Видеоадаптеры

Электронная схема, управляющая работой монитора, называется видеоадаптером. Микросхемы для видеоадаптеров изготавливаются по самым современным технологиям (65- 50 нм), графические процессоры по сложности архитектуры не уступают центральным процессорам компьютера. Обычно видеоадаптер представлен отдельной платой расширения, вставляемой в специальный разъём на материнской плате- как правило, это разъём PCI Express х16. У офисных недорогих компьютеров видеоадаптер интегрирован в северный мост чипсета, то есть является составной частью одной из микросхем, впаянных в системную плату. Такое конструктивное решение называется " интегрированное видео" (интегрированная графика). В этом случае интерфейсный кабель монитора подключается к гнезду, укреплённому непосредственно на материнской плате, а не на видеоадаптере, а в качестве видеопамяти используется часть основной (системной) оперативной памяти компьютера. Использование интегрированной графики позволяет несколько снизить стоимость компьютера, но встраиваемое в чипсет графическое ядро обычно менее производительное, чем у внешней видеокарты что ограничивает сферу применения соответствующих компьютеров офисной работой, учебной аудиторией, просмотром фильмов и сравнительно несложными играми.

Видеоадаптер напоминает системную плату компьютера в миниатюре. На рисунке 7.4 представлена блок-схема видеоадаптера, иллюстрирующая его основные компоненты.

На видеоплате, как и на системной плате, есть свой кварцевый генератор рабочей частоты, собственный BIOS, графический процессор или чипсет, составляющий основу видеокарты, видеопамять и RAMDAC (Random Access Memory Digital to Analog Converter) - преобразователь цифрового сигнала, поступающего из видеопамяти, в аналоговый сигнал, подающийся на монитор. В видеоадаптер встроены три RAMDAC: для сигналов красного, синего и зелёного цветов.

Рис. 7.4. Блок-схема видеоадаптера

Кварцевый генератор рабочей частоты является основой таймера- точечных часов, задающих темп работы системы синхронизации видеоадаптера. Система синхронизации согласует работу компонентов видеоадаптера и управляет частотами развёртки монитора, синхронизирует яркость и цвет свечения каждого пиксела с положением излучаемого электронной пушкой пучка электронов на экране. Система синхронизации посылает импульсы (сигналы) каждый раз, когда пучок электронов, сканирующий экран, проходит очередную триаду из разноцветных точек лиминофора. Например, если дисплей имеет разрешение 1280x1024, при пересечении лучом видимой части изображения слева направо система синхронизации генерирует импульс 1280 раз на каждой строке экрана. Частота системы синхронизации приблизительно равна произведению разрешения на количество кадров в секунду. Для дисплея с разрешением 1280x1024 при частоте кадров 85 Гц частота системы синхронизации будет 106, 25 МГц.

Таким образом, устойчивость работы видеоадаптера в режиме вывода качественного изображения в значительной мере зависит от тактовой частоты, на которой работают его основные устройства. Обычно у современных видеоадаптеров графический процессор и RAMDAC поддерживают частоты приблизительно 500- 700 МГц, результирующая тактовая частота видеопамяти (обычно это DDR- память) составляет 1.5- 2 ГГц.

Для производительности видеоадаптера важна разрядность внутренней шины данных видеоадаптера. По ней графический процессор и RAMDAC обмениваются данными с видеопамятью. В середине 90-х годов были популярны 32-разрядные шины, передававшие за 1 такт работы 4 байта информации. В начале 2000-х годов видеоадаптеры стали 64- разрядными, современные модели имеют 256- разрядную шину. Расширение шины позволяет пропорционально снизить частоту её работы, а это необходимо для обеспечения надёжной работы электронных компонентов при сохранении низкой стоимости устройств.

Имеет существенное значение тип установленной на видеоадаптере локальной оперативной памяти (видеопамяти) и её объём. Видеопамять непрерывно обслуживает два главных устройства видеоадаптера- графический процессор и RAMDAC, которые всегда загружены работой. В любой момент времени, когда на экране монитора происходят изменения (даже при статической картинке, если при этом перемещается курсор мыши или мигает курсор), графический процессор обращается к видеопамяти. В то же время, RAMDAC должен непрерывно считывать данные из видеопамяти, чтобы изображение не пропадало с экрана монитора. Чем более высокое разрешение экрана используется и чем больше глубина представления цвета, тем больше данных требуется передать из графического процессора в видеопамять и тем быстрее данные должны считываться RAMDAC для передачи аналогового сигнала в монитор. Для нормальной работы видеопамять должна быть постоянно доступна для графического процессора и RAMDAC, которые должны постоянно осуществлять чтение и запись, но доступ RAMDAC к видеопамяти возможен лишь после того, как графический процессор завершит обращение к памяти, т.е. RAMDAC должен дождаться, когда наступит его очередь обратиться к памяти для чтения, и наоборот. Для повышения производительности, на современных видеоадаптерах применяют специальную двухпортовую память, к которой RAMDAC и графический процессор обращаются через разные порты, поэтому этим двум устройствам не надо дожидаться своей очереди. У самых дешёвых простейших видеоадаптеров объём локальной памяти, расположенной на плате адаптера, составляет 128 Мб, у наиболее дорогих моделей- 1 Гбайт. Большой объём локальной оперативной памяти, расположенной непосредственно на видеокарте, позволяет видеоадаптеру реже обращаться к ядру компьютера (центральному процессору и системной памяти), что повышает производительность. Между тем, для быстродействия видеоадаптера важнее не объём видеопамяти, а её тактовая частота и скорость доступа к ней. Более производительные и дорогие модели видеокарт в настоящее время используют специализированную графическую память GDDR3 или GDDR5, у которых результирующая тактовая частота достигает 1.5- 2 ГГц и выше. На моделях среднего уровня применяется DDR2-память, а простейшие дешёвые модели (Low- end) используют память DDR.

С середины 90-х годов на персональных компьютерах началось активное использование программ, использующих 3-мерную графику. Реализация 3-мерной графики требует больших объёмов специфических расчётов, отнимающих значительные вычислительные ресурсы от центрального процессора компьютера и снижающих этим его производительность. Поэтому видеоадаптеры стали оснащать специализированными графическими сопроцессорами, выполняющими основной объём обработки видеоинформации. Видеоадаптеры, специализированные для обработки 3-мерной графики, называются видеоускорителями. Существуют 2 разновидности графических ускорителей:

· ускорители 2-мерной графики (2D- ускорители), применяемые в автоматизированном проектировании для более быстрого и качественного отображения на экране монитора сложных чертежей и для ускорения работы Windows (для построения и закрашивания окон);

· ускорители 3-мерной графики (3D- ускорители)- для качественного полноэкранного воспроизведения видео, 3-мерной графики с использованием анимации, в проектировании (для представления проектируемых объектов в движении в 3-мерном пространстве), для компьютерных игр.

В настоящее время термин " видеоускоритель" применяется редко, поскольку его функции присущи всем современным видеоадаптерам, даже простейшим. Реализация трёхмерной графики с высокой степенью детализации и реалистичности быстро перемещающихся объектов, при глубоком цвете и высоком разрешении требует существенных вычислительных затрат от центрального процессора компьютера, значительной производительности видеоадаптера и большой пропускной способности графической шины, соединяющей видеоадаптер с ядром компьютера.