоадаптера № 7). Графические элементы создаются с использованием псевдографических символов.
2) Графический режим. Экран представляет собой матрицу пикселей, а изображение на экране – совокупность пикселей разного цвета. Минимальным объектом является пиксель. Изображение хранится в собственной памяти адаптера. Количество поддерживаемых цветов и разрешение зависят от типа видеосистемы и объема памяти адаптера. Современные адаптеры имеют 512-1024 Мб памяти. Доступ к памяти осуществляется с помощью специальных команд.
Текстовый и графический режимы имеют несколько подрежимов, отличающихся по разрешению и количеству используемых цветов.
Характеристики видеоадаптера
1) Тактовая частота, 200 – 330 МГц, 500, 800 МГц.
3) Объем памяти 128 Мб – 1 Гб
Фирм-производителей видеокарт много, однако, видеокарты необходимо отличать и по установленному в них набору микросхем – чипсету. Например, в картах Diamond Viper330 и Asus 3Dxplorer 3000 используется один и тот же чипсет – Rive/28 компании NVIDIA, поэтому производительность приблизительно одинакова. Есть и отличия – у Asus установлен TV-выход, соответственно отличаются и по цене.
Фирмы-производители лидеры: NVIDIA, ATI.
Чипсеты NVIDIA GeForce
Чипсеты ATI Radeon
Типы видеосистем
(интерфейс обмена данными между видеодаптером и монитором)
MDA (Monochrome Display Adapter)
HGA (Hercules Graphics Adapter)
CGA (Color Graphics Adapter) – цветной графический адаптер
EGA (Enhanced Graphics Adapter) – улучшенный; передача видеоинформации в цифровом виде
VGA (Video Graphics Adapter (Arrey)) – видеографический адаптер
SVGA (Super VGA)
DVI – цифровой
DVI-I – модификация DVI – цифровой для подключения аналогового монитора