Что такое видеокарта

Что такое  видеокарта? Графическая плата (известна к тому же как графическая карта, видеокарта, видеоадаптер) (англ. videocard) — устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора.

Как правило видеокарта является платой расширения и вставляется в особый разъём (ISA, VLB, PCI, AGP, PCI-Express) для видеокарт на материнской плате, однако бывает и встроенной, к тому же, интегрированной.

Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический микропроцессор, который может производить дополнительную обработку, разгружая от таких задач центральный процессор компьютера. Ниже будет наиболее полная информация что такое видеокарта.

Что такое  видеокарта?. Но сперва окунёмся в историю.

Одним из I-х графических адаптеров для IBM ПК стала плата MDA (Monochrome Display Adapter) в 1981 г., которая работала лишь в текстовом режиме с разрешением 25×80 знаков (физически 720×350 точек) и имела 5 атрибутов текста: обыкновенный, инверсный, яркий, подчёркнутый и мигающий. Никакой графической или цветовой информации он передавать не мог, и то, какого цвета будут буквы, определялось моделью использовавшегося монитора, как правило они были чёрно-белыми, янтарными или изумрудными. Фирма Hercules в 1982 г. выпустила последующее развитие адаптера MDA, видеоадаптер HGC (Hercules Graphics Controller — графический адаптер Геркулес), который имел графическое разрешение 720×348 точек и поддерживал 2 графические страницы. Однако он всё ещё не позволял вести работу с цветом.

I-ой цветной графической платой стала CGA (Color Graphics Adapter), выпущенная IBM и ставшая основой для дальнейших стандартов видеокарт. Она могла вести работу или в текстовом режиме с разрешениями 40×25 и 80×25 (матрица знака — 8×8), или в графическом с разрешениями 320×200 или 640×200. В текстовых режимах доступно 256 атрибутов знака — 16 цветов знака и 16 цветов фона (или 8 цветов фона и атрибут мигания), в графическом режиме 320×200 было доступно 4 палитры по 4 цвета каждая, режим высокого разрешения 640×200 был монохромным. В развитие этой карты возник EGA (Enhanced Graphics Adapter) — улучшенный графический адаптер, с расширенной до 64 цветов палитрой, и промежуточным буфером. Было улучшено разрешение до 640×350, в итоге добавился текстовый режим 80×43 при матрице знака 8×8. Для режима 80×25 использовалась большая матрица — 8×14, одновременно возможно было юзать 16 цветов, цветовая палитра была расширена до 64 цветов. Графический режим так же позволял юзать при разрешении 640×350 16 цветов из палитры в 64 цвета. Был совместим с CGA и MDA.
Стоит заметить, что интерфейсы с монитором всех таких типов видеоадаптеров были цифровые, MDA и HGC передавали лишь сияет или не сияет точка и ещё дополнительный сигнал яркости для атрибута текста «яркий», аналогично CGA по 3-м каналам (багровый, зеленоватый, синий) передавал основной видеосигнал, и мог дополнительно передавать сигнал яркости (в общей сложности получалось 16 цветов), EGA имел по 2 линии передачи на любой из главных цветов, то есть любой основной цвет мог отображаться с полной яркостью, 2/3, или 1/3 от полной яркости, что и давало в сумме максимум 64 цвета.

В ранних моделях компьютеров от IBM PS/2, возникает новая видеокарта MCGA (Multicolor Graphics Adapter — многоцветный графический адаптер). Текстовое разрешение было поднято до 640×400, что дало возможность юзать режим 80×50 при матрице 8×8, а для режима 80×25 юзать матрицу 8×16. Число цветов увеличено до 262144 (64 ур. яркости по каждому цвету), для совместимости с EGA в текстовых режимах была введена таблица цветов, ч/з которую выполнялось преобразование 64-цветного пространства EGA в цветовое пространство MCGA. Возник режим 320x200x256, где любой пиксел на экране кодировался соответствующим байтом в видеопамяти, никаких битовых плоскостей не было, соответственно с EGA осталась совместимость лишь по текстовым режимам, совместимость с CGA была полная. Из-за огромного числа яркостей главных цветов появилась потребность эксплуатации уже аналогового цветового сигнала, частота строчной развертки составляла уже 31,5 KГЦ.

Позже IBM пошла ещё далее и сделала VGA (Video Graphics Array — графический видео массив), это расширение MCGA совместимое с EGA и введённое в средних моделях PS/2. Это фактический стандарт видеоадаптера с окончания 80-х гг... Добавлены текстовое разрешение 720×400 для эмуляции MDA и графический режим 640×480, с доступом ч/з битовые плоскости. Режим 640×480 замечателен тем, что в нём применяется квадратный пиксел, то есть соотношение количества пикселов по горизонтали и вертикали совпадает со стандартным соотношением сторон дисплея — 4:3. Далее возник IBM 8514/a с разрешениями 640x480x256 и 1024x768x256, и IBM XGA с текстовым режимом 132×25 (1056×400) и увеличенной глубиной цвета (640x480x65k).

С 1991 г. возникло понятие SVGA (Super VGA — «сверх» VGA) — расширение VGA с добавлением более высоких режимов и дополнительного сервиса, к примеру возможности установить произвольную частоту кадров. Количество одновременно отображаемых цветов растет до 65'536 (High Color, 16 бит) и 16'777'216 (True Color, 24 бита), возникают бонусные текстовые режимы. Из сервисных функций возникает помощь VBE (VESA BIOS Extention — расширение BIOS стандарта VESA). SVGA воспринимается как фактический стандарт видеоадаптера где-то с середины 1992 г., после принятия ассоциацией VESA (Video Electronics Standart Association — ассоциация стандартизации видео-электроники) стандарта VBE версии 1... До того момента почти все видеоадаптеры SVGA были несовместимы м/у собою.

Графический пользовательский интерфейс, появившийся во массы операционных системах, стимулировал новый этап развития видеоадаптеров. Возникает понятие «графический акселератор» (graphics accelerator). Это видеоадаптеры, которые производят исполнение некоторых графических функций на аппаратном уровне. К числу таких функций относятся, перемещение крупных блоков изображения из одного участка дисплея в иной (к примеру при перемещении окна), заливка участков изображения, рисование линий, дуг, шрифтов, помощь аппаратного курсора и т. п. Прямым толчком к развитию настолько специализированного устройства явилось то, что графический пользовательский интерфейс без сомнений удобен, однако его применение требует от центрального процессора немалых вычислительных ресурсов, и современный графический акселератор как раз и призван снять с него львиную долю вычислений по окончательному выводу изображения на экран.

Устройство
Современная видеокарта состоит из последующих частей:

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 в общей сложности устройства. Современные графические процессоры по сложности мало чем уступают центральному процессору компьютера, и чаще всего превосходят его по числу транзисторов. Архитектура современного GPU как правило предполагает наличие некоторого количества блоков обработки информации, а именно: блок обработки 2d-графики, блок обработки 3d-графики, в собственную очередь, как правило разделяющийся на геометрическое ядро (плюс кэш вершин) и блок растеризации (плюс кэш текстур) и др.
видеоконтроллер — отвечает за создание изображения в видеопамяти, даёт команды RAMDAC на создание сигналов развёртки для монитора и производит обработку запросов центрального процессора. За исключением этого, как правило присутствуют контроллер внешней шины данных (к примеру, PCI или AGP), контроллер внутренней шины данных и контроллер видеопамяти. Ширина внутренней шины и шины видеопамяти как правило более, чем внешней (64, 128 или 256 разрядов против 16 или 32), во многие видеоконтроллеры встраивается ещё и RAMDAC. Современные графические адаптеры (ATI, Nvidia) как правило имеют не меньше 2-х видеоконтроллеров, работающих независимо друг от друга и управляющих одновременно одним или несколькими дисплеями любой.
видеопамять — выполняет роль кадрового буфера, в коем хранится изображение, генерируемое и всегда изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора (или некоторого количества мониторов). В видеопамяти хранятся к тому же промежуточные невидимые на экране элементы изображения и иные данные. Видеопамять бывает некоторого количества типов, различающихся по скорости доступа и служебной частоте. Современные видеокарты комплектуются памятью типа DDR, DDR2 или GDDR3. Нужно тоже иметь в виду, что кроме видеопамяти, находящейся на видеокарте, современные графические процессоры как правило применяют в собственной работе часть общей системной памяти компьютера, прямой доступ к которой организуется драйвером видеоадаптера ч/з шину AGP или PCIE.
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 лишь параметрами RAMDAC. К тому же RAMDAC имеет 4 главных блока — 3 цифроаналоговых преобразователя, по одному на любой цветовой канал (алый, зеленоватый, синий, RGB), и SRAM для хранения данных о гамма-коррекции. Большая часть ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал — получается по 256 уровней яркости на любой основной цвет, что в сумме дает 16,7 млн. цветов (а за счёт гамма-коррекции есть возможность отображать исходные 16,7 млн. цветов в всерьез большее цветовое пространство). Отдельные RAMDAC имеют разрядность по каждому каналу 10 бит (1024 ур. яркости), что дает возможность немедленно отображать более 1 млрд. цветов, однако эта возможность почти не применяется. Для помощи II-го монитора нередко устанавливают II-й ЦАП. Надо заметить, что мониторы и видеопроекторы, подключаемые к цифровому DVI выходу видеокарты, для преобразования потока цифровых данных применяют собственные цифроаналоговые преобразователи и от параметров ЦАП видеокарты не зависят.
видео-ПЗУ (Video ROM) — постоянное запоминающее устройство, в которое записаны видео-BIOS, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п. ПЗУ не применяется видеоконтроллером напрямую — к нему обращается лишь центральный процессор. Хранящийся в ПЗУ видео-BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до загрузки основной операционной системы, и содержит системные данные, которые могут читаться и интерпретироваться видеодрайвером в ходе работы (в зависимости от применяемого способа разделения ответственности м/у драйвером и BIOS). На массы современных картах устанавливаются электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEРROM, Flash ROM), допускающие перезапись видео-BIOS самим пользователем с помощью особой утилиты.
система охлаждения — предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и видеопамяти в допустимых пределах.

Полнофункциональная и правильная работа современного графического адаптера обеспечивается при помощи видеодрайвера — специального программного обеспечения, поставляемого производителем видеокарты и загружаемого в ходе запуска операционной системы. Видеодрайвер выполняет функции интерфейса м/у системой с запущенными в ней приложениями и видеоадаптером. Так же как и видео-BIOS, видеодрайвер организует и программно контролирует работу всех частей видеоадаптера ч/з особые регистры управления, доступ к которым случается ч/з соответствующую шину.

Параметры

ширина шины памяти, измеряется в битах — число бит информации, передаваемой за такт. Важный параметр в производительности карты.
число видеопамяти, измеряется в мегабайтах — встроенная оперативная память на самой плате, значение показывает, какой объём информации может хранить графическая плата.
частоты ядра и памяти — измеряются в мегагерцах, чем более, тем скорее видюха будет обрабатывать информацию.
техпроцесс — технология печати, указывается типичный размер, измеряемый в нанометрах (нм), современные карты выпускаются по 90- , 80- 65 или 55-нм нормам техпроцесса. Чем менее данный параметр, тем более элементов возможно уместить на кристалле.
пиксельная и текстурная скорость заполнения, измеряется в млн. пикселов в сек., показывает число выводимой в информации в единицу времени.
выводы карты — изначально видеоадаптер имел в общей сложности 1 разъём VGA (15-контактный D-Sub). Сейчас платы оснащают одним или 2-мя разъёмами DVI или HDMI, или Display Port. Порты D-SUB, DVI и HDMI являются эволюционными стадиями развития стандарта передачи видеосигнала, потому для соединения устройств с этими типами портов вероятно применение переходников. Dispay Port дает возможность подключать до 4-х устройств, в частности акустические системы, USB-концентраторы и другие устройства ввода-вывода. На видеокарте к тому же вероятно размещение композитных и S-Video видеовыходов и видеовходов (обозначаются, как VIVO)

Поколения 3d-ускорителей

Поколения ускорителей в видеокартах возможно считать по версии DIRECTX, которую они поддерживают. Различают следующие поколения:

DIRECTX 7 — карта не поддерживает шейдеры, все картинки рисуются наложением текстур;
DIRECTX 8 — помощь пиксельных шейдеров версий 1., 1.1 и 1.2, в DX 8.1 ещё и версию 1.4, помощь вершинных шейдеров версии 1.;
DIRECTX 9 — помощь пиксельных шейдеров версий 2., 2.0a и 2.0b, 3.;
DIRECTX 10 — помощь унифицированных шейдеров версии 4.;
DIRECTX 10.1 — помощь унифицированных шейдеров версии 4.1.

К тому же поколения ускорителей в видеокартах возможно считать по версии OPENGL , которую они поддерживают:

OPENGL 1.
OPENGL 1.2
OPENGL 1.4
OPENGL 2.
OPENGL 2.1

Интерфейс

I-е препятствие к повышению быстродействия видеосистемы — интерфейс передачи данных, к которому подключён видеоадаптер. Как бы ни был быстр процессор видеоадаптера, большая часть его возможностей останется незадействованной, если не будут обеспечены соответствующие каналы обмена информацией м/у ним, центральным процессором, оперативной памятью компьютера и дополнительными видеоустройствами. Основным каналом передачи данных является, естественно, интерфейсная шина материнской платы, ч/з которую обеспечивается обмен данными с центральным процессором и оперативной памятью. Самой I-ой шиной использовавшейся в IBM ПК была XT-Bus, она имела разрядность 8 бит данных и 20 бит адреса и работала на частоте 4,77 МГЦ. Дальше возникла шина ISA (Industry Standart Architecture — архитектура промышленного стандарта), соответственно она имела разрядность 16/24 бит и работала на частоте 8 МГЦ. Пиковая пропускная возможность составляла чуть более 5,5 МИБ/с. Этого более чем хватало для показа текстовой информации и игр с шестнадцатицветной графикой. Дальнейшим рывком явилось появление шины MCA (Micro Channel Architecture) в новой серии компьютеров PS/2 компании IBM. Она уже имела разрядность 32/32 бит и пиковую пропускную возможность 40 МИБ/с. Однако то обстоятельство, что архитектура MCI являлась закрытой (собственностью IBM), побудило прочих изготовителей искать другие пути увеличения пропускной умения основного канала доступа к видеоадаптеру. И тут, с появлением процессоров серии 486, было предложено юзать для подключения периферийных устройств локальную шину самого процессора, в итоге родилась VLB (VESA Local Bus — локальная шина стандарта VESA). Работая на внешней тактовой частоте процессора, которая составляла от 25 МГЦ до 50 МГЦ, и имея разрядность 32 бит, шина VLB обеспечивала пиковую пропускную возможность возле 130 МИБ/с. Этого уже было достаточно для всех существовавших приложений, кроме того возможность эксплуатации её не только лишь для видеоадаптеров, наличие 3-х слотов подключения и обеспечение обратной совместимости с ISA (VLB представляет собою просто ещё 1 116 контактный разъём за слотом ISA) гарантировали ей довольно долгую жизнь и поддержку многими производителями чипсетов для материнских плат, и периферийных устройств, даже невзирая на то, что при частотах 40 МГЦ и 50 МГЦ обеспечить работу даже 2-х устройств подключенных к ней представлялось проблематичным из-за чрезмерно высокой нагрузки на каскады центрального процессора (ведь больше всего управляющих цепей шло с VLB на процессор напрямую, безо всякой буферизации). И всё-таки, с учётом того, что не только лишь видеоадаптер стал настойчиво просить высокую скорость обмена информацией, и явной невозможности подключения к VLB всех устройств (и необходимостью наличия межплатформенного решения, не ограничивающегося лишь ПК), была разработана шина PCI (Periferal Component Interconnect — объединение внешних компонентов) появившаяся, прежде всего, на материнских платах для процессоров Пень. С позиции производительности на платформе ПК всё осталось по-прежнему — при тактовой частоте шины 33 МГЦ и разрядности 32/32 бит она обеспечивала пиковую пропускную возможность 133 МИБ/с — столько же, сколько и VLB. Хотя она была удобнее и в конечном счете вытеснила шину VLB и на материнских платах для процессоров класса 486.

С появлением процессоров Интел Пень II, и серьёзной заявкой ПК на принадлежность к рынку высокопроизводительных рабочих станций, а так же с появлением 3d-игр со непростой графикой, стало понятно, что пропускной умения PCI в том виде, в каком она существовала на платформе ПК (как правило частота 33 МГЦ и разрядность 32 бит), в скором времени не хватит на удовлетворение запросов системы. По этой причине фирма Интел решила сделать отдельную шину для графической подсистемы, несколько модернизировала шину PCI, обеспечила новой получившейся шине отдельный доступ к памяти с поддержкой некоторых особенных запросов видеоадаптеров, и назвала это AGP (Accelerated Graphics Port — ускоренный графический порт). Разрядность шины AGP составляет 32 бит, рабочая частота 66 МГЦ, поддерживаются режимы передачи данных 1x, 2x, 4x, 8x, в таких режимах за 1 такт передаются соответственно одно, 2, 4 или 8 32-разрядных слов. Пиковая пропускная возможность в режиме 1x — 266 МИБ/с. Современные видеоплаты выпускаются с интерфейсами AGP 8x, с пропускной способностью 2,1 Гбайт/с соответственно. Хотя и шина AGP уже не удовлетворяет современным требованиям и, более того, не может обеспечить необходимую мощь питания. Для решения таких проблем создано расширение шины PCI — PCI Express, это последовательный, в отличие от AGP, интерфейс, его пропускная возможность может достигать 8 ГБ/с. На сегодняшний день произошёл почти полный отказ от шины AGP в пользу PCI Express.

Видеопамять

За исключением шины данных, II-е узкое место любого видеоадаптера — пропускная возможность (англ. bandwidth) памяти самого видеоадаптера. При этом, с самого начала сложность появилась даже не столько из-за скорости обработки видеоданных (это теперь нередко стоит сложность информационного «голода» видеоконтроллера, когда он данные обрабатывает скорее, чем успевает их фтыкать/писать из/в видеопамять), сколько из-за потребности доступа к ним с позиции видеопроцессора, центрального процессора и RAMDAC’а. Дело в том, что при высоких разрешениях и огромной глубине цвета для показа страницы дисплея на мониторе требуется прочесть все эти данные из видеопамяти и преобразовать в аналоговый сигнал, который и пойдёт на монитор, столько раз в сек., сколько кадров в сек. показывает монитор. Возьмём объём одной страницы дисплея при разрешении 1024×768 точек и глубине цвета 24 бит (True Color), это составляет 2,25 МИБ. При частоте кадров 75 Гц требуется считывать эту страницу из памяти видеоадаптера 75 раз в сек. (считываемые пикселы передаются в RAMDAC и он преобразовывает цифровые данные о цвете пиксела в аналоговый сигнал, поступающий на монитор), при этом, ни задержаться, ни пропустить пиксел нельзя, следовательно, номинально потребная пропускная возможность видеопамяти для данного разрешения составляет примерно 170 МИБ/с, и это без учёта того, что требуется и самому видеоконтроллеру писать и фтыкать данные из этой памяти. Для разрешения 1600x1200x32 бит при той же частоте кадров 75 Гц, номинально потребная пропускная составляет уже 550 МИБ/с, для сравнения, процессор Пень-2 имел пиковую скорость работы с памятью 528 МИБ/с. Проблему возможно было решать двояко — или юзать особые типы памяти, которые позволяют одновременно 2-м устройствам фтыкать из неё, или ставить весьма быструю память. О типах памяти и пойдёт речь ниже.

FPM DRAM (Fast Page Mode Dynamic RAM — динамическое ОЗУ с быстрым страничным доступом) — основной тип видеопамяти, идентичный применяемой в системных платах. Использует асинхронный доступ, при коем управляющие сигналы не привязаны жёстко к тактовой частоте системы. Активно применялся приблизительно до 1996 г.

VRAM (Video RAM — видео ОЗУ) — так называемая двухпортовая DRAM. Этот тип памяти обеспечивает доступ к данным с позиции тут же 2-х устройств, то есть есть возможность одновременно писать данные в какую-или ячейку памяти, и одновременно с этим фтыкать данные из какой-либо соседней ячейки. За счёт этого дает возможность совмещать во времени вывод изображения на экран и его обработку в видеопамяти, что сокращает задержки при доступе и повышает скорость работы. То есть RAMDAC может свободно выводить на экран монитора раз за разом экранный буфер ничуть не мешая видеопроцессору осуществлять какие-нибудь манипуляции с данными. Однако хотя это всё та же DRAM и скорость у неё не чересчур высокая.

WRAM (Window RAM) — вариант VRAM, с увеличенной на ~25 % пропускной способностью и поддержкой некоторых нередко применяемых функций, таких как отрисовка шрифтов, перемещение блоков изображения и т. п. Применяется почти лишь на акселераторах компании Matrox и Number Nine, так как требует специальных методов доступа и обработки данных. Наличие в общей сложности одного изготовителя данного типа памяти (Samsung) весьма сократило возможности её эксплуатации. Видеоадаптеры, построенные с использованием данного типа памяти, не имеют тенденции к падению производительности при установке крупных разрешений и частот обновления дисплея, на однопортовой же памяти в этих ситуациях RAMDAC всё большее время занимает шину доступа к видеопамяти и производительность видеоадаптера может весьма свалиться.

EDO DRAM (Extended Data Out DRAM — динамическое ОЗУ с расширенным временем удержания данных на выходе) — тип памяти с элементами конвейеризации, дающий возможность несколько ускорить обмен блоками данных с видеопамятью около на 25 %.

SDRAM (Synchronous Dynamic RAM — синхронное динамическое ОЗУ) пришёл на замену EDO DRAM и иных асинхронных однопортовых типов памяти. Затем, как произведено I-е чтение из памяти или I-я пост в память, последующие операции чтения или записи случаются с нулевыми задержками. Этим достигается в максимальной степени возможная скорость чтения и записи данных.

DDR DRAM (Double Data Rate) — вариант SDRAM с передачей данных по 2-м срезам сигнала, получаем в итоге удвоение скорости работы. Последующее развитие пока случается в виде очередного уплотнения количества пакетов в одном такте шины (DDR2, QDDR и т. п.)

SGRAM (Synchronous Graphics RAM — синхронное графическое ОЗУ) вариант DRAM с синхронным доступом. В принципе, деятельность SGRAM целиком аналогична SDRAM, однако дополнительно поддерживаются ещё определенные специфические задачи, вроде масочной и блоковой записи. В отличие от VRAM и WRAM, SGRAM является однопортовой, хотя может открывать 2 страницы памяти как одну, эмулируя двухпортовость иных видов видеопамяти.

MDRAM (Multibank DRAM — многобанковое ОЗУ) — вариант DRAM, разработанный компанией MOSYS, организованный в виде множества независимых банков объёмом по 32 КИБ любой, работающих в конвейерном режиме.

RDRAM (RAMBUS DRAM) память использующая особый канал передачи этих (Rambus Channel), представляющий собою шину этих шириной в 1 байт. По этому каналу удаётся передавать информацию крайне огромными потоками, высочайшая скорость передачи этих для одного канала на сегодняшний миг делает 1600 МИБ/с (частота 800 МГЦ, данные передаются по обоим срезам импульса). На 1 подобный канал возможно подключить несколько чипов памяти. Контроллер данной памяти работает с одним каналом Rambus, на одной микросхеме логики возможно расположить 4 подобных контроллера, означает в теории возможно поддерживать до 4 подобных каналов, обеспечивая максимальную пропускную способность в 6,4 ГИБ/с. Минус данной памяти — требуется фтыкать информацию огромными блоками, в противном случае её производительность внезапно падает.

Желательно оставить комментарий, также можно поставить трэкбек со своего блога или сайта.

Написать сообщение

Яндекс.Метрика