Компоненты видеоадаптера

Для работы видеоадаптера необходимы следующие основные компоненты:

• BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода);

• графический процессор, иногда называемый набором микросхем системной логики видеоадаптера;

• видеопамять;

• цифроаналоговый преобразователь, он же DAC — Digital to Analog Converter;

• разъем;

• видеодрайвер.

BIOS видеоадаптера. Видеоадаптеры имеют свою BIOS, которая, подобна системной BIOS, но полностью неза­висима от нее. (Другие устройства в компьютере, такие как SCSI-адаптеры, могут также иметь собственную BIOS.) Если вы включите монитор первым и немедленно посмотрите на экран, то сможете увидеть опознавательный знак BIOS видеоадаптера в самом начале запуска системы.

BIOS видеоадаптера, подобно системной BIOS, хранится в микросхеме ROM; она содер­жит основные команды, которые предоставляют интерфейс между оборудованием видео­адаптера и программным обеспечением. Программа, которая обращается к функциям BIOS видеоадаптера, может быть автономным приложением, операционной системой или систем­ной BIOS. Обращение к функциям BIOS позволяет вывести информацию о мониторе во время выполнения процедуры POST и начать загрузку системы до начала загрузки с диска любых других программных драйверов.

BIOS видеоадаптера, как и системную BIOS можно обнослять. Обновление BIOS видеоадаптера может потребоваться в том случае, если старый адаптер используется в новой операционной системе или изготовитель обнаруживает существенный дефект в первоначальном коде программы.

Графи­ческий сопроцессор. В современной компьютерной графике применяется также специализированный графи­ческий сопроцессор. Такая архитектура предполагает включение в состав видеоадаптера соб­ственного процессора, который выполнял бы все вычисления, необходимые для построения изображения. При этом центральный процессор почти полностью освобождается для выпол­нения других задач (не связанных непосредственно с формированием картинки). Таким обра­зом, отобрав практически все графические функции у центрального процессора компьютера и возложив их на специализированный (максимально для этого приспособленный) процессор видеоадаптера, эта архитектура обеспечивает минимальное время реакции системы.

Существует промежуточный вариант архитектуры — видеоакселератор (accelerator chip) с ограниченным набором функций. Такая архитектура, применяемая во многих видеоадаптерах, представленных на современном компьютерном рынке, предполагает, что электронные схемы видеоадаптера решают алгоритмически простые, но отнимающие много времени задачи. В частности, электронные схемы видеоадаптера выполняют построение графических примитивов — прямых линий, окружностей и т.п., а за центральным процессором компьютера остается конструирование изображения, разложение его на составляющие и пересылка в видеоадаптер инструкций, например: нарисовать прямоугольник определенного размера и цвета.

Видеопамять. Для хранения графической информации видеоадаптеры используют память, которая у них имеется. Ее еще называют видеопамять, она подобна оперативной памяти. Как и у ОЗУ, видеоадаптер имеет свой объем памяти.

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. 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 некоторых случаях, когда видеопамять занята, она может использовать ячейки памяти из устройств оперативной памяти, однако это метод весьма неэффективен, особенно на новых компьютерах. Поэтому чаще всего на ПК используется видеопамять, которая имеется на самих видеоадаптерах. Подобные примеры, когда для видеоадаптера используется память из ОЗУ имеет место среди ноутбуков.

Видеоадаптеры греются при работе. Для того, чтобы они не перегревались, что для них бывает крайне опасно, их оснащают вентиляторами. На современных видеоадаптерах греется не только видеопроцессор, но еще и память, поэтому два вентилятора на таких видеокартах - это не редкость.

Для графического процессора требуется видеопамять, играющая роль кадрового буфера, в который центральный процессор направляет видеоданные, а затем графический процессор считывает оттуда полученную информацию. Кроме того, в видеопамяти располагается Z-буфер и хранятся текстуры. Естественно, для обеспечения эффективной передачи данных важна пропускная способность видеопамяти.

Видеопамять графической карты характеризуется теми же параметрами, что и оперативная память ПК, и в этом смысле наиболее важными характеристиками являются пропускная способность шины памяти. Пропускная способность шины памяти определяется разрядностью шины памяти и ее эффективной тактовой частотой. К примеру, разрядность шины памяти может составлять 512, 256, 128 или 64 бита, а эффективная тактовая частота достигать 4 ГГц.

Ширина шины памяти определяет количество бит, передаваемых между GPU и памятью за один такт. Собственно, пропускную способность шины памяти можно найти, если умножить ширину шины на тактовую частоту. К примеру, если ширина шины составляет 128 бит (16 байт), а тактовая частота памяти равна 250 МГц, то пропускная способность шины будет 4 Гбайт/с.

Кроме технических характеристик используемой видеопамяти, не менее важен и ее объем. При недостаточном объеме видеопамяти графический процессор фактически будет простаивать, пока нужные данные подгружаются из оперативной памяти компьютера. Минимальный объем видеопамяти современных видеокарт составляет 128 Мбайт, а максимальный — 2 Гбайт.

Вычисление необходимого объема видеопамяти

Объем памяти, необходимый для создания режима с заданным разрешением и количеством цветов (двухмерная картинка), вычисляется следующим образом. Для кодирования каждого пикселя изображения необходим определенный объем памяти, а общее количество пикселей определяется за­данным разрешением. Например, при разрешении 1 024×768 на экране отображается 786 432 пикселя.

Отведя на каждый пиксель по 24 бит (глубина цвета- количество бит на пиксем изображения), можно получить объем памяти, необходимый для формирования и хранения изображения в этом формате. Ниже приведен пример подобных вычислений:

1024×768 = 786 432*24 = 18874368 бит=2359296 байт= 2,3 Мбайт. Такой объем памяти необходим для создания плоской графики.

Увеличение объема памяти не скажется на производительности видеоадаптера в двухмерной графике. Дополнительная память принесет пользу только в трехмерной графике.

Видеоадаптер при глубине цвета 24 бит/пиксель обеспечивает почти 16,8 млн оттенков, в этом режиме он способен дать качество изображения, близкое к фотографическому.

Цифроаналоговый преобразователь. Цифроаналоговый преобразователь видеоадаптера преобразует генерируемые компьютером цифровые изображения в аналоговые сигналы, которые может отображать монитор. Быстродействие цифроаналогового преобразователя измеряется в МГц; чем быстрее процесс преобразования, тем выше вертикальная частота регенерации. В современных высокоэффективных видеоадаптерах быстродействие может достигать 300 МГц и выше. * 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. 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.

Шина (Интерфейс). Первое препятствие к повышению быстродействия видеосистемы — это интерфейс передачи данных, к которому подключён видеоадаптер. Как бы ни был быстр процессор видеоадаптера, большая часть его возможностей останется незадействованной, если не будут обеспечены соответствующие каналы обмена информацией между ним, центральным процессором, оперативной памятью компьютера и дополнительными видеоустройствами. Основным каналом передачи данных является, конечно, интерфейсная шина материнской платы, через которую обеспечивается обмен данными с центральным процессором и оперативной памятью. С появлением процессоров Intel Pentium II, а так же с появлением 3D-игр со сложной графикой, стало ясно, что пропускной способности PCI в том виде, в каком она существовала на платформе PC (обычно частота 33 МГц и разрядность 32 бит), скоро не хватит на удовлетворение запросов системы. Поэтому фирма Intel решила сделать отдельную шину для графической подсистемы, несколько модернизировала шину PCI, обеспечила новой получившейся шине 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 МБ/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. На данный момент произошёл практически полный отказ от шины AGP в пользу PCI Express.

Разъемы видеокарт

В настоящее время для подключения мониторов используют три типа разъемов: аналоговый VGA (Video Graphics Array) и два цифровых— DVI-I (Digital Video Interactive) и HDMI (High Definition Multimedia Interface). На электронно-лучевых мониторах устанавливается только аналоговый видеоинтерфейс.

Ж идкокристаллические мониторы (панели) выпускаются, как правило, в двух вариантах: с одним VGA-разъемом или с двумя разъемами — VGA и DVI-I. В последнем случае для улучшения качества изображения рекомендуется использовать цифровой интерфейс, что позволяет сразу подавать данные на жидкокристаллическую матрицу, не преобразовывая дважды видеосигнал (сначала в аналоговый, а потом опять в цифровой). Модификации разъема. Для подключения телевизионной аппаратуры к компьютеру на ряде видеокарт может быть установлен аналоговый разъем S-Video (с различной разводкой и количеством контактов) и новый цифровой интерфейс HDMI (High Definition Multimedia Interface.

Видеодрайвер обеспечивает правильную и полнофункциональную работу современного графического адаптера. Драйвер представляет собой специальное программное обеспечение, которое поставляется вместе с видеокартой. Загрузка драйвера видеокарты происходит в момент запуска операционной системы. Видеодрайвер выполняет посредническую функцию 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

Программный драйвер — 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.

Видеодрайверы используются для поддержки процессора видеоадаптера. Несмотря на то, что видеоадаптеры поставляются изготовителем вместе с драйверами, иногда используются драйверы, поставляемые вместе с набором микросхем системной логики.

Большинство производителей видеоадаптеров и наборов микросхем системной логики имеют свои Web-серверы, где можно найти информацию о самых последних версиях драйве­ров.

Видеодрайвер также обеспечивает интерфейс, который используется для настройки мето­дов управления дисплеем, применяемых адаптером. Во вкладке Настройка (Settings) диало­гового окна Свойства: Экран (Display: Properties) системы Windows 9x приведены пара­метры монитора и используемый режим видеоадаптера. В этой же вкладке можно выбрать глубину (разрядность) цвета и разрешающую способность экрана. Драйвер можно настроить так, чтобы никто не мог выбрать параметры, которые не поддерживаются оборудованием. Например, нельзя установить разрешающую способность 1 024×768 при глубине цвета 24-разряда, если адаптер имеет память объемом всего лишь 1 Мбайт.

При щелчке на кнопке Дополнительно (Advanced) откроется диалоговое окно свойств вашего конкретного адаптера. Содержимое этого окна зависит от драйвера и возможностей оборудования. Обычно во вкладке Общие (General) этого диалогового окна вы можете уста­новить размер шрифтов (большой или малый), наиболее подходящий, по вашему мнению, для выбранной разрешающей способности. Вы также можете поместить пиктограмму для от­крытия этого окна на панель задач Windows 9x. Тогда для изменения параметров не потребу­ется открывать панель управления.

Во вкладке Адаптер (Adapter) приведена подробная информация об адаптере и драйвере, установленных в системе. В этой же вкладке можно настроить частоту регенерации для дис­плея. Если адаптер имеет графический акселератор, то во вкладке Быстродействие (Performance) будет расположен бегунок для управления функцией аппаратного ускорения.

При перемещении бегунка еще на одну позицию влево (ко второй отметке справа) в адап­тере отключаются аппаратные функции перемещения блока битов. В некоторых драйверах при таком положении также отключается возможность отображения памяти при операциях ввода-вывода.