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Allgemeines über Grafikkarten

Videokarte (auch bekannt als Grafikkarte, Grafikkarte, Videoadapter) (engl. videocard) - ein Gerät, das ein Bild im Computerspeicher in ein Videosignal für einen Monitor umwandelt. Normalerweise ist eine Videokarte eine Erweiterungskarte und wird in die Erweiterungssteckplatz, universell (PCI-Express, PCI, ISA, VLB) oder spezialisiert (AGP), kann aber auch in das Systemboard eingebaut (integriert) werden Moderne Videokarten sind nicht auf einfache Bildausgabe beschränkt, sie haben es ein integrierter Grafikmikroprozessor, der zusätzliche Verarbeitungsschritte ausführen kann und den Zentralprozessor des Computers von diesen Aufgaben entlastet . Beispielsweise unterstützen alle modernen NVIDIA- und AMD (ATi)-Grafikkarten OpenGL-Anwendungen auf Hardwareebene.

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Geschichte
Einer der ersten Grafikadapter für den IBM PC war 1981 der MDA (Monochrome Display Adapter). Es funktionierte nur im Textmodus mit einer Auflösung von 80 x 25 Zeichen (physikalisch 720 x 350 Pixel) und unterstützte fünf Textattribute: normal, hell, invertiert, unterstrichen und blinkend. Es konnte keine Farb- oder Grafikinformationen übertragen und die Farbe der Buchstaben wurde durch das Modell des verwendeten Monitors bestimmt. Normalerweise waren sie schwarz und weiß, bernsteinfarben oder smaragdgrün. Hercules veröffentlichte 1982 eine Weiterentwicklung des MDA-Adapters, den HGC (Hercules Graphics). Controller - Grafikadapter Hercules), der eine Grafikauflösung von 720 × 348 Pixel hatte und zwei Grafikseiten unterstützte. Aber er ließ mich immer noch nicht mit Farbe arbeiten.

Die erste Farbvideokarte war der CGA (Color Graphics Adapter), der von IBM herausgebracht wurde und die Grundlage für nachfolgende Videokartenstandards wurde. Es könnte entweder im Textmodus mit Auflösungen von 40 x 25 und 80 x 25 (Zeichenmatrix - 8 x 8) oder im Grafikmodus mit Auflösungen von 320 x 200 oder 640 x 200 arbeiten. In Textmodi sind 256 Zeichenattribute verfügbar – 16 Zeichenfarben und 16 Hintergrundfarben (oder 8 Hintergrundfarben und ein Blinkattribut), im 320x200-Grafikmodus waren vier Paletten mit jeweils vier Farben verfügbar, und der hochauflösende 640x200-Modus war monochrom . Bei der Entwicklung dieser Karte erschien EGA (Enhanced Graphics Adapter) - ein verbesserter Grafikadapter mit einer erweiterten Palette von bis zu 64 Farben und einem Zwischenpuffer. Die Auflösung wurde auf 640 x 350 verbessert, wodurch der 80 x 43-Textmodus mit einer 8 x 8-Zeichenmatrix hinzugefügt wurde. Für den 80×25-Modus wurde eine große Matrix verwendet - 8×14, 16 Farben konnten gleichzeitig verwendet werden, die Farbpalette wurde auf 64 Farben erweitert. Der Grafikmodus ermöglichte auch die Verwendung von 640 Farben aus einer Palette von 350 Farben bei einer Auflösung von 16 × 64. War mit CGA und MDA kompatibel.

Es ist erwähnenswert, dass die Schnittstellen mit dem Monitor all dieser Arten von Videoadaptern digital waren, MDA und HGC nur den Punkt, der leuchtet oder nicht leuchtet, und ein zusätzliches Helligkeitssignal für das „helle“ Textattribut übertragen haben, ähnlich wie CGA das Hauptsignal übertragen hat Videosignal auf drei Kanälen (rot, grün, blau) und zusätzlich ein Luminanzsignal (insgesamt 16 Farben) übertragen konnte, hatte EGA zwei Übertragungsleitungen für jede der Primärfarben, d. h. jede Primärfarbe konnte vollständig angezeigt werden Helligkeit, 2/3 oder 1/3 der vollen Helligkeit, was insgesamt maximal 64 Farben ergibt.

In frühen Modellen von Computern von IBM PS / 2 erscheint ein neuer Grafikadapter MCGA (Multicolor Graphics Adapter - Mehrfarben-Grafikadapter). Die Textauflösung wurde auf 640 x 400 erhöht, was die Verwendung des 80 x 50-Modus mit einer 8 x 8-Matrix und die Verwendung einer 80 x 25-Matrix für den 8 x 16-Modus ermöglichte. Die Anzahl der Farben wurde auf 262144 (64 Helligkeitsstufen für jede Farbe) erhöht, zur Kompatibilität mit EGA in Textmodi wurde eine Farbtabelle eingeführt, durch die der 64-Farben-EGA-Raum in den MCGA-Farbraum konvertiert wurde. Es erschien ein 320x200x256-Modus, in dem jedes Pixel auf dem Bildschirm durch das entsprechende Byte im Videospeicher codiert wurde, es gab keine Bitebenen, nur Textmodi blieben mit EGA kompatibel, die Kompatibilität mit CGA war vollständig. Aufgrund der enormen Helligkeit der Primärfarben wurde es notwendig, ein bereits analoges Farbsignal zu verwenden, die horizontale Abtastfrequenz betrug bereits 31,5 KHz.

Dann ging IBM noch einen Schritt weiter und stellte VGA (Video Graphics Array) her, eine EGA-kompatible MCGA-Erweiterung, die in den mittleren PS/2-Modellen eingeführt wurde. Dies ist seit Ende der 80er Jahre der De-facto-Standard für Videoadapter. 720 x 400 Textauflösung für MDA-Emulation und 640 x 480 Grafikmodus hinzugefügt, Zugriff über Bitplanes. Der 640x480-Modus ist insofern bemerkenswert, als er ein quadratisches Pixel verwendet, dh das Verhältnis der Anzahl der Pixel horizontal und vertikal mit dem Standardseitenverhältnis des Bildschirms übereinstimmt - 4:3. Dann kam der IBM 8514/a mit 640x480x256 und 1024x768x256 Auflösungen und der IBM XGA mit 132x25 Textmodus (1056x400) und erhöhter Farbtiefe (640x480x65K).

Seit 1991 ist das Konzept von SVGA (Super VGA - "über" VGA) aufgetaucht - eine Erweiterung von VGA mit zusätzlichen höheren Modi und zusätzlichen Diensten, z. B. der Möglichkeit, eine beliebige Bildrate einzustellen. Die Anzahl der gleichzeitig angezeigten Farben erhöht sich auf 65'536 (High Color, 16 Bit) und 16'777'216 (True Color, 24 Bit), zusätzliche Textmodi erscheinen. Aus den Servicefunktionen erscheint die Unterstützung für VBE (VESA BIOS Extension - eine Erweiterung des VESA-Standard-BIOS). SVGA wird seit Mitte 1992 nach der Annahme des VBE-Standards Version 1.0 durch die Video Electronics Standard Association (VESA) als De-facto-Standard für Videoadapter angesehen. Bis zu diesem Moment waren fast alle SVGA-Videoadapter nicht miteinander kompatibel.

Die grafische Benutzeroberfläche, die in vielen Betriebssystemen auftauchte, stimulierte eine neue Stufe in der Entwicklung von Videoadaptern. Das Konzept des "Grafikbeschleunigers" (Grafikbeschleuniger) erscheint. Dies sind Videoadapter, die einige Grafikfunktionen auf Hardwareebene ausführen. Zu diesen Funktionen gehören das Verschieben großer Bildblöcke von einem Bildschirmbereich in einen anderen (z. B. beim Verschieben eines Fensters), das Füllen von Bildbereichen, das Zeichnen von Linien, Bögen, Schriftarten, das Unterstützen eines Hardware-Cursors usw. Ein direkter Anstoß für die Entwicklung eines solchen Spezialgerät war die Tatsache, dass die grafische Benutzeroberfläche zweifellos bequem ist, aber ihre Verwendung erhebliche Rechenressourcen vom zentralen Prozessor erfordert, und ein moderner Grafikbeschleuniger ist gerade darauf ausgelegt, den Löwenanteil der Berechnungen für die endgültige Anzeige des Bildes zu übernehmen der Bildschirm.

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Gerät
Eine moderne Grafikkarte besteht aus folgenden Teilen:
Grafikprozessor (Grafikverarbeitungseinheit – Grafikverarbeitungseinheit) – befasst sich mit Berechnungen des Ausgabebildes, entlastet den Zentralprozessor von dieser Verantwortung und führt Berechnungen für die Verarbeitung von 3D-Grafikbefehlen durch. Es ist die Basis der Grafikkarte; von ihr hängen die Leistung und Fähigkeiten des gesamten Geräts ab. Moderne Grafikprozessoren stehen dem Zentralprozessor eines Computers in ihrer Komplexität nicht viel nach und übertreffen ihn aufgrund der Vielzahl universeller Recheneinheiten häufig sowohl in der Anzahl der Transistoren als auch in der Rechenleistung. Allerdings ist die Architektur GPU Die vorherige Generation beinhaltet normalerweise das Vorhandensein mehrerer Informationsverarbeitungseinheiten, nämlich: eine 2D-Grafikverarbeitungseinheit, eine 3D-Grafikverarbeitungseinheit, die wiederum normalerweise in einen geometrischen Kernel (plus einen Vertex-Cache) und eine Rasterisierungseinheit (plus eine Textur) unterteilt ist Cache) usw.
Videocontroller - ist für die Bildung eines Bildes im Videospeicher verantwortlich, gibt RAMDAC-Befehle zur Generierung von Abtastsignalen für den Monitor und verarbeitet Anforderungen vom Zentralprozessor. Zusätzlich gibt es normalerweise einen externen Datenbuscontroller (beispielsweise PCI oder AGP), einen internen Datenbuscontroller und einen Videospeichercontroller. Die Breite des internen Busses und des Videospeicherbusses ist normalerweise größer als die des externen (64, 128 oder 256 Bit gegenüber 16 oder 32), RAMDAC ist auch in viele Videocontroller eingebaut. Moderne Grafikkarten (ATI, nVidia) verfügen in der Regel über mindestens zwei Videocontroller, die unabhängig voneinander arbeiten und jeweils ein oder mehrere Displays gleichzeitig ansteuern.
Videospeicher - fungiert als Bildspeicher, der ein Bild speichert, das vom Grafikprozessor generiert und ständig modifiziert und auf dem Monitor (oder mehreren Monitoren) angezeigt wird. Der Videospeicher speichert auch Zwischenelemente des Bildes, die auf dem Bildschirm unsichtbar sind, und andere Daten. Es gibt verschiedene Arten von Videospeichern, die sich in Zugriffsgeschwindigkeit und Betriebsfrequenz unterscheiden. Moderne Grafikkarten sind mit den Speichertypen DDR, DDR2, GDDR3, GDDR4 und GDDR5 ausgestattet. Es sollte auch berücksichtigt werden, dass moderne Grafikprozessoren neben dem auf der Grafikkarte befindlichen Videospeicher in der Regel einen Teil des gesamten Systemspeichers des Computers für ihre Arbeit verwenden, auf den der Videoadaptertreiber direkten Zugriff organisiert über den AGP- oder PCIE-Bus.
D/A-Wandler (DAC, RAMDAC - Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) - wird verwendet, um das vom Videocontroller erzeugte Bild in Farbintensitätspegel umzuwandeln, die einem analogen Monitor zugeführt werden. Der mögliche Farbbereich des Bildes wird nur durch die RAMDAC-Parameter bestimmt. Am häufigsten hat RAMDAC vier Hauptblöcke – drei Digital-Analog-Wandler, einen für jeden Farbkanal (Rot, Grün, Blau, RGB) und SRAM zum Speichern von Gammakorrekturdaten. Die meisten DACs haben eine Bittiefe von 8 Bit pro Kanal - es ergeben sich 256 Helligkeitsstufen für jede Primärfarbe, was insgesamt 16,7 Millionen Farben ergibt (und dank Gammakorrektur ist es möglich, die ursprünglichen 16,7 Millionen Farben in einem darzustellen viel größerer Farbraum). Einige RAMDACs haben 10 Bit pro Kanal (1024 Helligkeitsstufen), wodurch Sie sofort mehr als 1 Milliarde Farben anzeigen können, aber diese Funktion wird praktisch nicht verwendet. Um einen zweiten Monitor zu unterstützen, wird oft ein zweiter DAC installiert. Es ist zu beachten, dass Monitore und Videoprojektoren, die an den digitalen DVI-Ausgang der Grafikkarte angeschlossen sind, ihre eigenen Digital-Analog-Wandler verwenden, um den digitalen Datenstrom zu konvertieren, und nicht von den Eigenschaften des DAC der Grafikkarte abhängig sind.
Video-ROM (Video-ROM) ist ein Nur-Lese-Speichergerät, das Video-BIOS, Bildschirmschriftarten, Servicetabellen usw. enthält. Das ROM wird nicht direkt vom Videocontroller verwendet – nur der Zentralprozessor greift darauf zu. Das im ROM gespeicherte Video-BIOS stellt die Initialisierung und den Betrieb der Grafikkarte sicher, bevor das Hauptbetriebssystem geladen wird, und enthält auch Systemdaten, die vom Videotreiber während des Betriebs gelesen und interpretiert werden können (je nach Methode der Verantwortungsteilung zwischen der Treiber und das BIOS). Auf vielen modernen Karten sind elektrisch reprogrammierbare ROMs (EEPROM, Flash ROM) eingebaut, die es dem Benutzer ermöglichen, das Video-BIOS durch den Benutzer mit einem speziellen Programm zu überschreiben.
Kühlmittel - entwickelt, um die Temperatur des Videoprozessors und des Videospeichers innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten.

Der korrekte und voll funktionsfähige Betrieb einer modernen Grafikkarte wird durch die Verwendung gewährleistet Videotreiber - spezielle Software, die vom Hersteller der Grafikkarte geliefert und beim Start des Betriebssystems geladen wird. Der Videotreiber fungiert als Schnittstelle zwischen dem System, auf dem Anwendungen ausgeführt werden, und dem Videoadapter. Genau wie das Video-BIOS organisiert und steuert der Videotreiber programmgesteuert den Betrieb aller Teile des Videoadapters durch spezielle Steuerregister, auf die über den entsprechenden Bus zugegriffen wird.

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