Видеокарта

Видеокарты, как класс устройств, появились в начале 80-х годов. Их основная задача — преобразовывать изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора. Различают дискретные (в виде платы расширения) и встроенные видеоадаптеры (интегрированные в материнскую плату). Современные видео ускорители имеют встроенный графический микропроцессор (видеопроцессор), который может производить дополнительную обработку данных, разгружая центральный процессор компьютера.

Как появились первые видеоадаптеры?

Первым известным графическим адаптером для IBM PC стал MDA (Monochrome Display Adapter), появившийся в 1981 году. Он работал только в текстовом режиме с разрешением 80*25 символов (720*350 точек) и поддерживал пять атрибутов текста: обычный, яркий, инверсный, подчеркнутый и мигающий. Цвет символов напрямую зависел от модели монитора (черно-белый, янтарный или изумрудный). В следующем году фирма Hercules выпустила на рынок видеоадаптер HGC (Hercules Graphics Controller) с графическим разрешением 720*348 точек. Но и он не умел работать с цветом.

Первой цветной видеокартой стала CGA (Color Graphics Adapter), выпущенная IBM и ставшая основой для последующих стандартов. CGA могла работать либо в текстовом режиме с разрешениями 40*25 и 80*25 (матрица символа — 8*8), либо в графическом (320*200 или 640*200). В текстовых режимах было 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 видеоадаптере EGA (Enhanced Graphics Adapter) цветовая палитра была расширена до 64 цветов, появилось разрешение 640*350. MCGA (Multicolor Graphics Adapter) увеличил размеры текстового разрешения до 640×400, количество цветов — до 262144.

В конце 80-х IBM выпустила VGA (Video Graphics Array). Появилось текстовое разрешение 720×400 для эмуляции MDA и графический режим 640×480. В последнем впервые стали использоваться квадратные пиксели. В 1991 году вышла видеокарта SVGA (Super VGA). Разрешение — 800×600. Число одновременно отображаемых цветов — 65536 (High Color, 16 бит) и 16777216 (True Color, 24 бита). Через год ассоциация VESA (ассоциация стандартизации видео электроники) приняла SVGA в качестве стандарта для видеоадаптеров.

В эти годы операционные системы стали оснащаться графическим пользовательским интерфейсом, начинается бурное развитие трехмерных игр: начался новый этап развития видеоадаптеров.

Из каких блоков состоит современная видеокарта?

1. Графический процессор. Мозг видеокарты занимается расчетами выводимого изображения, отвечает за формирование трехмерной графики. От него по большему счету зависит быстродействие всего устройства. Современные ГПУ зачастую превосходят ЦПУ по вычислительной мощности.

2. Видеоконтроллер. Формирует изображение в видеопамяти, осуществляет обработку запросов ЦПУ. Кроме того, обычно присутствуют контроллер внешней шины данных, контроллер внутренней шины данных и контроллер видеопамяти. Современные графические адаптеры обычно имеют не менее двух независимых видеоконтроллеров.

3. Видеопамять. Место хранения изображения, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора. В видеопамяти хранятся также промежуточные элементы изображения и другие данные. В современных видеоадаптерах используется память следующих типов: GDDR2, GDDR3, GDDR4 и GDDR5. Кроме того, видеокарты используют в своей работе общую системную память.

4. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, RAMDAC — Random

Access Memory Digital-to-Analog Converter). Отвечает за преобразование изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор. Для поддержки второго монитора часто устанавливают второй ЦАП. Мониторы и видеопроекторы, подключаемые к цифровому DVI выходу видеокарты, для преобразования потока цифровых данных используют собственные ЦАП.

5. Видео-ПЗУ (Video ROM). Постоянное запоминающее устройство, в котором хранится видеоBIOS, экранные шрифты, служебные таблицы и т.п. 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. На многих современных картах устанавливаются перепрограммируемые ПЗУ (EEPROM, Flash ROM).

Правильная работа устройства обеспечивается с помощью видеодрайвера, выполняющего посредническую роль между операционной системой и видеоадаптером.

Какие шины данных используют видеокарты?

В 1981 году на компьютерах IBM PC/XT появилась компьютерная шина ввода/вывода ISA (от англ. Industry Standard Architecture). В том числе эта шина использовалась видеокартами. В начале 90-х была разработана шина PCI (от англ. Peripheral component interconnect). Видеоадаптеры начали выпускаться с поддержкой этой шины данных. Но вскоре и ее пропускной способности стало не хватать: в 1997 году компания Intel вывела на рынок специализированную 32-битную системную шину для видеоускорителей AGP (от англ. Accelerated Graphics Port).

В 2002 году произошла еще одна революция: была официально представлена первая базовая спецификация новой компьютерной шины PCI Express, или PCIe, или PCI-E. Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link, и состоит из одного (называемого 1х) или нескольких (2х, 4х, 8х, 12х, 16х и 32х) двунаправленных последовательных соединений lane. В настоящее время существуют спецификации 1.0 и 2.0. В середине 2010 года должен быть обнародован стандарт 3.0, а производство видеокарт на его основе начнется в 2011 году. Подавляющее большинство современных видеоускорителей обладают поддержкой интерфейса PCI Express 2.0 16х, интерфейс AGP больше не поддерживается.

Как можно разогнать видеокарту и чем протестировать?

Улучшить быстродействие можно разными способами: обновить драйвер, видео-БИОС, программно увеличить частоты ядра и памяти, разблокировать скрытые возможности, воспользоваться различными программами.

Многие современные видеокарты позволяют модифицировать или обновить собственную БИОС, повысить частоты процессора, памяти, изменить тайминги. Для редактирования БИОС разработаны

программы NiBiTor (для видеокарт NVIDIA), RaBiT (ATI/AMD); для обновления прошивки: NVFIash, ATI FlashROM и другие. Однако этот метод не подходит для новичков, так как существует вероятность вывести из строя видеокарту. Им лучше воспользоваться специальными утилитами.

Из популярных программ, используемых для модификации BIOS видеоадаптеров, можно отметить следующие: ATI Tray Tools,RivaTuner. Современные видеокарты NVIDIA и ATI/AMD имеют собственные программные средства по разгону.

Быстродействие видеокарты можно вычислить с помощью тестов. Чаще всего используют утилиту Futuremark 3D Mark2006 либо высокопроизводительные и популярные игры.

Основные тенденции по развитию видео ускорителей?

1. Сращивание центрального процессора и видеокарты. Самый известный проект — AMD Fusion — гибрид CPU и GPU. Однако выход на рынок пока откладывается: первые коммерческие продукты должны появиться не ранее

2011 года. Предполагается, что это будет процессор Llano с четырьмя ядрами класса Phenom II, 4 Мб кэш-памяти L3, контроллером ОЗУ DDR3 1600 МГц и графическим ядром с поддержкой DirectX 11.

2. Перекладывание на графический процессор некоторых вычислений, ранее выполняемых ЦПУ. У NVIDIA уже есть подобная технология, под названием CUDA, позволяющая программистам выполнять на видеокарте некоторые вычисления, не связанные с обработкой графики. Дело в том, что современные GPU по мощности и количеству процессоров уже превосходят ЦПУ.

3. Intel планирует выйти на рынок дискретных карт (напомним, что большая часть продаваемых встроенных решений выпускается Intel). Проект Larrabee будет базироваться на х86-совместимых мини-ядер. Тактовая частота каждого ядра составит 1,7-2,5 ГГц, каждое будет оснащено кэшпамятью L1 и набором инструкций для обработки графики. Первые версии Larrabee будут содержать от 16 до 24 ядер. Подобная архитектура позволит видеокарте стать мощным потоковым процессором наподобие NVIDIA Tesla и AMD Stream Processor.