Графический адаптер: назначение, организация, характеристики

Видеосистема PC ориентирована на растровый метод вывода изображения.

Растровый метод подразумевает, что некий рисующий инструмент, способный оставлять видимый след, сканирует всю поверхность, на которую выводится изображение. Траектория движения инструмента постоянна и не зависит от выводимого изображения, но инструмент может рисовать, а может и не рисовать отдельные точки траектории. Видимое изображение образуется оставляемыми им точками. В случае видеомонитора инструментом является модулированный луч (или три луча базисных цветов), построчно сканирующий экран и вызывающий свечение люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность экрана. Каждая строка растра разбивается на некоторое количество точек – пикселов, засветкой каждой из которых по отдельности может управлять устройство, формирующее изображение (например, графическая карта).

Видеомонитор является растровым устройством вывода динамически изменяемых изображений. Его луч сканирует экран с частотой, которая не должна позволять глазу видеть мерцание изображения. Ориентировочная минимальная частота кадров, при которой человек перестает воспринимать картинки по отдельности, равна 50 Гц (соответствует критической частотой слияния мельканий).

Итак, у нас имеется матрица точек экрана, образованная горизонтальными строками растра (номер строки – вертикальная координата матрицы) и точками разложения строки (номер точки в строке – горизонтальная координата матрицы). Матрица сканируется построчным или чересстрочным образом, и во время прямого хода луча по видимым строкам графический адаптер должен формировать сигналы управления яркостью базисных цветов монитора (или одного сигнала яркости в монохромном варианте). За это время последовательно (и синхронно с ходом луча) должна выводиться информация о яркости и цвете всех точек данной строки. Синхронизация обеспечивается формированием горизонтальных и вертикальных синхроимпульсов. Таким образом, графический адаптер является задающим устройством, а монитор со своими генераторами разверток должен вписаться в заданные параметры синхронизации.

Существует два основных режима вывода информации – графический и символьный (текстовый). Первые дисплейные адаптеры из-за технических ограничений на доступный объем памяти адаптера работали в символьном режиме. Современные адаптеры в основном работают в графическом режиме, текстовый режим используется только до загрузки ОС. В графическом режиме имеется возможность индивидуального управления свечением каждой точки экрана монитора независимо от состояния остальных. В графическом режиме каждой точке экрана – пикселу – соответствует ячейка специальной памяти, которая сканируется схемами адаптера синхронно с движением луча монитора. Точнее, физически движение луча вторично, так как монитор можно и не подключать, а графический адаптер все равно будет сканировать память, но логически вся конструкция строится исходя именно из поведения монитора. Эта постоянно циклически сканируемая (с кадровой частотой) память называется видеопамятью (video memory). Процесс постоянного сканирования видеопамяти называется регенерацией изображения.

В символьном, или текстовом, режиме формирование изображения происходит несколько иначе. Если в графическом режиме каждой точке экрана соответствует своя ячейка видеопамяти, то в текстовом режиме ячейка видеопамяти хранит информацию о символе, занимающем на экране знакоместо определенного формата. Знакоместо представляет собой матрицу точек, в которой может быть отображен один из символов определенного набора. Здесь умышленно применяется слово «точка», а не «пиксел», поскольку пиксел является сознательно используемым элементом изображения, в то время как точки разложения символа в общем случае программиста не интересуют. В ячейке видеопамяти хранятся код символа, определяющий его индекс в таблице символов, и атрибуты символа, определяющие способ его отображения. К атрибутам относятся цвет фона, цвет символа, инверсия, мигание и подчеркивание символа.

Современная видеокарта состоит из следующих 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 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.

· 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.

· 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, GDDR2, 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 Uniform Memory Access в качестве видеопамяти используется часть системной памяти компьютера.

· 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.

· 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.

· система охлаждения – предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и видеопамяти в допустимых пределах.

Характеристики графических адаптеров:

· ширина шины памяти, измеряется в битах – количество бит информации, передаваемой за такт. Важный параметр в производительности карты.

· объём видеопамяти, измеряется в мегабайтах (64, 128, 256, 512 Мб) – 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 (250, 325, 500 MHz) и памяти (400, 650 MHz) – измеряются в мегагерцах, чем больше, тем быстрее видеокарта будет обрабатывать информацию.

· текстурная и пиксельная скорость заполнения (1, 1.4 гигапикселей/c), измеряется в млн. пикселов в секунду, показывает количество выводимой информации в единицу времени.

· тип памяти (DDR, GDDR).

Поколения ускорителей в видеокартах можно считать по версии DirectX, которую они поддерживают (DirectX 11 – поддержка унифицированных шейдеров версии 5.0). Также поколения ускорителей в видеокартах можно считать по версии OpenGL, которую они поддерживают (OpenGL 4.2).

Одним из решений для ускорения работы графической системы стало применение технологии MMX (Multi Media Extension), разработанной фирмой Intel. Дальнейшим развитием расширения возможностей графики, интегрированной в центральный процессор, явилась разработка фирмой AMD технологии 3Dnow!, а затем разработка фирмой Intel технологии SSE (Streaming SIMD Extensions).