 |
|
Компоненты видеосистемы
Краткая общая история
Первые микрокомпьютеры представляли собой небольшие блоки, в которых практически не было средств индикации. Все, что имел в своем распоряжении пользователь, — это набор мигающих светодиодов или возможность распечатки результатов на принтере. Общение пользователя с компьютером осуществлялось через телетайп или пишущую машинку. С появлением монитора компьютер стал гораздо привлекательнее для широкой аудитории пользователей.
Система отображения компьютера состоит из двух главных компонентов:
• монитора (дисплея);
• видеоадаптера (называемого также видеоплатой или графической платой).
Видеоадаптеры
Видеокарта (графическая плата, графический ускоритель, графическая карта, видеоадаптер) (англ. videocard) — устройство, предназначенное для формирования графического изображения и преобразования его в видеосигнал для монитора.
Компоненты видеосистемы
Для работы видеоадаптера необходимы следующие основные компоненты:
графический процессор (GPU) — занимается расчетами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчеты для обработки команд трехмерной 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 их по числу транзисторов. Архитектура современного GPU обычно предполагает наличие нескольких блоков обработки информации, а именно: блок обработки 2D графики, блок обработки 3D графики, в свою очередь, обычно разделяющийся на несколько составных частей.
видеоконтроллер — отвечает за формирование изображения в видеопамяти, дает команды RAMDAC на формирование сигналов развертки 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 шире внешней (64, 128 или 256 разрядов против 16 или 32), во многие видеоконтроллеры встраивается еще 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.
видеопамять — выполняет роль кадрового буфера, в котором хранится в цифровом формате 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 или GDDR3. 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 PCI-E.
цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП — RAMDAC) — 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, синий, зеленый, 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 (и за счет гамма коррекции есть возможность отображать исходные 16.7 млн. цветов в гораздо большее цветовое пространство). Некоторые RAMDAC имеют разрядность по каждому каналу 10bit (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.
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 (EEРROM, Flash ROM), допускающие перезапись видео-BIOS самим пользователем при помощи специальной программы.
поколение 3D-ускорителя (аппаратная поддержка) — поколения ускорителей в видеокартах можно считать по версии DirectX, которую они поддерживают. Различают следующие поколения:
DirectX 7 — карта не поддерживает шейдеры, все картинки рисуются наложением текстур;
DirectX 8 — поддержка пиксельных шейдеров версий 1.0, 1.1 и 1.2;
DirectX 8.1 — поддержка пиксельных шейдеров 1.4, поддержка вершинных шейдеров версии 1.0;
DirectX 9 — поддержка пиксельных шейдеров версий 2.0, 2.0a и 2.0b, 3.0;
DirectX 10 — поддержка унифицированных шейдеров версии 4.0;
DirectX 10.1 — поддержка унифицированных шейдеров версии 4.1;
DirectX 11 — поддержка унифицированных шейдеров версии 5.0.
Также поколения ускорителей в видеокартах можно считать по версии OpenGL, которую они поддерживают.
интерфейс подключения к системной плате— тип интерфейса, через который происходит взаимодействие с материнской платой: ISA, VLB, PCI, AGP (3 поколения) и PCI-Express-16.
интерфейс подключения к монитору— тип интерфейса, через который происходит взаимодействие с монитором: VGA, DVI, HDMI и др.
система охлаждения — предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и видеопамяти в допустимых значениях.
программный драйвер (видеодрайвер, драйвер видеокарты) — существенный элемент видеосистемы, с помощью которого осуществляется связь программного обеспечения с видеоадаптером. Ваш видеоадаптер может быть оснащен самым быстрым процессором и наиболее эффективной памятью, но плохой драйвер способен свести на нет все эти преимущества. Приложения DOS непосредственно управляют оборудованием, и обычно в их состав входят собственные драйверы для различных типов видеоадаптеров. Все приложения для Windows используют единый драйвер, установленный в самой операционной системе (поскольку только в таком случае приложения могут использовать обращения к функциям операционной системы для управления видеоадаптером). Видеодрайвер также обеспечивает интерфейс, который используется для настройки методов управления дисплеем, применяемых адаптером (вкладка свойства экрана).
Видеотандемы
Первые объединения видеокарт в тандем были осуществлены ныне покойной компанией 3dfx с ее 3D-картами Voodoo2 на шине PCI в 1998 году. За последующие годы технологии настолько умчались вперед, что любая интегрированная в чипсет графика стала обгонять по производительности тогдашние внешние тандемы из монструозных «видюх».
Современный альянс двух одновременно работающих видеокарт появился даже не с приходом в 2004 году графической шины PCI Express x16. В 2005 году сложилось такая ситуация, когда флагманский акселератор от компании ATI (Radeon X800 XT Platinum Edition) обгонял по производительности NVIDIA (GeForce 6800 Ultra), вдобавок потребляя при этом гораздо меньше энергии. Тогда специалисты NVIDIA всерьез взялись за технологию, которая бы позволила объединить две топ-карты в единый тандем. В итоге NVIDIA удалось формально отыграться по скорости (хотя, разумеется, пару ревущих кулерами видеомонстров нельзя было назвать практичным решением), сохранить престиж и главное, положить начало «гонке вооружений», к которой позже подключилась и ATI. Технологии NVIDIA SLI и ATI CrossFire отличаются в деталях реализации и несовместимы (в каждом случае требуется материнская плата со своим чипсетом, причем чипсетов, официально поддерживающих обе технологии, на сегодня не существует, и вряд ли будет существовать).
SLI
NVIDIA, гонясь за ATI и возрождая технологию SLI, решила оставить буквы аббревиатуры, когда-то принадлежавшие 3dfx (которую она купила в 2000 году), без изменений. Вот только расшифровка изменилась. Первоначально (в эпоху Voodoo Graphics) аббревиатура расшифровывалась как Scan Line Interleaving, что подразумевало чересстрочное формирование картинки (нечетными строками кадра занимался первый ускоритель, четными — второй), современная же версия устроена сложнее и поддерживает несколько режимов.
Теперь SLI — это Scalable Link Interface (масштабируемый соединительный интерфейс). В SLI можно объединить две графические карты на любых процессорах GeForce (начиная с 6-го поколения — GeForce 6600 и старше). Установленные в соседние слоты карты дополнительно соединяются между собой специальным мостиком (SLI-bridge), через который на скорости до 1Гбайта/с. идет обмен данными между графическими процессорами. Использование мостика позволяет снять нагрузку с основной шины (PCI Express) и является обязательным, когда в SLI объединяются видеокарты на старших графических процессорах, а недорогие вполне обходятся основной шиной.
Соединять между собой можно только видеокарты с одинаковыми процессорами (например, GeForce 7600 GT). Первоначально требовались и вовсе две идентичные, но сейчас, после отладки драйверов, допускаются карты разных производителей. Если пользователь правильно установил карты в PCI Express-разъемы, переключил соответствующую перемычку на системной плате (актуально для старых моделей, в новых зачастую достаточно сделать правки в BIOS) и поставил самые последние драйверы, то до включения SLI-режима в операционной системе должны быть видны (Мой Компьютер > Свойства > Оборудование > Диспетчер устройства > Видеоадаптеры) две видеокарты. А после установки галочки в поле «Включить многопроцессорный режим SLI» карта станет единственной.
Видеокарты, объединенные в SLI, работают в двух режимах: AFR (Alternate Frame Rendering) и SFR (Split Frame Rendering). В случае с AFR каждый адаптер обрабатывает свой кадр. Так, одна видеокарта «считает» четные кадры, другая — нечетные, как это было в эпоху Voodoo Graphics. При такой схеме работы процессор ПК отправляет ведущей карте запрос на обработку первого кадра, а ведомой сразу же — запрос на обработку второго кадра. При SFR картинка делится на две части, но не пополам, а так, чтобы уравновесить нагрузку на обе видеокарты.
Какой режим лучше, эффективнее или чаще используется? Выбор делает не пользователь, а программисты, работающие над той или иной программой или патчем к ней. Так же многое зависит от версии драйверов NVIDIA. Чем они свежее, тем, как правило, эффективнее становится распределение нагрузки и возрастает скорость работы.
CrossFire
Технология CrossFire (CF), созданная ATI в ответ на SLI, также позволяет объединять 2 видеокарты, но есть и отличия. Вместо моста, соединяющего две видеокарты, первоначально использовалось соединение через разъемы DMS-59 (DVI) с помощью специального внешнего кабеля. В настоящее время ATI (уже в составе AMD) для видеокарт семейств Radeon X1650 и X1950 ввела очень похожий на NVIDIA SLI метод соединения: также с помощью внутреннего мостика. Причем решение ATI получилось даже с более высокой пропускной способностью.
По аналогии со SLI, для организации CF нужны соответствующая материнская плата и чипсет. Впрочем, CF поддерживают не только «родные» наборы логики от самой ATI, но и от Intel, а именно, чипсеты P965 и 975.
У CrossFire — не два, а три режима для обработки трехмерной сцены: AFR, SFR и так называемый тайловый метод — когда кадр разбивается на фрагменты, которые распределяются между двумя ускорителями. Чтобы лучше понять, представьте разделение экрана на клетки, как на шахматной доске. Так вот, один из ускорителей подсчитывает «белые» квадратики, другой — «черные». Такой метод, как показала практика, позволяет добиться почти идеального разделения нагрузки между графическими процессорами, но создает большую нагрузку на память, потому что во многих сценах образуются дважды накладываемые текстуры, которым нужно больше свободного места в видеопамяти.
При работе CF код программы и/или драйвер видеокарты выбирают какой режим обработки изображения включить. В этом отношении точно такая же картина, что и с SLI. Только грамотная оптимизация игр и драйверов может дать желанный прирост производительности.
MultiChrome
Единственный оставшийся в живых разработчик видеопроцессоров (исключая ATI и NVIDIA, а также Intel, которая не производит видеокарты, а занимается встроенными решениями), компания S3 тоже не стоит в стороне и представляет технологию MultiChrome — аналог SLI и CrossFire. Два графических адаптера Chrome S27 собственного производства в сумме достигают 6891 очков в 3DMark05, что на 78% лучше результата для режима с одной видеокартой (3862 очка). Тесты проведены на ничем не примечательной материнской плате Aopen i975Xa-YDG на чипсете i975X. Это одно из доказательств того, что универсальная шина PCI Express стала фундаментом для построения видеотандемов от любых производителей, чего нельзя было ожидать от прежнего стандарта (AGP). Но, к сожалению, в свободной продаже, помимо решений AMD (ATI) и NVIDIA, вы едва ли что-то встретите — современный рынок игровых видеокарт предполагает конкуренцию между сильнейшими, а таких компаний на сегодня осталось две.