Budowa i

działanie kart

graficznych

Budowa karty graficznej

(Pamięć)

RAM

Karty

graficznej

Układ

graficzny

i

RAMDAC

Wyjście

monit.

D-Sub

BIOS

kwarc

(układ

taktujący)

Łącze

karty

graficzne

j

BIOS

• BIOS jest to ROM który można

modyfikować

• W BIOS-ie zapisane są podstawowe

instrukcje potrzebne do działania
karty graficznej

Łącza karty graficznej

• Łącza starego typu

– ISA 8 bitowe (przepustowośc 8 Mb)
– ISA 16 bitowe(przepustowośc 16 Mb)
– VESA Local Bus

(przepustowośc ok. 132 Mb)

– PCI

(przepustowośc 132 Mb)

• Łącza nowego typu

– AGP x1 (przepustowośc 264 Mb 32bity x66MHz)
– AGP x2 (przepustowośc 528 Mb)
– AGP x4 (przepustowośc 1 Gb)
– AGP x8 (przepustowośc 2 Gb)
– PCI Express x16

(przepustowośc 4Gb w kazdą stronę

16 bitów x 2,5 GHz)-na każde 10 bitów przesyłane są 2

bity transmisji czyli -20%

Łącza karty graficznej

Łącza kart graficznych ewoluowały wraz

rozwojem komputerów, każda ich

następna generacja potrafi szybciej

przesłać dane przez co przyspiesza

generowanie grafiki ale wymaga

odpowiedniej płyty głównej z danym

typem łącza co często wymusza

wymianę płyty i nierzadko procesora

RAM

• Taktowanie pamięci (MHz)

– Często taktowanie DDR RAM jest podawane mylnie, aby

uzyskać rzeczywistą prędkość pracy należy podzielić przez dwa

częstotliwość podawaną przez producenta

• Rodzaj pamięci (SDR, DDR, DDR2)

– SDR przesyła 1 bit na takt zegarowy

– DDR i DDR2 przesyła 2 bity na takt zegarowy

• Szerokość szyny pamięci (32,64,128,256 bit)

Zamieszczone parametry mają wpływ na szybkość

pracy karty graficznej

RAM

np.

(

166 MHz x 64 bity / 8 = 1328 MB )

Model karty

graficznej

Częstotliwoś

ć

Szerokość

szyny

Rodzaj

pamięci

Przepustowość

GF 2 MX 200

166 MHz

64 bity

SDR

1328 MB

GF 2 MX

166 MHz

128 bit

SDR

2656 MB

GF 2 MX 400

166 MHz

64 bit

DDR

2656 MB

GF 5900 XT

350 MHz

256 bit

DDR

22400 MB

(21,8 GB)

Ilość pamięci potrzebnej

dla danego trybu

graficznego

Ilosć bitów / bajtów

na pixel

1 bajt =
8
pixseli

1 bajt =

4 pixsele

1 bajt =
2
pixele

1 bajt =
1 pixel

2 bajty =
1
pixel

3 bajty =
1
pixel

Liczba kolorów

2 kolory

4 kolory

16
kolorów

256
kolorów

65 tysiecy
kolorów

16,7
miliona
kolorów

R

o

zd

zi

e

lc

zo

ś

ć

e

k

ra

n

u

640 x 480

37,5 KB

75 KB

150 KB

300 KB

600 KB

900 KB

800 x 600 58 KB

117 KB

234 KB

468 KB

968 KB

1,37 MB

1024 x
768

96 KB

192 KB

384 KB

768 KB

1,5 MB

2,25 MB

1280 x
1024

160 KB

320 KB

640 KB

1,25 MB

2,5 MB

3,75 MB

RAM

• Obecne karty graficzne posiadają 128

lub 256 MB RAM, dlaczego ?

– Karta graficzna w trybie 3D wykorzystuje

też pamięć na tzn. Bufor–Z który zajmuje
w zależności od trybu graficznego i jego
głębokości (16,24,32 bity) tyle co bufor
ramki

– Druga ważna rzecz to w pamięci karty

graficznej przechowywane są tekstury
wykorzystywane w programach 3D

Bufor – Z ilość pamięci

Głębokość

bufora

Rozdzielczość

16 bit

24 bity

32 bity

640 x 480

600 KB

900 KB

1,17 MB

800 x 600

968 KB

1,37 MB

1,82 MB

1024 x 768

1,5 MB

2,25 MB

3 MB

1280 x 1024

2,5 MB

3,75 MB

5 MB

Bufor – Z

Ma za zadanie

wyeliminować

niewidoczne punkty

tekstury które

„znajdują się dalej

od obserwatora” i są

zasłonięte przez

inne, by układ

graficzny mógł

przyspieszyć

obróbkę kolejnej

klatki obrazu

Tekstury

• Tekstury to bitmapy nakładane

na obiekt

• Karta graficzna dla ułatwienia

tworzenia obrazu tworzy

bitmapy w różnych rozmiarach

które są nakładane na

odpowiedniej wielkosci trójkąt

tworzący szkielet sceny 3D

• Dla przykładu tekstura

1024x1024 punkty i 24

bitowej wartości koloru plus 8

bitowej wartości

przeżroczystości tzw. Kanał

alfa zajmuje 4 MB

Wyświetlanie kolorów

• Przy ilości kolorów 256 lub mniej

RAMDAC pobiera dane z RAMu karty
graficznej (bufora ramki) gdzie jest
zapisany numer rejestru koloru z
którego ma pobrać pełną 24 bitową
daną o kolorze

Wyświetlanie kolorów

• Przy 16 bitowym kolorze dane o

kolorze znajdują się w pamięci karty
ale nie ma on pełnej skali barw

– R

5 bit (32 możliwości)

– G

6 bit (64 możliwości)

– B

5 bit (32 możliwości)

• Co daje 32 x 64 x 32 = 65536 kolorów

Wyświetlanie kolorów

• Przy 24 bitowym kolorze (3 bajty)

– R

8 bit (256 możliwości)

– G

8 bit (256 możliwości)

– B

8 bit (256 możliwości)

• Co daje 256 x 256 x 256 = 16777216

kolorów

– Czym wyższa wartość bajta tym na wyjściu

RAMDAC generuje wyższe napięcie co odpowiada
jaśniejszemu kolorowi składowej punktu

RAMDAC

• RAMDAC wg zadanych parametrów o

rozdzielczości i odświeżaniu obrazu na monitorze
cały czas pobiera dane cyfrowe o obrazie z
pamięci karty graficznej (tzw. Bufor ramki) i
generuje analogowy sygnał do monitora
osobnymi liniami by powstał tam obraz.

– R kolor czerwony

– G kolor zielony

– B kolor niebieski

– Odchylanie poziome
– Odchylanie pionowe

RAMDAC

• Przy rozdzielczości 800 x 600 ,16 bitowym

kolorze ( 65536 kolorów) i odświeżaniu 75 Hz

RAMDAC w ciągu sekundy potrzebuje

odczytać 800 x 2 bajty (16 bit) x 800 =

960000 bajtów x 75 Hz = 72.000.000 bajtów

(68,6 MB).

• Jego częstotliwość pracy powinna wynosić

ok. 800 x 600 x 75 Hz + 5% =38 MHz

• Wyższa częstotliwość pracy RAMDAC

umożliwia wyższe częstotliwości odświeżania

przy wyższych rozdzielczościach.

Budowa karty graficznej

Budowa karty graficznej

• Jednostka Transform & Lighting odciąża

procesor komputera od obliczeń związanych z

transformacjami geometrycznymi i

oświetleniem danej sceny

• Jednostki Vertex Shader służą do

modyfikacji wierzchołków siatek obiektów

• Jednostki Pixel Shader służą do modyfikacji

tekstur nakładanych na obiekty

• Jednostki Rastrujace zajmują się

obrabianiem tekstur i rasteryzacją sceny

Budowa karty graficznej

• Częstotliwość pracy układu

graficznego

• Ilość jednostek rastrujących
• Ilość jednostek vertex i pixel Shader
• Jakość sterowników

• mają wpływ na wydajność karty

graficznej

• Karta graficzna, aby

wyświetlić na
ekranie gotowy
obraz, musi
wykonać szereg
czynności na
danych
otrzymanych od
aplikacji 3D. Te
realizowane kolejno
kroki obliczeniowe
nazywane są
strumieniem
graficznym (ang. 3D
Graphics Pipeline)

Strumień graficzny można

podzielić na trzy główne fazy
obliczeń :

A Operacje geometryczne, takie jak

skalowanie obiektów wraz z
kalkulacjami oświetlenia

B Rendering czyli proces nakładania

tekstur i cieniowania

C Rasteryzacja polegająca na

przygotowaniu gotowego obrazu
do wyświetlenia na monitorze

• Pierwszym krokiem przy tworzeniu obrazu 3D jest

wyznaczenie współrzednych X,Y,Z dla wszystkich punktów
opisujących obiekty znajdujące się na scenie

• Kolejnym krokiem jest teselacja, czyli pogrupowanie węzłów

w trójki, na których przeprowadza się dalsze obliczenia

• Następną czynnością jest ustawienie geometrii polegające

na dopasowaniu sceny 3D do punktu patrzenia.

Następnym

elementem jest
kadrowanie sceny ,
umożliwia to
przyspieszenie
obróbki strumienia
graficznego poprzez
zmniejszenie
obliczeń
wykonywanych
przez karte
graficzną (jednostka
T&L) bądź procesor
komputera

• Kalkulacja oświetlenia polega na przypisaniu każdemu węzłowi

wektora o wartościach odpowiadających natężeniu, kierunkowi i

barwie światła padającego na dany wierzchołek oświetlonej bryły

• Dynamiczne operacje modyfikacji położenia węzłów siatki i zmiany

wartości wektorów oświetlenia wykonywane są dzięki modułom

Vertex Shader

• Teksturowanie - karta

graficzna przygotowuje
odpowiednie wielkości
bitmapy.

• Następną czynnością

jest wycinanie
odpowiedniego
fragmentu pasującego
do mapowanego
trójkąta. Operacja ta
nazywa się clippingiem.

• Mając przygotowane

tekstury karta przystępuje

do ich nakładania. Proces

ten nazywa się

mapowaniem.

• Powierzchnia może

posiadać kilka na siebie

nałożonych warstw tekstur,

niektóre z nich mogą być

półprzeźroczyste.

• Podczas mapowania

przeprowadzane są

również inne procesy takie

jak filtrowanie tekstur.

Podczas generowania

sceny 3D wszystkie
przetwarzane obiekty sa
w trójwymiarowej
przestrzeni. Pózniej będą
one wyświetlone na
płaskim ekranie
monitora. Aby uniknąć
zniekształceń na
ekranie monitora stosuje
się tzw. algorytmy
korekcji perspektywy.

• Ostatnią fazą

teksturowania są
modyfikacje nałożonych
już na obiekty bitmap.
Akcelerator wykonuje
je, wykorzystując do
tego celu jednostki
Pixel Shader.
Otrzymany efekt
końcowy zależy od
fantazji programisty.
Instrukcje shaderowe
mogą na przykład
rozkruszyć cegłę, jak na
przykładzie obok.

• Sama, nawet najlepsza tekstura nie

odtworzy gry świateł i cieni,
obserwowanej w codziennym życiu,
aby to uzyskać potrzebne jest
cieniowanie.

• Cieniowanie polega na zamianie

wektorów natęzenia światła
obliczonych dla każdego trójkąta a
więc i tekstury nakładanej na niego.

Sposoby cieniowania a

wrażenie gładkości powierzchni

• Cieniowanie płaskie

(najprostsze)

• Cieniowanie Gourauda

• Cieniowanie Phonga

(złożone, daje refleksy

światła)

• Ostatnim etapem jest rasteryzacja

czyli zamiana gotowej sceny
trójwymiarowej na zbiór pikseli
(bitmapę), które wyświetlone zostaną
na ekranie monitora.

• W czasie procesu rasteryzacji jest

wykorzystywany Z-bufor.

• Można również wykorzystać metodę

antyaliasingu czyli odpowiednim
rozmyciu krawędzi wzdłuż rysowanej
lini czy granicy kolorów.

• Po rasteryzacji w buforze

ramki mamy
przygotowaną do
wyświetlenia na na
ekranie scenę 3D, w
zależności od ilości
szczegółów, wielkości
sceny 3D i szybkości
pracy karty graficznej na
ekranie monitora
uzyskujemy mniej lub
bardziej płynną animacje
o mniejszej lub większej
liczbie szczegółów