Pojęcie karty graficznej

• Karta graficzna jest najważniejszą kartą rozszerzeń. Montuje

się ją w jednym ze slotów na płycie głównej. Odpowiada ona

za otrzymanie obrazu na monitorze. Zmienia ona sygnały

przetwarzane przez procesor na format, który może być

wyświetlany

przez

monitor.

Najmniejszą

jednostką

wykorzystywaną przez kartę graficzną do wytworzenia obrazu

jest piksel. O ile karta nie jest wyposażona we własny

procesor, każdy piksel (oznaczający jeden punkt obrazu) jest

obliczany przez procesor komputera. Im więcej kolorów

zawiera dany obraz, tym większa ilość pamięci jest potrzebna

do jego wyświetlania. Każdy obraz utworzony przez procesor

jest umieszczany w pamięci karty graficznej w postaci mapy

bitowej. Specjalny konwerter cyfrowo-analogowy (RAMDAC)

przekształca

następnie

taką

cyfrową

informacje

na

odpowiednie impulsy elektryczne, które później przesyła do

monitora.

Budowa Karty Graficznej

•

Typowa karta graficzna składa się z czterech elementów: płytki drukowanej,
procesora graficznego, pamięci (zwykle w postaci kilku kostek) oraz układu
RAMDAC (często integruje się go z procesorem graficznym w jednej kości).
Karta graficzna komunikuje się z komputerem poprzez jedną z czterech
magistrali: ISA (spotykaną w pierwszych kartach graficznych), Vesa Local Bus
(używaną w niektórych systemach z procesorem 486), PCI , AGP, oraz
najnowszą Pci-Express.
Po otrzymaniu informacji od procesora komputera (CPU) o potrzebnej grafice,
chip karty przygotowuje ją, pomagając sobie zainstalowaną na karcie pamięcią
(w przypadku kart AGP do przechowywania tekstur używana jest dodatkowo
pamięć komputera).
Gdy obraz jest już gotowy, zapisywany jest w obszarze wydzielonym w pamięci
karty w postaci zbioru różnokolorowych punktów. Ów zbiór punktów zwany jest
ramką (frame), zaś obszar pamięci - buforem ramki (frame buffer).
Przykładowo, grafika o rozdzielczości 1024x768 przy 24-bitowym kolorze
zajmuje ok. 2,36 MB. Wyliczyć można to w dość prosty sposób: mapa bitowa o
rozdzielczości 1024x768 składa się z 1024x768 = 786432 punktów. Kolor
każdego z nich opisany jest na 24 bitach, czyli trzech bajtach. Zatem jedna
ramka zajmuje w pamięci 1024x768x3 bajty = 2359296 bajtow. Karta
graficzna musi mieć więc co najmniej 2,5 MB pamięci (czyli w praktyce 4 MB),
by wyświetlić rozdzielczość 1024x768 przy 16,8 mln kolorów.
Z bufora ramki dane pobierane są punkt po punkcie przez układ RAMDAC. Ten
zamienia cyfrowo opisane punkty na analogowe impulsy prądu o napięciu
zależnym od koloru punktu. Na ich podstawie powstaje obraz na monitorze.

Budowa Karty Graficznej

D-SUB, gniazdo wyjścia
TV.
cyfrowe złącze DVI

Schemat Bloków Karty

Graficznej

Skok w Trzeci wymiar

•

Zmiany jakościowe, jakie nastąpiły na polu programów graficznych a szczególnie

gier związane były początkowo z rozwojem sprzętu, jednak obecnie wydaje się,

że to nowe programy wymuszają powstawanie specjalistycznych rozwiązań, a

nie na odwrót. Początkowo gry bazowały na płaskiej, dwuwymiarowej grafice.

Wszelkie rysowane obiekty były jednoznacznie określone współrzędnymi x i y.

Podczas przetwarzania danych w dwóch wymiarach najczęściej wykonywane

były funkcje odpowiedzialne za przenoszenie odpowiednich bitmap z jednego

obszaru pamięci w inny. Dodatkowo bitmapy te można było wzbogacić różnymi

efektami specjalnymi związanymi np.: z paletą kolorów. Można też było używając

odpowiednich masek bitowych dokonywać prostych transformacji. Operacje na

takich elementach graficznych były i są proste, nie wymagają ogromnych mocy

obliczeniowych (przynajmniej jak na dzisiejsze komputery). Niestety, w

środowisku 3D sprawy znacznie się komplikują. Tutaj każda wyświetlana ramka

wymaga przeglądnięcia i odpowiedniego przetworzenia bazy modelowanych

obiektów. W przypadku grafiki dwuwymiarowej wystarczała ingerencja tylko w

ten obszar pamięci obrazu, gzie następowała zmiana np.: położenia obiektu. W

środowisku 3D prosta zmiana położenia obiektu powoduje konieczność

przetworzenia dużo większej ilości informacji, niekiedy przebudowania całej

trójwymiarowej sceny. Związane jest to zarówno z obecnością dodatkowych

atrybutów, takich jak oświetlenie (cieniowanie) oraz z samym sposobem

przechowywania modelowanych obiektów w tzw. Z-buforze. Transformacja

geometrii modelowanego świata, wyznaczenie nowych współrzędnych x, y, z

pozwala dopiero na wygenerowanie odpowiedniego obrazka.

• Karta rozszerzeń, umiejscawiana na płycie

głównej poprzez gniazdo ISA, PCI lub AGP,
(najnowsze PCI - ex), która odpowiada w
komputerze za obraz wyświetlany przez
monitor.

AGP

PCI - Ex

Gniazdo
zasilające

Gniazda kart Graficznych

AGP

•

To typ magistrali opracowany przez

inżynierów firmy Intel.Standard ten nie

został stworzony z myślą o

wyeliminowaniu szyny PCI, lecz po to aby

ją uzupełnić.Sama idea działania AGP jest

bardzo prosta: otóż karta graficzna z

nową magistralą może użyć dowolnej

ilości pamięci operacyjnej komputera, a

dzięki niezależnej szynie sprzętowej

zapewnia bardzo szybki transfer danych.

Rozwój oprogramowania multimedialnego

(czyli w praktyce właściwie gier)

uświadomił twórcom standardu PCI, że

ich magistrala nie jest już w stanie

poradzić sobie z transferem tak

olbrzymich ilości danych. Okazuje się że

w przypadku niektórych aplikacji,

zwłaszcza tych które korzystają z grafiki

3D, standardowe 132 MB/s oferowane

przez PCI już nie wystarcza. Nowy

standard zdaje się rozwiązywać ten

problem. Pierwotnie nowa technologia

miała być przeznaczona jedynie dla płyt

głównych obsługujących procesory

Pentium II, na przykład dla chipsetu 440

LX. Ale wkrótce kilku niezależnych

producentów z Tajwanu (między innymi

VIA) opracowało chipsety obsługujące

port AGP w standardowych płytach

Pentium z gniazdem Socket 7.

Port AGP

Standardy AGP

• AGP x1 - standardowa szybkość szyny 266 MB/s przy

częstotliwości taktowania 66 MHz (czyli dwa razy więcej niż w
przypadku szyny PCl);

• AGP x2 - maksymalna przepustowość 532 MB/s. Transfer

danych jest inicjowany narastającym i opadającym zboczem
sygnału taktującego. Obniżono również napięcie z 5V do
3,3V.W efekcie następuje pozorny wzrost częstotliwości zegara
do 133 MHz;

• AGP x4 - do zrealizowania jedynie na płytach głównych z

częstotliwością szyny 100 Mhz. Wprowadzona została przez
Intela do specyfikacji 2.0 Teoretyczna przepustowość sięga
1064 MB/s a praca odbywa się przy obniżonym do 1,5V
napięciu.

• AGP X8 – najszybszy transfer danych na poziomie 2128 MB/s

– Dodatkowo szyna AGP potrafi inicjować kolejny transfer danych,

mimo tego, iż poprzedni się jeszcze nie zakończył. W przypadku
standardu PCI polecenie transmisji danych może być rozpoczęte
dopiero po zakończeniu poprzedniego transferu.

Zalety AGP

•

możliwość pobierania tekstur bezpośrednio z pamięci operacyjnej komputera;

•

do czterech razy większa niż w przypadku PCI szybkość transmisji danych graficznych;

•

szybszy dostęp procesora do danych w pamięci RAM, niż w lokalnej pamięci karty
graficznej;

•

przeznaczenie jedynie dla kart graficznych. Nie ma konieczności dzielenia się szyną z
innymi urządzeniami, jak w przypadku PCI (na przykład karta graficzna, sieciowa itp.).
Na sukces AGP składają się następujące technologie:

–

DIME (Direct Memory Execute) - czyli możliwość szybkiego pobierania tekstur z pamięci
operacyjnej, bez ich uprzedniego umieszczania w pamięci karty graficznej;

–

GART (Graphics Address Remmaping Table) - wolna pamięć RAM jest tu widziana przez kartę
graficzną jako jej własny obszar pamięci.

•

Mimo że nie widać tego na pierwszy rzut oka, AGP stanowi jedynie pewne przedłużenie
magistrali PCI i nie jest magistralą jako taką. Nie ma i nie będzie płyt głównych z
wieloma gniazdami AGP bowiem jedynym urządzeniem umieszczonym w takim
gnieździe może być karta grafiki. Karty AGP posiadają dwustronną listwę połączeniową o
132 kontaktach. Odpowiednie kontakty otrzymują sygnały zapewniające poprawną
pracę magistrali. Występujące sygnały przejęto z magistrali PCI oraz dodano 32 linie
magistrali AGP (AD [31-0]) jak również sygnały SBA[7-0] spełniające rolę pomocniczej
magistrali SBA (Side Band Adress port), wykorzystywanej do transportu adresów i
rozkazów.

Dodatkowo szyna AGP potrafi inicjować kolejny transfer danych, mimo tego, iż
poprzedni się jeszcze nie zakończył. W przypadku standardu PCI polecenie transmisji
danych może być rozpoczęte dopiero po zakończeniu poprzedniego transferu.

PROCESOR

• Układy takie pomagają procesorowi komputera rysować linie,

trójkąty, prostokąty, potrafią wygenerować obraz trójwymiarowy,

pokryć go odpowiednią tzw. teksturą itd…

• Procesor karty graficznej komunikuje się z pamięcią wysyłając i

pobierając z niej informacje o obrazie w tzw. paczkach.

• Procesory 64-bitowe wysyłają paczki 64-bitowe (8-bajtowe), za
128-bitowe paczki 16 bajtowe. To czy procesor jest 64-bitowy czy

128-bitowy, praktycznie nie powoduje dwukrotnej różnicy

prędkości na korzyść układów 128-bitowych. Przewaga zaczyna

być widoczna przy pracy w wyższych rozdzielczościach

UKŁAD RAMDAC

•

Układ RAMDAC pobiera dane o obrazie wygenerowanym przez procesor karty

graficznej. Dane te są w postaci zbioru różnokolorowych punktów. Następnie

RAMDAC zamienia je na sygnały analogowe i wysyła do monitora. Im szybszy

RAMDAC, tym więcej potrafi wysłać informacji w ciągu sekundy co ma

bezpośredni wpływ na częstotliwość odświeżania (jest to liczba pojedynczych

obrazów, jakie wyświetla monitor w ciągu sekundy. Częstotliwość 60Hz oznacza,

że w ciągu sekundy na ekranie monitora rysowanych jest 60 pełnych obrazów.

Oko ludzkie przestaje odróżniać "skoki" między obrazami już przy szybkości ok.

25 obrazów na sekundę, więc częstotliwość 60Hz wydawałaby się aż za duża.

Jak się okazuje w praktyce, przy 60Hz prawie nie widać migotania obrazu, ale

nasze oczy się męczą. Dlatego do pracy przy komputerze powinniśmy ustawiać

częstotliwość co najmniej 75Hz, zaś im więcej tym lepiej. Warto przy tym

wiedzieć, że ustawienie częstotliwości większej niż 85Hz nie ma już wpływu na

nasz wzrok.

PAMIĘĆ VIDEO

• Każda karta graficzna ma własną pamięć RAM, w

której przechowuje potrzebne informacje o
obrazie.

• W pamięci tej przechowywane są dane o każdym

punkcie obrazu, a także tekstury (w postaci map
bitowych) oraz dane o głębi (z pamięci jest w tym
celu wydzielany tzw. bufor Z).

Pamięć

RAM

Dodatkowe możliwości kart graficznych

1.

Większość współczesnych kart graficznych wyposażanych jest w dodatkowe

układy, umożliwiające współpracę z odbiornikiem TV, magnetowidem i

kamerą. Jednym z tych układów jest dekoder, służący do zamiany

analogowego sygnału Video (pochodzącego np. z kamery lub magnetowidu)

na sygnał cyfrowy; drugi natomiast, zwany enkoderem, realizuje funkcję

odwrotną - zamienia sygnał cyfrowy obrazu (wytworzony przez procesor

graficzny karty) na sygnał analogowy.

Dekoder (ang. Video Decoder) realizuje zamianę sygnału analogowego, wg

standardu S-Video i Composite Video, pochodzącego z odbiornika TV, kamery

lub magnetowidu, na sygnał cyfrowy wg standardu YUV. Enkoder (ang. Video

Encoder) realizuje funkcje odwrotną - zamienia sygnał cyfrowy YUV

(wytworzony przez procesor graficzny), na sygnał analogowy (wg standardu S-

Video i Composite Video), umożliwiający wyświetlanie obrazu za pomocą

odbiornika TV lub zapis tego obrazu na taśmie magnetowidowej. Większość

dekoderów i enkoderów dokonuje obróbki sygnału telewizyjnego zapisanego w

obu systemach telewizji kolorowej: NTSC i PAL. System NTSC (stosowany w

Stanach Zjednoczonych i Japonii), generuje obraz z rozdzielczością 640 x 480

(lub 720 x 480 wg standardu CCIR601) i z częstotliwością 30 klatek na

sekundę. W systemie PAL (stosowanym w Europie) obraz posiada

rozdzielczość 768 x 576 (lub 720 x 576 wg standardu CCIR601) oraz

częstotliwość wyświetlania klatek rzędu 25 Hz.

Każda karta graficzna posiada 15-stykowe zewnętrzne złącze VGA,

umożliwiające podłączenie monitora. Karta wyposażona dodatkowo w dekoder

i enkoder video, powinna posiadać złącza umożliwiające podłączenie źródeł

sygnału (magnetowid, kamera, tuner TV) oraz odbiorników sygnału video

(magnetowid lub odbiornik TV). Mogą; być to złącza:

2.

S-Video (wejściowe, input) i Composite Video (wejściowe, input),

3.

S-Video (wyjściowe, output) i Composite Video (wyjściowe, output).

Współczesna karta graficzna może posiadać jeszcze następujące dodatkowe

złącza rozszerzeń, znajdujące się na płytce karty:

Tryby pracy karty VGA

Numer

trybu

(Hex)

Rozdzielcz

ość

Pole

znak

u

Liczba

kolorów

Tryb

0, 1

320x200

8x8

16/256K

tekstowy 40x25

2, 3

640x200

8x8

16/256K

tekstowy 80x25

4, 5

320x200

4/256K

graficzny

6

640x200

2/256K

graficzny

7

720x350

9x14

mono

tekstowy 80x25

D

320x200

16/256K

graficzny

E

640x200

16/256K

graficzny

F

640x350

mono

graficzny

10

640x480

16/256K

graficzny

11

640x480

2/256K

graficzny

12

640x480

16/256K

graficzny

13

320x200

256/256K

graficzny

KONIEC