 |
|
Адаптер VGA Video Graphics Array
Видеокарта
Видеокарта (известна также как графическая плата, графическая карта, видеоадаптер) (англ. videocard) - устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора.
Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в разъем расширения, универсальный ( ISA, VLB,PCI,PCI-Express ) или специализированный ( AGP ), но бывает и встроенной (интегрированной).
Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический микропроцессор, который может производить дополнительную обработку, разгружая от этих задач центральный процессор компьютера. Например, все современные видеокарты NVIDIA и AMD(ATi) поддерживают приложения OpenGL на аппаратном уровне.
Видео карты имеют следующие стандарты
| Расшифровка | |||
| MDA | Monochrome Display Adapter | IBM PC | |
| HGC | Hercules Graphics Controller -графический адаптер Геркулес | Hercules | |
| CGA | Color Graphics Adapter | IBM | |
| EGA | Enhanced Graphics Adapter | IBM | |
| MCGA | Multicolor Graphics Adapter | IBM | |
| VGA | Video Graphics Array | IBM | |
| SVGA | Super VGA - "сверх" VGA |
Адаптер VGA Video Graphics Array
В компьютерах PS/2 большинство схем видеоадаптера расположены на системной плате. Этот видеоадаптер содержит все электронные схемы, необходимые для поддержки спецификации VGA, на одной полноразмерной плате с 8-битовым интерфейсом.
BIOS VGA - это программа, предназначенная для управления схемами VGA. Через BIOS программы могут инициировать некоторые процедуры и функции VGA, не обращаясь при этом к адаптеру.
Вся аппаратура VGA обеспечивает отображение до 256 оттенков на экране из палитры в 262 144 цвета (256 Кбайт). Для этого используется аналоговый монитор.
Если при загрузке системы возникают проблемы, то она загружается в безопасном режиме, где по умолчанию используется адаптер VGA в режиме 640x480, 16 цветов.
SuperVGA Super Video Graphics Array. Обеспечивает более высокое разрешение, чем стандарт VGA. Поддерживает режимы работы с разрешением 800?600, 1024?768, 1280?1024 точек (и более) с одновременным выводом на экран 2 в 4, 8, 16, 32 степени количеством цветов.
С адаптерами SVGA различных моделей от разных производителей можно общаться через единый программный интерфейс VESA
Существующий стандарт VESA на платы SVGA предусматривает использование практически всех распространенных вариантов форматов изображения и кодирования цветовых оттенков, вплоть до разрешения 1280x1024 пикселей при 16 777 216 оттенках (24-битовое кодирование цвета).
Современная видеокарта состоит из следующих частей: Bios (Basic Input/Output System - базовая система ввода-вывода). BIOSвидеоадаптера содержит основные команды, которые предоставляют интерфейс между оборудованием видеоадаптера и программным обеспечением. BIOS, которую можно модифицировать с помощью программного обеспечения, называется flash BIOS.
Графический процессор (Graphics processing unit - графическое процессорное устройство) - 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 его как по числу транзисторов, так и по вычислительной мощности, благодаря большому числу универсальных вычислительных блоков. Однако, архитектураGPU 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.
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 больше, чем внешней (64, 128 или 256 разрядов против 16 или 32), во многие видеоконтроллеры встраивается еще иRAMDAC. 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 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.
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.
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 методаразделения 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.
Система охлаждения-предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и видеопамяти в допустимых пределах.
Характеристики
Ширина шины памяти, измеряется в битах - количество бит информации, передаваемой за такт. Важный параметр в производительности карты.
Объем видеопамяти, измеряется в мегабайтах - объем встроенной оперативной памяти видеокарты.
Частоты ядра и памяти - измеряются в мегагерцах, чем больше, тем быстрее видеокарта будет обрабатывать информацию.
Техпроцесс - технология изготовления основных микросхем видеокарты, указывается характерный размер, измеряемый в нанометрах (нм), современные микросхемы выпускаются по 90-, 80- 65 или 55-нм нормам техпроцесса. Чем меньше данный параметр, тем больше элементов можно уместить на кристалле микросхемы.
Текстурная и пиксельная скорость заполнения, измеряется в млн. пикселов в секунду, показывает количество выводимой информации в единицу времени.
Выводы карты - первоначально видеоадаптер имел всего один разъем VGA (15-контактный D-Sub ). В настоящее время платы оснащают одним или двумя разъемами DVI или HDMI, либо Display Port. Порты D-SUB, DVI и HDMI являются эволюционными стадиями развития стандарта передачи видеосигнала, поэтому для соединения устройств с этими типами портов возможно использование переходников. Dispay Port позволяет подключать до четырех 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 ).
Шина интерфейс
Первое препятствие к повышению быстродействия видеосистемы - это интерфейс передачи данных, к которому подключен видеоадаптер. Самой первой шиной использовавшейся в IBM PC была XT-Bus, она имела разрядность 8 бит данных и 20 бит адреса и работала на частоте 4,77 МГц. Далее появилась шина ISA (Industry Standart Architecture - архитектура промышленного стандарта), соответственно она имела разрядность 16/24 бит и работала на частоте 8 МГц. Пиковая пропускная способность составляла чуть больше 5,5 МиБ/с. Этого болеечем хватало для отображения текстовой информации и игр с шестнадцатицветной графикой. Дальнейшим рывком явилось появление шины MCA (Micro Channel Architecture) в новой серии компьютеров PS/2 фирмы IBM. Она уже имела разрядность 32/32 бит и пиковую пропускную способность 40 МиБ/с. С появлением процессоров серии 486 появилась локальная шина 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 способность около 130 МиБ/с. Видеоадаптер стал требовать высокую скорость обмена информацией, поэтому была разработана шина PCI ( Periferal Component Interconnect - объединение внешних компонентов. Тактовая частота шины 33 МГц и разрядность 32/32 бит, пропускная способность 133 МиБ/с - столько же, сколько и VLB. С появлением 3D -игр со сложной графикой, стало ясно, что пропускной способности PCI в том виде, в каком она существовала на платформе PC недостаточно. Фирма Intel модернизировала шину PCI, обеспечила отдельный доступ к памяти с поддержкой некоторых специфических 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 этих режимах за один такт передаются соответственно одно, два, четыре или восемь 32-разрядных слов. Пиковая пропускная способность в режиме 1x - 266 МиБ/с. Выпуск видеоадаптеров на базе шинах PCI и AGP на настоящий момент ничтожно мал, так как шина AGP перестала удовлетворять современным требованиям для мощности новых ПК, и, кроме того, не может обеспечить необходимую мощность питания. Для решения этих проблем создано расширение шины PCI - E - PCI Express версий 1.0 и 2.0, это последовательный, в отличие от AGP, интерфейс, его пропускная способность может достигать нескольких десятков ГБ/с.
Видеопамять
Кроме шины данных, второе узкое место любого видеоадаптера - это пропускная способность (англ. bandwidth) памяти самого видеоадаптера. Причем, изначально проблема возникла даже не столько из-за скорости обработки видеоданных (это сейчас часто стоит проблема информационного "голода" видеоконтроллера, когда он данные обрабатывает быстрее, чем успевает их читать/писать из/в видеопамять), сколько из-за необходимости доступа к ним со стороны видеопроцессора, центрального процессора и RAMDAC'а. Дело в том, что при высоких разрешениях и большой глубине цвета для отображения страницы экрана на мониторе необходимо прочитать все эти данные из видеопамяти и преобразовать в аналоговый сигнал, который и пойдет на монитор, столько раз в секунду, сколько кадров в секунду показывает монитор. Возьмем объем дной страницы экрана при разрешении 1024x768 точек и глубине цвета 24 бит ( True Color), это составляет 2,25 МиБ. При частоте кадров 75 Гц необходимо считывать эту страницу из памяти видеоадаптера 75 раз в секунду (считываемые пикселы передаются в RAMDAC и он преобразовывает цифровые данные о цвете пиксела в аналоговый сигнал,поступающий на монитор), причем, ни задержаться, ни пропустить пиксел нельзя, следовательно, номинально потребная пропускная способность видеопамяти для данного разрешения составляет приблизительно 170 МиБ/с, и это без учета того, что необходимо и самому видеоконтроллеру писать и читать 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 Pentium-2 имел пиковую скорость работы с памятью 528 МиБ/с. Проблему можно было решать двояко - либо использовать специальные типы памяти, которые позволяют одновременно двум устройствам читать из нее, либо ставить очень быструю память. О типах памяти и пойдет речь ниже.
FPM DRAM (Fast Page Mode Dynamic RAM) - динамическое ОЗУ с быстрым страничным доступом) - основной тип видеопамяти, идентичный используемой в системных платах. Использует асинхронный доступ, при котором управляющие сигналы не привязаны жестко к тактовой частоте системы. Активно применялся примерно до 1996 г.
VRAM (Video RAM - видео ОЗУ) - так называемая двухпортовая DRAM. Этот тип памяти обеспечивает доступ к данным со стороны сразу двух устройств, то есть есть возможность одновременно писать данные в какую-либо ячейку памяти, и одновременно с этим читать данные из какой-нибудь соседней ячейки. За счет 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 все та же DRAM и скорость у нее не слишком высокая.
WRAM (Window RAM) - вариант VRAM, с увеличенной на ~25 % пропускной способностью и поддержкой некоторых часто применяемых функций, таких как отрисовка шрифтов, перемещение блоков изображения и т. п. Применяется практически только на акселераторах фирмыMatrox и Number Nine, поскольку требует специальных методов доступа и обработки данных. Наличие всего одного производителя данного типа памяти ( Samsung ) сильно сократило возможности ее 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 все 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) пришел 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 SGRAMполностью аналогична SDRAM, но дополнительно поддерживаются еще 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 объемом 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 удается 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 ГиБ/с. Минус этой памяти - нужно читать информацию большими блоками, иначе ее производительность резко падает.