Графічна карта

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ІНФОРМАЦІЙНОЇ БЕЗПЕКИ ТА КОМП’ЮТЕРНОЇ ІНЖЕНЕРІЇ

 

 

РЕФЕРАТ

з дисципліни «ВСТУП ДО  МЕРЕЖНИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ

Тема: «Графічна карта»

 

 

 

Перевірив  .     Виконав

Старший викладач                         студент 1 курсу

Захаров В.М       групи КМ-145                                    

дата                                   Клочко А.В.   

 

підпиc        підпиc

 

 

 

 

ЧЕРКАСИ 2015

Графічна карта

Відеокарта – це пристрій, який відповідає за виведення відеозображення на екран. В даному випадку, якщо розглядати відеокарту як комп'ютерний пристрій, то вона необхідна для обробки і перетворення переданих даних у відеосигнал.

Функції графічної карти

функції відеокарти полягають у тому, щоб електронні дані перетворити у відеосигнал – це основна її функція. До другорядної функції слід віднести те, що відеокарта необхідна для розвантаження основних складових частин комп'ютера, зокрема процесора і ОПЕРАТИВНОЇ пам'яті. Сучасна відеокарта, по суті, є автономним пристроєм – вона отримує дані, і сама з ними справляється, не споживаючи ресурсів інших пристроїв, працюючи тільки на своїх. 
 
Ну і ще розповімо про одну функцію відеокарти, яку не можна не виділити. Відеокарта перетворює відео для різного типу зв'язків. Якщо раніше до відеокарти можна було підключити монітор за коштами інтерфейсів VGA і DVI, то на сьогоднішній день відеокарта дає можливість підключити монітор ще й за коштами HDMI, причому всі ці типи підключення доступні в одній відеокарті. Крім того, відеокарта може включати в себе і інші типи підключень, але вони використовуються досить рідко.

Для чого використовується відеопам'ять

 
Швидкість, з якою інформація надходить на екран, і кількість інформації, яка виходить з відеоадаптера і передається на екран - все залежить від трьох факторів: 
 
· дозвіл вашого монітора 
 
· кількість кольорів, з яких можна вибирати при створенні зображення 
 
· частота, з якою відбувається оновлення екрану 
 
Роздільна здатність визначається кількістю пікселів на лінії і кількістю самих ліній. Тому на дисплеї з роздільною здатністю 1024х768, типовому для систем, що використовують ОС Windows, зображення формується кожен раз при оновленні екрану з 786,432 пікселів інформації. 
 
Зазвичай частота оновлення екрану має значення не менше 75Hz, або циклів у секунду. Наслідком мерехтіння екрана є зорове напруження і втому очей при тривалому спостереженні за зображенням. Для зменшення втоми очей і поліпшення ергономічності зображення значення частоти оновлення екрану має бути досить високим, не менше 75 Hz. 
 
Число допускають відтворення кольорів, або глибина кольору - це десятковий еквівалент двійкового значення кількості бітів на піксель. Так, 8 біт на піксел еквівалентно 28 або 256 кольорів, 16-бітний колір, який часто називають просто high color, відображає більш 65,000 кольорів, а 24-бітний колір, також відомий, як істинний або true color, може уявити 16.7 мільйонів кольорів. 32-бітний колір з метою уникнення плутанини зазвичай означає відображення істинного кольору з додатковими 8 бітами, які використовуються для забезпечення 256 степенів прозорості. Так, у 32-бітному поданні кожен з 16.7 мільйонів справжніх квітів має додаткові 256 ступенів доступною прозорості. Такі можливості представлення кольору є тільки в системах вищого класу і графічних робочих станціях. 
 
Раніше настільні комп'ютери були оснащені в основному з моніторами діагоналлю екрана 14 дюймів. VGA дозвіл 640х480 пікселів цілком і добре покривало цей розмір екрану. Як тільки розмір середнього монітора збільшився до 15 дюймів, роздільна здатність збільшилася до значення 800х600 пікселів. Так як комп'ютер все більше стає засобом візуалізації з постійно поліпшується графікою, а графічний інтерфейс користувача (GUI) стає стандартом, користувачі хочуть бачити більше інформації на своїх моніторах. Монітори з діагоналлю 17 дюймів стають стандартним обладнанням для систем на базі ОС Windows, і дозвіл 1024х768 пікселів адекватно заповнює екран з таким розміром. Деякі користувачі використовують дозвіл 1280х1024 пікселів на 17 дюймових моніторах. 
 
Сучасної графічної підсистеми для забезпечення дозволу 1024x768 потрібно 1 Мегабайт пам'яті. Незважаючи на те, що тільки три чверті цього обсягу пам'яті необхідно в дійсності, графічна підсистема зазвичай зберігає інформацію про курсорі і ярликах у буферній пам'яті дисплея (off-screen memory) для швидкого доступу. Пропускна здатність пам'яті визначається співвідношенням того, як багато мегабайт даних передаються в пам'ять і з неї за секунду часу. Типове дозвіл 1024х768, при 8-бітної глибині представлення кольору і частоту оновлення екрану 75 Hz, вимагає пропускної здатності пам'яті 1118 мегабайт в секунду. Додавання функцій обробки 3D графіки вимагає збільшення розміру доступної пам'яті на борту відеоадаптера. В сучасних видеоакселераторах для систем на базі Windows типовий розмір встановленої пам'яті 4 Мб. Додаткова пам'ять понад необхідної для створення зображення на екрані використовується для z-буфера і зберігання текстур. 
 
Шина персонального комп'ютера (PC) зазнала безліч змін у зв'язку з повышаемыми до неї вимог. Вихідним розширенням шини PC була Industry Standard Architecture (ISA), яка, незважаючи на свої обмеження, все ще використовується для периферійних пристроїв з переважно низькою шириною смуги пропускання, як, наприклад, звукові карти типу Sound Blaster. Шина Peripherals Connection Interface (PCI), стандарт, який прийшов на зміну специфікації VESA VL bus, стала стандартної системної шиною для таких швидкодіючих периферійних пристроїв, як, наприклад, дискові контролери та графічні плати. Тим не менш, впровадження 3D графіки загрожує перевантажити шину PCI. 
 
Прискорений графічний порт (AGP) -- це розширення шини PCI, чиє призначення -- обробка великих масивів даних 3D графіки. Intel розробляла AGP для вирішення двох проблем перед впровадженням 3D графіки на PCI. По-перше, 3D графіці потрібно як можна більше пам'яті інформації текстурних карт (texture maps) і z-буфера (z-buffer). Чим більше текстурних карт доступно для 3D додатків, тим краще виглядає кінцевий результат. При нормальних обставинах z-буфер, який містить інформацію, що відноситься до подання глибини зображення, використовує ту ж пам'ять, що і текстури. Цей конфлікт надає розробникам 3D безліч варіантів для вибору оптимального рішення, яке вони прив'язують до великої значущості пам'яті для текстур і z-буфера, і результати безпосередньо впливають на якість виведеного зображення. 
 
Розробники PC мали раніше можливість використовувати системну пам'ять для зберігання інформації про текстурах і z-буфера, але обмеженням у цьому підході була передача такої інформації через шину PCI. Продуктивність графічної підсистеми і системної пам'яті обмежуються фізичними характеристиками шини PCI. Крім того, ширина смуги пропускання PCI, або її ємність, не достатня для обробки графіки в режимі реального часу. Щоб вирішити ці проблеми, Intel розробила AGP. 
 
Якщо коротко визначити, що таке AGP, то це - пряме з'єднання між графічною підсистемою і системною пам'яттю. Це рішення дозволяє забезпечити значно кращі показники передачі даних, ніж при передачі через шину PCI і розроблялося, щоб задовольнити вимогам виведення 3D графіки в режимі реального часу. AGP дозволить більш ефективно використовувати пам'ять сторінкового буфера (frame buffer), тим самим збільшуючи продуктивність 2D графіки також, як збільшуючи швидкість проходження потоку даних 3D графіки через систему. 
 
Ухвалою AGP, як виду прямого з'єднання між графічною підсистемою і системною пам'яттю, є з'єднання point-to-point. Насправді, AGP з'єднує графічну підсистему з блоком управління системною пам'яттю, розділяючи цей доступ до пам'яті з центральним процесором комп'ютера (CPU). 
 
Через AGP можна підключити тільки один тип пристроїв - це графічна плата. Графічні системи, вбудовані в материнську плату і використовують AGP, не можуть бути поліпшені. 
 
Продуктивність текстурних карт 
 
Визначення Intel, підтверджує, що після реалізації AGP стає стандартом, слід з того, що без такого рішення досягнення оптимальної продуктивності 3D-графіки в PC буде дуже важким. 3D графіка в режимі реального часу вимагає проходження дуже великого потоку даних графічну підсистему. Без AGP для вирішення цієї проблеми потребує застосування нестандартних пристроїв пам'яті, які є дорогими. При застосуванні AGP рисунок інформація і дані z-буфера можуть зберігається в системній пам'яті. При більш ефективному використанні системної пам'яті графічні плати на базі AGP не вимагають власної пам'яті для зберігання текстур і можуть пропонуватися вже за значно нижчими цінами. 
 
Теоретично PCI могла б виконувати ті ж функції, що і AGP, але продуктивність була б недостатньою для більшості додатків. Intel розробляла AGP для функціонування на частоті 133 MHz і для управління пам'яттю за зовсім іншим принципом, ніж це здійснює PCI. У випадку з PCI, будь-яка інформація, яка знаходиться у системній пам'яті, не є фізично безперервної. Це означає, що існує затримка при виконанні, поки інформація зчитується по своєму фізичному адресою в системній пам'яті і передається по потрібному шляху і графічну підсистему. У випадку з AGP Intel створила механізм, в результаті дії якого, фізична адреса, по якому інформація зберігається в системній пам'яті, абсолютно не важливий для графічної підсистеми. Це ключове рішення, коли додаток використовує системну пам'ять, щоб отримувати і зберігати необхідну інформацію. У системі на основі AGP не має значення, як і де зберігаються дані про текстурах, графічна підсистема має повний і безперешкодний доступ до необхідної інформації. 
 
AGP:графічні процесори карти. 
Як відомо, незабаром після анонсу компанією Intel специфікації прискореного графічного порту (AGP), для подальшого просування і реалізації цієї ідеї був створений так званий AGP Forum, у який увійшли найбільші виробники процесорів, материнських плат, чіпсетів, графічних процесорів і плат. Наступним кроком компаній-розробників, що підтримали добрі починання Intel, став випуск та надання на суд широкої аудиторії своїх продуктів, заснованих на цієї сучасної технології. 
 
3D-графіка, яка за останні кілька років завоювала серця власників комп'ютерів і стала основним критерієм оцінки роботи тієї чи іншої відеокарти. Часом у своїй погоні за плавністю роботи і повнотою ефектів при виводу 3-мірних сцен ми забуваємо про те, що в більшості випадків при роботі за комп'ютером ми все-таки користаємося 2D-графікою, і що її продуктивність і якість не повинні йти на задній план. Проте, феномен тривимірної графіки має місце, оцінка показників цієї частини відеосистеми відіграє величезну роль, почасти просто через те, що в 2D-графіці вже досягнуто майже усе, що може бути необхідно більшості користувачів. 
 
Що стосується 3D-графіки, то, справедливості заради, треба відзначити, що якість і рівень виконання деяких ігрових відеокарт останнього покоління такі, що вони можуть навіть суперничати із супердорогими професійними платами. Робоча частота RAMDAC в ігрових платах досягла дуже високих значень - 350 і більш МГц. Багато плат представляють із себе вже не просто відеокарти, а цілі комбайни, де є і ТВ-тюнери, і пристрої захоплення

відеопотоку, і виводу сигналу на ТВ. Минулого року виник прямо-таки бум по виробництву стереоокулярів, що підсилюють сприйняття тривимірності сцени. Цими окулярами деякі виробники комплектують свої продукти, продаючи в такий спосіб цілий "комплект для аматорів пограти". 
 
Таким чином, ми маємо широку гаму відеокарт всіляких категорій. В даному розділі будуть розглянуті тільки ті карти, які мають масовий попит, а отже, ставляться до розряду масових.

 

Види відеокарт

Інтегрована відеокарта (шина PCI Express) – це відеокарта, тут мається на увазі, що у даного графічного рішення немає ні власного графічного процесора, ні власної відеопам'яті. За допомогою чіпсету, графіку обробляє центральний процесор, а замість відеопам'яті використовується оперативна. Таким чином такі "графічні адаптери для обробки графіки використовують ресурси процесора і оперативної пам'яті, що позначається не тільки на низькій продуктивності графічної обробки, але і знижує продуктивність ноутбука в цілому. Однак такий тип графічного рішення є найдешевшим і застосовується в бюджетних ноутбуках. А для кінцевого користувача це означає, що на такому ноутбуці, приспокойно працювати з офісними програмами, редагувати фото, дивитися відео, однак не можна грати в комп'ютерні ігри, оскільки таке графічне рішення просто не впоратися з таким навантаженням, а якщо і можна грати, то в дуже старенькі ігри або з мінімальними вимогами до графіку.

 

 
 
Дискретні відеокарти (шина PCI-Express) – це повноцінні графічні рішення, аналогічні настільним відеокартам, але адаптовані під умови мобільності. Такі графічні рішення мають власний графічний процесор і власну відеопам'ять. Існують різні дискретні карти в ноутбуках і вони розрізняються за продуктивністю аналогічно комп'ютерним. Для користувача це означає, що можна грати в ігри (обмежується продуктивністю карти) і працювати зі складними графічними програмами. Проте є і мінус – такі відеокарти дуже ненажерливі в плані енергоспоживання, тобто чим потужніший відеокарта, тим менше такий ноутбук пропрацює від акумулятора. Ну і звичайно, ноутбуки з дискретними відеокартами коштують набагато дорожче, ніж з інтегрованими.

 

 

 

Третій тип графічних рішень – гібридні. По суті це проміжне рішення між дискретними і інтегрованими, як за ціною, так і по продуктивності і енергоспоживання. Такі графічні рішення мають власне графічне ядро (інтегроване в чіпсет) і невеликий обсяг власної відеопам'яті, як у дискретних відеокарт, однак на відміну від дискретних такі картки для розширення відеопам'яті використовують також і оперативну пам'ять. Наприклад, може бути написано, що встановлена гібридна 128Мб відеокарта з власною оперативною пам'яттю і розширювана за рахунок оперативної до 256Мб. Таке рішення підійде для більшості користувачів, які крім офісних завдань, хочуть ще працювати з професійними графічними програмами (в деяких випадках з деякими обмеженнями) , а також грати в ігри, нехай і не найсучасніші або з не високими налаштуваннями деталізації ігор. Так NVIDIA назвала цю технологію TurboCash, ATI назвала її ж НурегMemory.

 

 

 

 

 

 

Основные параметры видеокарт

 Видеокарта, это достаточно сложное устройство, которое состоит из множества блоков, каждый из которых выполняет свою функцию. От их количества и характеристик зависит скорость и качество рендеринга изображения. Сравнивая характеристики этих блоков можно, хотя бы примерно, понять, насколько быстра та или иная модель видеокарты.

 Тактовая частота графического процессора (GPU)

Эта характеристика видеокарты напрямую влияет на производительность графического процессора. Ведь чем больше частота - тем больший объем информации (пикселей, вершин, и т.д.) GPU может обработать в определенный промежуток времени. То есть, одинаковый GPU работающий на частоте 950МГц, будет обладать большей производительностью, чем такой же чип, работающий на частоте 900МГц. И, скорее всего, остальные основные характеристики этих чипов будут отличаться таким же образом. Однако следует учитывать то, что в современных видеокартах все немного сложнее, и тактовая частота графического процессора - это не единственный параметр, который определяет его производительность. Помимо этого, на производительность графического чипа достаточно большое влияние также оказывает и его архитектура, а именно количество разнообразных исполнительных блоков и их характеристики. В последних моделях графических процессоров также не редки случаи, когда тактовая частота из различных блоков может отличаться. То есть, различные блоки видеокарты могут работать на различных частотах. Это решение применяется в угоду эффективности, ведь одни блоки способны работать на более быстрой частоте, а другие - нет. Например, графический процессор может работать на частоте 600МГц, а шейдерный блок на частоте 1100МГц.

 

 Скорость заполнения (fill rate, филлрейт)

Скорость заполнения - это одна из самых важных характеристик видеокарты. Она обозначает количество пикселей, для которых видеокарта способна просчитать освещение, фрагментные шейдеры, антиалиасинг и т.п. Для современных видеокарт различают два вида скорости заполнения: • Пиксельную - демонстрирует скорость отрисовки пикселей на экране; • Текстурную демонстрирует скорость выборки данных текстуры. Пиксельная скорость заполнения зависит от рабочей частоты GPU и количества блоков ROP (блендинга и растеризации), а текстурная - зависит от частоты GPU и количества текстурных блоков. Для того чтобы узнать пиксельную или текстурную скорость заполнения, необходимо частоту умножить на количество пиксельных или текстурных блоков видеокарты. То есть, например, для видеокарты NVIDIA GeForce GTX 275 пиксельная скорость заполнения составит 633 (частота GPU) x 28 (блоки ROP) = 17724 мегапикселей/с, а текстурная - 633 (частота GPU) x 80 (количество текстурных блоков) = 50640 мегатекселей/с. Несмотря на то, что важность скорости заполнения в последнее время снизилась, эти параметры еще остаются достаточно важными, особенно в играх с относительно простыми вершинными и пиксельными вычислениями. При этом необходимо учитывать, что для оптимальной производительности видеокарты эти параметры должны быть сбалансированными. Именно, поэтому в современных GPU количество текстурных блоков больше, чем блоков растеризации (ROP).

Количество процессоров/шейдерных блоков

На сегодняшний день шейдерные блоки - одна из главных составляющих видеокарты. Именно они выполняют специальные вычислительные графические программы - шейдеры. В отличие от старых видеокарт, в которых вершинные шейдеры выполнялись вершинными блоками, а пиксельные - пиксельными, в современных моделях эта часть графической архитектуры была унифицирована, теперь шейдерные блоки универсальные и занимаются как пиксельными, так и геометрическими и универсальными вычислениями. Впервые это решение было применено в графическом процессоре компании ATI для консоли Xbox 360. А в графических процессорах для настольных ПК унифицированные шейдерные блоки впервые были реализованы в GeForce 8800. По количеству шейдерных блоков и их тактовой частоте можно сравнить математическую производительность различных видеокарт. Например, если графический процессор видеокарты содержит 192 шейдерных блока, а второй - 384, то при одинаковой тактовой частоте вторая видеокарта будет вдвое медленнее при обработке любого типа шейдеров, и настолько же менее производительной. Но, следует помнить, что только на основании количества шейдерных блоков нельзя судить о производительности видеокарты. Не менее важны и такие параметры как тактовая частота, различная архитектура у блоков и производителей чипов. По количеству шейдерных блоков можно сравнить графические процессоры одного производителя, и в пределах одной линейки. В других случаях лучше посмотреть на результаты тестов производительности в различных бенчмарках и играх.

 Текстурные блоки (TMU)

 Как можно  понять из названия этих блоков, они осуществляют выборку и  фильтрацию текстур и других  необходимых для построения сцены  данных. Количество текстурных блоков в графическом процессоре определяет его текстурную производительность - а именно скорость выборки текселей из текстур. Несмотря на то, что в современных архитектурах графических процессоров все больший упор производится на математические расчеты, нагрузка на текстурные блоки по прежнему остается достаточно высока. Это происходит из-за того, что помимо основных текстур необходимо производить выборки из карт нормалей и смещений, а также внеэкранных буферов рендеринга (render targer). Именно поэтому высокая текстурная производительность является одной из самых важных характеристик графических процессоров. Особенно важен этот параметр при использовании в сценах антизотропной фильтрации, сложных алгоритмов мягких теней.

 Блоки блендинга и растеризации (ROP)

 Эти блоки  отвечают за осуществление операций  записи рассчитанных видеокартой  пикселей в буферы, и операции  по их смешиванию (блендинг). Как  уже отмечалось выше, производительность  блоков блендинга и растеризации  влияет на пиксельный филлрейт, а это одна из главных характеристик видеокарт. Несмотря на то, что в современных видеокартах ее влияние на производительность снизилось, бывает, что производительность приложений зависит от количества блоков растеризации и их скорости. Наиболее часто это проявляется при активном использовании различных фильтров постобработки и включенном при высоких настройках графики в играх антиалиасинге. Отметим, что производительность современных GPU нельзя оценить только по количеству различных блоков и их тактовой частоте. Следует учитывать и различия в архитектуре самих графических процессоров, поскольку в чипах различной архитектуры производительность за рабочий такт у блоков может сильно отличатся.

 Блоки обработки геометрии

 До недавнего  времени количество этих блоков не имело большого значения, а графическому процессору достаточно часто хватало только одного блока. Важность количества этих блоков и параллельной обработки геометрии выросли с появлением поддержки тесселяции геометрии в Direct X11. Первенцем в параллельной обработке геометрических данных стала компания NVIDIA. Именно в графических процессорах GF1xx впервые появились сразу несколько этих блоков. Немногим позже аналогичное решение выпустила и компания AMD. Поэтому, в современных играх, вроде HAWX 2 и Metro 2033 (использующих тесселяцию), количество блоков обработки геометрии очень сильно влияет на производительность. И именно поэтому на количество этих блоков также стоит обращать внимание при выборе видеокарты.

Ширина шины памяти

Ширина шины памяти - это одна из самых важных характеристик, которая влияет на пропускную способность памяти. Большая ширина шины позволяет за один рабочий такт передать большее количество информации из графического процессора в память видеокарты. В большинстве случаев это очень сильно влияет на производительность, ведь теоретически за 1 рабочий такт по 256-битной шине можно передать вдвое больше информации чем по 128-битной. На практике, при рендеринге сцен, разница в скорости хоть и меньше двух раз, но не сильно далека от этого показателя. В современных видеокартах используется шина памяти с шириной от 64 до 384 бит. Стоит отметить, что раньше встречались модели видеокарт и с 512-битной шиной, но в современных видеокартах площадь кристалла GPU настолько мала, что физически не позволяет осуществить разводку на шину подобной ширины. Поэтому наращивание пропускной способности сейчас производится путем применения новых типов памяти.

Частота видеопамяти

Этот параметр также влияет на пропускную способность памяти видеокарты. Увеличение пропускной способности памяти зачастую сильно влияет на производительность видеокарты в трехмерных приложениях, таких как игры. В современных моделях видеокарт частота шины памяти бывает от 533 (с удвоением - 1066) МГц до 1735 (5500 с учетверением) МГц. То есть, частота может отличаться более чем в пять раз! А так как пропускная способность зависит не только от частоты, но и от ширины шины памяти, то у памяти работающей на частоте 800 (3200) МГц с 256-битной шиной будет большая пропускная способность, чем у памяти со 128-битной шиной, но на частоте 1000 (4000)МГц. При покупке относительно недорогих видеокарт следует уделять этой характеристике особое значение, поскольку многие производители подобных моделей зачастую используют 128-битную или 64-битную шину, что весьма серьезно влияет на их производительность.

Типы видеопамяти

В современных видеокартах используется несколько типов видеопамяти. В основном, преимущество использования новых типов памяти в видеокартах заключается в возможности работы на более высоких частотах, а значить – с более высокой пропускной способностью. Как правило, в моделях современных видеокарт можно встретить видеопамять следующих типов: • GDDR3 – память, в которой применены аналогичные DDR2 технологии, но улучшены такие характеристики, как тепловыделение и энергопотребление. Благодаря этому модули этой памяти достигают больших тактовых частот по сравнению с DDR2. • GDDR4 – работает примерно вдвое быстрее GDDR3, а основные отличия между ними заключаются в повышенных тактовых частотах у GDDR4 и более низком энергопотреблении. Технически эта память представляет собой дальнейшее улучшение идей заложенных в GDDR3. • GDDR5 – работает на учетверенной тактовой частоте (до 5,5ГГц, теоретический максимум - 7ГГц), обеспечивает пропускную способность до 176ГБ/с с 256-битной шиной памяти. По сравнению с GDDR4, GDDR5 обладает вдвое меньшей площадью кристаллов и энергопотреблением, а ее производительность примерно вдвое выше. Обращая внимание на тип памяти при выборе видеокарты, следует руководствоваться тем, что более поздние типы видеопамяти, как правило, обеспечивают большую производительность. Также стоит остерегаться недорогих видеокарт с "неграфической" памятью типа DDR3, она работает на значительно меньших частотах.