Видеокарта

Министерство образования  Российской Федерации

Государственное  образовательное  учреждение

высшего  профессионального  образования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

На тему: Видеокарты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент группы

Проверил ст. преподаватель

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение…………………………………………..……………………………3

1. История……………………………………………………………………..4
2. Устройство………………………………………………………..………..6
3. Характеристики современных видеокарт………………………………..8
4. Режимы работы видеокарт…………………………………………….…10
5. Поколения 3D-ускорителей……………………………………………...11
6. Функции 3D-акселератора………………………………………………..12
7. Интерфейс…………………………………………………………………14
8. Видеопамять………………………………………………………………16
9. Основные производители видеочипов…………………………………..18

Литература…………………………………………………………………....20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Видеока́рта (известна также  как графи́ческая пла́та, графи́ческая ка́рта, видеоада́птер, графический  ада́птер) (англ. videocard) — устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера или самого адаптера, в иную форму, предназначенную для дальнейшего вывода на экран монитора. В настоящее время эта функция утратила основное значение и в первую очередь под графическим адаптером понимают устройство с графическим процессором - графический ускоритель, который и занимается формированием самого графического образа.

Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется  в специальный разъем (ISA, VLB, PCI, AGP, PCI-Express) для видеокарт на материнской  плате. Многие материнские платы  имеют встроенную видеокарту.

Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом  изображения, они имеют встроенный графический процессор, который  может производить дополнительную обработку, снимая эту задачу с центрального процессора компьютера. Например, все  современные видеокарты Nvidia и AMD (ATi) осуществляют рендеринг графического конвейера OpenGL и DirectX на аппаратном уровне. В последнее время также имеет место тенденция использовать вычислительные возможности графического процессора для решения неграфических задач (см. OpenCL).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. История

 

Одним из первых графических  адаптеров для IBM PC стал MDA (Monochrome Display Adapter) в 1981 году. Он работал только в  текстовом режиме с разрешением 80×25 символов (физически 720×350 точек) и  поддерживал пять атрибутов текста: обычный, яркий, инверсный, подчёркнутый и мигающий. Никакой цветовой или графической информации он передавать не мог, и то, какого цвета будут буквы, определялось моделью использовавшегося монитора. Обычно они были чёрно-белыми, янтарными или изумрудными. Фирма Hercules в 1982 году выпустила дальнейшее развитие адаптера MDA, видеоадаптер HGC (Hercules Graphics Controller — графический адаптер Геркулес), который имел графическое разрешение 720×348 точек и поддерживал две графические страницы. Но он всё ещё не позволял работать с цветом.

Первой цветной видеокартой  стала CGA (Color Graphics Adapter), выпущенная IBM и  ставшая основой для последующих  стандартов видеокарт. Она могла  работать либо в текстовом режиме с разрешениями 40×25 и 80×25 (матрица символа — 8×8), либо в графическом с разрешениями 320×200 или 640×200. В текстовых режимах доступно 256 атрибутов символа — 16 цветов символа и 16 цветов фона (либо 8 цветов фона и атрибут мигания), в графическом режиме 320×200 было доступно четыре палитры по четыре цвета каждая, режим высокого разрешения 640×200 был монохромным. В развитие этой карты появился EGA (Enhanced Graphics Adapter) — улучшенный графический адаптер, с расширенной до 64 цветов палитрой, и промежуточным буфером. Было улучшено разрешение до 640×350, в результате добавился текстовый режим 80×43 при матрице символа 8×8. Для режима 80×25 использовалась большая матрица — 8×14, одновременно можно было использовать 16 цветов, цветовая палитра была расширена до 64 цветов. Графический режим также позволял использовать при разрешении 640×350 16 цветов из палитры в 64 цвета. Был совместим с CGA и MDA.

Стоит заметить, что интерфейсы с монитором всех этих типов видеоадаптеров были цифровые, MDA и HGC передавали только светится или не светится точка и дополнительный сигнал яркости для атрибута текста «яркий», аналогично CGA по трём каналам (красный, зелёный, синий) передавал основной видеосигнал, и мог дополнительно передавать сигнал яркости (всего получалось 16 цветов), EGA имел по две линии передачи на каждый из основных цветов, то есть каждый 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, появляется новый графический  адаптер MCGA (Multicolor Graphics Adapter — многоцветный графический адаптер). Текстовое разрешение было поднято до 640x400, что позволило использовать режим 80x50 при матрице 8x8, а для режима 80x25 использовать матрицу 8x16. Количество цветов увеличено до 262144 (64 уровня яркости по каждому цвету), для совместимости с EGA в текстовых режимах была введена таблица цветов, через которую выполнялось преобразование 64-цветного пространства EGA в цветовое пространство MCGA. Появился режим 320x200x256, где каждый пиксел на экране кодировался соответствующим байтом в видеопамяти, никаких битовых плоскостей не было, соответственно с EGA осталась совместимость только по текстовым режимам, совместимость с CGA была полная. Из-за огромного количества яркостей основных цветов возникла необходимость использования уже аналогового цветового сигнала, частота строчной развертки составляла уже 31,5 KГц.

Потом IBM пошла ещё  дальше 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 конца 80-х годов. Добавлены текстовое разрешение 720x400 для эмуляции MDA и графический режим 640x480, с доступом через битовые плоскости. Режим 640x480 замечателен тем, что в нём используется квадратный пиксел, то есть соотношение числа пикселов по горизонтали и вертикали совпадает со стандартным соотношением сторон экрана — 4:3. Дальше появился IBM 8514/a с разрешениями 640x480x256 и 1024x768x256, и IBM XGA с текстовым режимом 132x25 (1056x400) и увеличенной глубиной цвета (640x480x65K).

С 1991 года появилось понятие SVGA (Super VGA — «сверх» VGA) — расширение VGA с добавлением более высоких  режимов и дополнительного сервиса, например возможности поставить  произвольную частоту кадров. Число одновременно отображаемых цветов увеличивается до 65 536 (High Color, 16 бит) и 16 777 216 (True Color, 24 бита), появляются дополнительные текстовые режимы. Из сервисных функций появляется поддержка VBE (VESA BIOS Extention — расширение BIOS стандарта VESA). SVGA воспринимается как фактический стандарт видеоадаптера где-то с середины 1992 года, после принятия ассоциацией VESA стандарта VBE версии 1.0. До того момента практически все видеоадаптеры SVGA были несовместимы между собой.

Графический пользовательский интерфейс, появившийся во многих операционных системах, стимулировал новый этап развития видеоадаптеров. Появляется понятие «графический ускоритель» (graphics accelerator). Это видеоадаптеры, которые производят выполнение некоторых графических функций на аппаратном уровне. К числу этих функций относятся, перемещение больших блоков изображения из одного участка экрана в другой (например при перемещении окна), заливка участков изображения, рисование линий, дуг, шрифтов, поддержка аппаратного курсора и т. п. Прямым толчком к развитию столь специализированного устройства явилось то, что графический пользовательский интерфейс несомненно удобен, но его использование требует от центрального процессора немалых вычислительных ресурсов, и современный графический ускоритель как раз и призван снять с него львиную долю вычислений по окончательному выводу изображения на экран.

Пример домашнего компьютера не-IBM — ZX Spectrum, имеет свою историю  развития видеорежимов.

 

 

 

 

 

 

2. Устройство

 

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 — 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. В случае использования архитектуры UMA 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.

 

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.

 

 

 

 

 

3. Характеристики  современных видеокарт

 

 

Современные видеокарты различаются многими характеристиками, важнейшими из которых являются: тип  и тактовая частота графического процессора; тип, объем и разрядность шины памяти; число блоков шейдеров (отвечающих за визуализацию сложных эффектов и придающих трехмерному изображению большую реалистичность), внешним интерфейсом. Указанные характеристики и определяют общую производительность видеокарты.

Тактовая частота GPU, измеряемая в мегагерцах, определяет количество операций, которые графический процессор  может выполнить за 1 с (для современных  процессоров составляет порядка 400-700 МГц). Помимо тактовой частоты реальная скорость выполнения операций зависит от архитектуры процессора (например, количества конвейеров), а также от скорости обмена процессора с видеопамятью. Причем, объем видеопамяти (от 64 до 512 Мб на 2006) оказывает меньшее влияние на производительность видеосистемы, чем ширина (разрядность) шины видеопамяти, которая указывает на количество одновременно (за 1 такт) передаваемых сигналов и в современных видеокартах обычно составляет 64, 128, 256 или 512 бит. Пропускная способность шины памяти, определяющая ее производительность, зависит не только от разрядности, но и от ее тактовой частоты. Тип видеопамяти также оказывает влияние на производительность. Если ранее в видеокартах использовалась одноканальная память типа SDRAM, то сегодня используется более быстрая двухканальная DDR SDRAM, DDR2 SDRAM или GDDR. Использование современных интерфейсов с более высокой пропускной способностью теоретически должно повышать производительность системы, но на практике производительность видеокарт стандарта PCI-Express не намного отличается от производительности видеокарт на шине AGP. Тем не менее, большинство современных видеокарт изготавливается для шины PCI-Express.

На производительность видеокарты большое значение оказывает  также технологический процесс (техпроцесс) изготовления ее микросхем (прежде всего, графического процессора). Чем меньше размер одного полупроводникового элемента (транзистора), являющегося основным «кирпичиком» микросхемы, тем больше таких элементов может быть задействовано в микросхеме, тем меньше расстояние между ними и больше скорость взаимодействия, выше тактовая частота, меньше потребляемое напряжение и выделяемое тепло (что является весьма чувствительным моментом). Современные видеокарты производятся на основе техпроцесса 130, 90нм и менее.

Для увеличения производительности видеосистемы ПК ведущие производители графических чипов — nVidia и ATI предложили технологии (SLI и Crossfire соответственно), обеспечивающие возможность одновременного использования двух видеокарт на одной материнской плате. Впрочем, согласно тестам при использовании двух идентичных видеокарт двукратного увеличения производительности не наблюдается.

В зависимости от назначения и сферы применения все видеокарты можно условно разделить на три  класса:

1) бюджетные офисные  видеокарты;

2) игровые карты;

3) профессиональные карты  (их также называют OpenGL-ускорителями).

С начала 2000-х на мировом  рынке видеокарт первых двух классов  лидируют фирмы ATi (семейства видеокарт Radeon) и nVIDIA (семейства GeForce). Одной из особенностей современных видеокарт  является реализация в них технологии коррекции инерционности жидкокристаллических мониторов за счет искусственного формирования дополнительного промежуточного изображения между воспроизводимыми кадрами — Overdrive (или также — LCD Overdrive). Среди профессиональных видеокарт в 2003-2004-х бесспорным лидером являлась карта фирмы nVIDIA — Quadro FX 3000. В 2005 ей на смену пришла GeForce 7800GTX.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Режимы работы видеокарт

 

 

Все современные видеоподсистемы  могут работать в одном из двух основных видеорежимов: текстовом или графическом. В текстовом режиме экран монитора разбивается на отдельные символьные позиции, в каждой из которых одновременно может выводиться только один символ. Для преобразования кодов символов, хранимых в видеопамяти адаптера, в точечные изображения на экране служит так называемый знакогенератор, который обычно представляет собой ПЗУ, где хранятся изображения символов, «разложенные» по строкам. При получении кода символа знакогенератор формирует на своем выходе соответствующий двоичный код, который затем преобразуется в видеосигнал. Текстовый режим в современных операционных системах используется только на этапе начальной загрузки.

В графическом режиме для каждой точки изображения, называемой пикселом, отводится от одного (монохромный режим) до 32-бит (цветной). Графический режим часто называют режимом с адресацией всех точек (All Points Addresable), поскольку только в этом случае имеется доступ к каждой точке изображения. Максимальное разрешение и количество воспроизводимых цветов конкретной видеоподсистемы в первую очередь зависят от общего объема видеопамяти и количества бит, приходящихся на один элемент изображения. Существует несколько стандартов видеокарт (см. MDA, Hercules, EGA, VGA, SVGA, Видеорежимы xxxGA).