Karty graficzne Karta graficzna ma za zadanie zarówno

Karty graficzne
Karta graficzna ma za zadanie zarówno wyświetlanie obrazu, jak i aktywne współuczestnictwo w jego
tworzeniu.
I. Budowa karty graficznej
1. RAMDAC (DAC) – układ przetwornika cyfrowo-analogowego zajmujący się wyświetlaniem obrazu,
odczytuje zawarte w pamięci karty w postaci binarnej informacje opisujące:
- kolory poszczególnych pikseli w trybach graficznych
- kody znaków oraz ich atrybuty (kolor, migotanie, itp.) pochodzące z generatora znaków (w trybie tekstowym)
Na podstawie odczytanych informacji RAMDAC generuje sygnały elektryczne sterujące monitorem
analogowym.
Układ RAMDAC zintegrowany jest z procesorem graficznym. Od szybkości pracy tego układu uzależnione
są rozdzielczość obrazu i częstotliwość odchylania pionowego (odświeżania obrazu). Karta graficzna poza
sygnałami RGB generuje impulsy synchronizacji poziomej HS i pionowej VS, Które synchronizują pracę
generatorów odchylania w monitorze ekranowym (tzn. inicjują początek kreślenia nowej linii).
2. Procesor graficzny GPU (akcelerator) – odpowiada za budowanie obrazu w pamięci karty
Na żądanie sterownika programowego wykonuje on podstawowe i najczęściej używane operacje graficzne:
- kreślenie odcinków,
- rysowanie prostokątów,
- wypełnianie i kopiowanie obszarów,
co przyspiesza działanie programów użytkowych i graficznych interfejsów użytkownika (GUI)
W praktyce akcelerator działa z reguły tylko w niektórych wyższych trybach, zaś w trybach o gorszych
parametrach karta działa jako tzw. bufor ramki (frame buffer), tzn. wszystkie operacje graficzne wykonywane
są przez VRAM.
3. Pamięć obrazu Video RAM (VRAM) – przechowuje cyfrowe dane o obrazie.
VRAM jest dwuportową, tzn. mająca osobne wejście dla procesora poprzez PCI lub AGP i wyjście dla
przetwornika RAMDAC odmianą pamięci DRAM.
Typy pamięci stosowanej w kartach graficznych:
- DDR, DDR2, DDR3
- GDDR4, GDDR5 (np. Gigabyte HD5970 2GB 512 PCI-E GDDR5, cena ok 2500 zł)
4. Pamięć ROM – przechowuje dane generatora znaków i oprogramowanie firmowe. Jest to pamięć typu Flash
EEPROM
5. Interfejs wymiany danych i sterowania kartą graficzną (PCI, AGP, PCI-e)
6. Złącza „zewnętrzne” karty (DVI, HDMI, S-Video)
II. Ilość pamięci karty wykorzystywanej do wyświetlenia obrazka o zadanej rozdzielczości i liczbie
kolorów
Rozdzielczość
640x480
800x600
1024x768
1280x1024
16 kolorów
256 kB
256 kB
512 kB
1 MB
256 kolorów
512 kB
512 kB
1 MB
2 MB
16.7 mln. kolorów
2 MB
2 MB
3 MB
6 MB
III. Zasada działania karty graficznej
Procesor zapisuje dane o obrazie w pamieci RAM karty, sterownik zainstalowany na karcie powoduje
przesłanie zawartosci pamieci RAM do przetwornika DAC który przetwarza dane cyfrowe na sygnał
analogowy i przesyła go do monitora.
Tryb graficzny, a tryb tekstowy
Pracę kart graficznych można podzielić na 2 różniące się znacznie tryby: tekstowy i graficzny. Różnica
polega na sposobie interpretacji zawartości pamięci wideo. W trybie tekstowym zawartość pamięci
interpretowana jest jako kody znaków, które należy wyświetlić na ekranie. Zawartość pamięci wideo określa
więc w tym przypadku pośrednio, co ma być wyświetlone na ekranie. Informacja o tym, który piksel ma być
zapalony, a który zgaszony, pochodzi z generatora znaków.
Znaki tworzone są na matrycy znaków.
W trybie graficznym zawartość pamięci wideo jest interpretowana jako bezpośrednie określenie jasności
świecenia każdego piksela
IV. Karty EGA
- wyświetlanie obrazów graficznych w 16 kolorach, przy rozdzielczości 640x350 punktów i dostępnej pamięci
powyżej 128KB
- w trybie tekstowym matryca znaku wynosi 8x14 punktów
- każdemu punktowi na ekranie przyporządkowano 4 bity: jeden bit zawiera informację o kolorze czerwonym,
drugi - o kolorze zielonym, trzeci - o kolorze niebieskim, czwarty - wyznacza poziom jasności
- przy pamięci 256KB – podział pamięci na 4 mapy bitowe (1 mapa odpowiada za kolor czerwony, druga –
zielony, trzecia – niebieski, czwarta – jasność) – czterobitowa informacja IRGB (0000-1111)
- IRGB adresuje jeden z 16 6-bitowych rejestrów palety kolorów
- dane z rejestrów sterują 3 katodami kineskopu
- na każda katodę przypadają po 2 bity dające 4 możliwe nasycenia każdego z kolorów, np dla koloru
czerwonego (RR') mamy 4 możliwe stany 00, 01, 10, 11 (64 możliwe kolory do uzyskania)
- 16 rejestrów pozwala na korzystanie z 16 kolorów z 64 możliwych)
- dla przykładu: kolorowi czerwonemu przypisany jest numer 4 (gdyż IRGB=0100); kombinacja 0100 adresuje
więc rejestr o adresie 4. Do rejestru tego użytkownik może wpisać 6-bitową informację (R'G'B'RGB) o
następujących wartościach: 000100 - "czerwony o pojedynczym nasyceniu", 100000 - "czerwony o podwójnym
nasyceniu" lub 100100 - "czerwony o potrójnym nasyceniu" oraz każdą dowolną kombinację określającą
zupełnie inny kolor. Jeżeli w trakcje realizacji programu użytkownika, zajdzie potrzeba wyświetlenia punktu
"czerwonego" (IRGB=0100), to na ekranie w danym miejscu pojawi się kolor odpowiadający kombinacji
R'G'B'RGB odczytanej z rejestru o numerze 4 (0100).
V. Karta VGA
Tryby pracy karty VGA
Numer
trybu (Hex)
Rozdzielczość
Pole
znaku
Liczba
kolorów
Tryb
0, 1
320x200
8x8
16/256K
tekstowy 40x25
2, 3
640x200
8x8
16/256K
tekstowy 80x25
4, 5
320x200
4/256K
graficzny
6
640x200
2/256K
graficzny
7
720x350
mono
tekstowy 80x25
D
320x200
16/256K
graficzny
E
640x200
16/256K
graficzny
F
640x350
mono
graficzny
10
640x480
16/256K
graficzny
11
640x480
2/256K
graficzny
12
640x480
16/256K
graficzny
13
320x200
256/256K
graficzny
9x14
Zasada dzialania VGA
Pamięć obrazu RAM podzielona jest na cztery mapy bitowe po 64 KB każda. Czterobitowa informacji
wybiera jeden z 16 rejestrów palety. Rejestry te (podobnie jak w EGA) zawierają 6-bitowe numery kolorów
(R'G'B'RGB). W ośmiu pierwszych rejestrach znajduje się informacja o następujących kolorach:
– rej. 0 - kolor czarny (R'G'B'RGB = 000000),
– rej 1 - kolor niebieski (000001),
– rej. 2 - kolor zielony (000010),
– rej. 3- kolor cyan (000011),
– rej. 4 - kolor czerwony (000100),
– rej. 5 - kolor purpurowy (000101),
– rej. 6 - kolor brązowy (000110),
– rej. 7 - kolor biały (000111).
W rejestrach o numerach 8-15 znajdują się te same kolory w wersji rozjaśnionej. Sześciobitowa kombinacja
wybranego rejestru palety adresuje 1 z 64 rejestrów z zestawu 256 rejestrów 18-bitowych w jakie wyposażony
jest VIDEO-DAC. Każdy rejestr tego zestawu podzielony jest na trzy 6-bitowe części. Pierwsza część zawiera
informacje o kolorze czerwonym, druga - o zielonym, trzecia - o niebieskim. Każdy więc podstawowy kolor
opisany jest za pomocą 6 bitów, co pozwala uzyskać 64 poziomy napięć sterujących każdą katodą RGB.
Dzięki temu na ekranie można uzyskać 64 poziomy nasycenia każdego podstawowego koloru (RGB), co po
zmieszaniu daje 64*64*64 = 262144 kolory.
Karty VGA mogą również współpracować z monitorami monochromatycznymi typu Mono-VGA. Dzięki
temu, na ekranie można uzyskać 64 poziomy szarości. Do sterowania takim monitorem wykorzystywane jest
wyjście analogowe G karty VGA (sygnał intensywności koloru zielonego). W tym przypadku niezbędna jest
korekcja zawartości rejestrów przetwornika VIDEO-DAC. Korekcja ta polega na wyliczeniu ważonej sumy
intensywności kolorów podstawowych RGB, zgodnie ze wzorem:
Poziom szarości=0,3R+0,59G+0,11B
VI. Karty SVGA
Karty pracują we wszystkich trybach oryginalnej karty VGA i posiadają ponadto dodatkowe niestandardowe
tryby pracy. Karta z pamięcią o pojemności 1 MB może wyświetlać obraz o rozdzielczości 1024 x 768 w 256
kolorach lub 1280 x 1024 w 16 kolorach.
Wszystkie współczesne karty SVGA wyposażane są w trzy 8-bitowe przetworniki VIDEO-DAC,
zapewniające pracę w trybie TRUE COLOR, w którym każda składowa RGB koloru, pojedynczego elementu
obrazu, opisana jest za pomocą 8 bitów. Pojedynczy pixel opisany jest więc za pomocą 24-bitowej informacji
(trzech bajtów). Pozwala to uzyskać na ekranie 256 x 256 x 256 = 16777216 kolorów
Wymagana pojemność pamięci obrazu karty graficznej jest ściśle uzależniona od żądanej rozdzielczości i
liczby kolorów wyświetlanych na ekranie i można ją obliczyć wg wzoru:
Gdzie:
X max - maksymalna liczba punktów (pixeli) współrzędnej poziomej
Y max - maksymalna liczba punktów (pixeli) współrzędnej pionowej
Np. niezbędną minimalną pojemność pamięci karty graficznej o wymaganej rozdzielczości 1024 x 768 i 256
kolorach, zgodnie z powyższym wzorem:
Od szybkości pracy układu RAMDAC uzależnione są następujące parametry:
• rozdzielczość obrazu,
• liczba kolorów wyświetlanych na ekranie,
• częstotliwość odchylania pionowego (odświeżania obrazu).
Dla przykładu: przy rozdzielczości 1024 x 768 i 16.7 mln. kolorów, jedna klatka obrazu opisana jest przez
1024 x 768 x 3 bajty = 2.3 MB. Mnożąc tę wartość przez częstotliwości odświeżania 80 Hz otrzymujemy
żądaną szybkość przetwarzania RAMDAC równą 180 MB/s.
VII. SLI i CrossFire
a) SLI
– opracowana przez firmę NVIDIA
– zwiększenie wydajności systemu graficznego przez łączenie kart z serii GeForce
– wymagania: płyta główna z 2 złączami PCI-e x16, karty połączone mostkiem
b) CrossFire
– opracowana przez firmę ATI
– zwiększenie wydajności systemu graficznego przez łączenie kart ATI
– wymagania: płyta główna z obsługą CrossFire, do niedawna karta nadrzędna CrossFire Edition
VIII. Parametry kart graficznych
–
–
–
–
–
–
–
–
–
rodzaj złącza: PCI-e, AGP
pamięć VRAM
szerokość magistrali pamięci
częstotliwość pracy pamięci w grafice 3D
częstotliwość pixel shader lub fragment shader (cieniowanie pixeli w czasie rzeczywistym)
częstotliwość pracy GPU
częstotliwość pracy RAMDAC
technologia skalowania (SLI, CrossFire)
producent chipsetu