Paweł Popielarski
Karty Graficzne
Spis treści
1. Wstęp & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & ......3
2. Omówienie kart graficznych EGA. VGA i SVGA.........................4
2.1. Tryby tekstowe& & & & & & & & & & & & & & & & & 7
2.2. Tryby graficzne& & & & & & & & & & & & & & & & & 9
2.3. Rozdzielczość obrazu..........................................................10
2.4. Tryby zapisu i odczytu pamięci obrazu................................10
2.5. Schemat działania karty graficznej........................................12
2.6. Standard VESA& & & & & & & & & & & & & & & & & 13
3. Pamięć lokalna akceleratora...........................................................15
3.1. Frame Buffer& & & & & & & & & & & & & & & & & ...16
3.2. Bufor Z/W.............................................................................17
3.3. Pamięć tekstur.......................................................................18
3.4. Rozmiar pamięci i organizacja..............................................19
3.5. Rodzaje pamięci kart graficznych.........................................20
3.6. RAMDAC..............................................................& & & 23
4. Przegląd nowych procesorów graficznych& & & & & & & & & .26
4.1. ATI. ......................................................................................26
4.2. nVidia...................................................................................27
4.3 Malrox....................................................................................27
4.4 Silicon Integraled Systems (SIS)...........................................27
4.5. Dopasowanie monitora do karty...........................................28
4.5.1. Parametry karty.................................................................28
4.5.2. Jakość monitora.........................................................28
4.5.3. Kanał informacyjny VESA DDC................................29
4.6. ZÅ‚Ä…cza cyfrowe.......................................................................30
4.6.1. TMDS..........................................................................31
4.6.2. P&D(EVC)................................................................31
1
4.6.3. DFP............................................................................31
4.6.4. DVI..............................................................................32
5. Podsumowanie& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .35
2
1. Wstęp
Jako temat mojej pracy obrałem sobie budowę i zastosowanie karty graficznej
(nazywanych wczesnej sterownikiem graficznym). To właśnie monitor i katara
graficzna jest najważniejszą częścią składowa komputera, bowiem decyduje
o komforcie pracy.
Od czasu kiedy powstał pierwszy PC, jakość stosowanych kart uległa zmianie.
Znaczny postęp czyli rewolucja techniczna spowodowała, że jedna karta wyprzedziła
drugą uzyskując szerszą popularność, mimo, że stała się jej kontynuacją. Pamiętam
swój pierwszy komputer, który dostałem wraz z bratem pod choinkę- miał czarno-biały
monitor. Jednak w chwili obecnej nikt już nie rozważa: czy wybrać monitor czarno-
biały czy kolorowy, choćby z tego powodu, że tych pierwszych już się nie produkuje.
DziÅ› padnie pytanie o monitor: analogowy czy cyfrowy?
W czasie kilkunastoletniego rozwoju komputerów IBM PC powstało kilka
konstrukcji sterowników graficznych umożliwiających osiąganie obrazu o coraz to
lepszych parametrach. To właśnie wzbudziło moją ciekawość i ogromne
zainteresowanie. Stan dzisiejszych kart graficznych jest efektem ewolucyjnych
przeobrażeń, które przedstawię na kilkudziesięciu stronach mojej pracy.
3
2. Omówienie kart graficznych EGA, VGA i SVGA
Sterownik EGA składa się z czterech głównych czynników niezbędnych do
funkcjonowania :
Øð ukÅ‚adu sekwencyjnego (sekwensera), który odpowiada za przetwarzanie
sygnału zegarowego, a tym samym za przesyłanie danych między pamięcią
obrazu, układem graficznym i układem określania zadania oraz za lokalizację
zbioru znaków.
Øð ukÅ‚adu graficznego, odpowiadajÄ…cego za przekazywanie przetwarzanie danych
pomiędzy pamięcią obrazu a procesorem i układem określania atrybutu.
Øð ukÅ‚adu sterowania atrybutem, sÅ‚użącego do zmiany kolorów zapisanych
w pamięci obrazu jako indeksy kolorów zdefiniowanych w rejestrach wzorców
kolorów.
Karta VGA natomiast wzbogacona jest o piÄ…ty element a mianowicie jest to
przetwornik cyfrowo-analogowy, który przetwarza strumień wzorców cyfrowych na
sygnał analogowy bezpośrednio przesyłany do monitora. Wszelkie powyższe układy
zawierają od kilkudziesięciu (karta EGA) do kilkuset (karta VGA) programowanych
rejestrów sterujących. Najprościej mówiąc karta graficzna to zbiór portów wejścia-
wyjścia oraz niezgłębiony obszar pamięci obrazu. Stąd programowanie sterownika
sprowadza się zatem do zapisu oraz odczytu z pamięci oraz portów wejścia-wyjścia.
Wspomnieć należy, iż pamięć obrazu jest odwzorowana automatycznie w procesorze
pomiędzy adresami A000:0000h a B000:FFFFh co pozwala na wykorzystanie do zapisu
lub odczytu instrukcji mov lub movs. Na pamięć obrazu przeznaczonych zostało 128 kB
obszaru adresowego przeznaczonego dla procesora. Jest to ilość wystarczająca dla kart
CGA, bowiem standardowy sterownik VGA ma już 256 kB pamięci RAM, a karta
SVGA co najmniej 512 kB. Z tego też powodu pamięć obrazu przetwarzana jest na
różne sposoby, w zależności od trybu określonej pracy sterownika. W trybach
przeniesionych po kartach CGA wykorzystywana jest ich spakowana (Packed) metoda
odwzorowania pamięci - w jednym bloku pamięci RAM. Każdemu punktowi na ekranie
jest przyporządkowany fragment bajtu określający numer koloru tego punktu,
4
zaznaczonego na rysunku (rysunek 1.1.). Natomiast pole odpowiadajÄ…ce jednemu
punktowi wynosi zwykle 1, 2, 4 lub 8 - co odpowiada2, 4, 16 lub 256 kolorom obrazu1.
Rysunek 2.1. Odwzorowanie obrazu w pamięci stosowane w trybie CGA
Podstawową metodą odwzorowania ekranu jest metoda płatowa(Planar, Bit
mapped) dla kart EGA i VGA, bowiem w układzie tym pamięć obrazu dzielona
jest na 4 płaty inaczej możemy powiedzieć bloki, z których każdy zawiera po 64 kB
każdy co przedstawia (rysunek 2.2.) W każdym bloku jednemu bitowi
przyporządkowany jest jeden punkt. W rezultacie powstaje struktura 256 kB pamięci
obrazu, która zajmuje 64 kB przestrzeni adresowej. Tak więc konsekwencją przyjętej
organizacji pamięci jest utrudniony dostęp do danych. Gdzie zapis lub odczyt będzie
wymagał dodatkowo programowania rejestrów układu graficznego2.
1
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.589-590
2
Ibidem
5
Rysunek 2.2. Odwzorowanie obrazu w pamięci stosowane w trybach EGA I VEGA
Karty SVGA umożliwiają współpracę z, co najmniej 512, kilobajtową pamięcią obrazu,
ponieważ na pamięć tego obrazu zarezerwowanych jest 128 kB przestrzeni adresowej
procesora, do dostępu do pamięci karty SVGA wykorzystują technikę stronicowania,
która polegającą na kojarzeniu niewielkiego obszaru pamięci (okna) w przestrzeni
adresowej z różnymi fragmentami większego obszaru pamięci . Każdy zapis lub odczyt
miejsca (adresu) położonego wewnątrz tego danego okna spowoduje automatycznie
zapis lub odczyt odpowiadajÄ…cego mu bajtu w banku, gdzie rozmiar banku i okna
wynosi zwykle 64 kB.
Stronicowanie pamięci wykorzystuje jedną z następujących technik:
f&pojedyncze okno (rysunek 2.3),
f&dwa nakładające się okna (rysunek 2.4),
f&dwa nie nakładające się okna (rysunek 2.5).
W przedstawionych metodach stronicowania pamięci ważnym jest odstęp pomiędzy
początkami kolejnych banków (Gramdarity)  może być on mniejszy niż rozmiar
banku. W trybach graficznych SVGA w obrębie banku odwzorowanie pamięci obrazu
jest identyczne jak w analogicznych trybach VGA.
6
2.1 Tryby tekstowe
W trybach tekstowych pamięć obrazu sterowników EGA, VGA i SVGA
rozmieszczona jest podobnie jak w sterowniku MDA i CGA. Dlatego też zachowana
jest całkowita zgodność pomiędzy poszczególnymi kartami graficznymi.
Rysunek 2.3.
Stronicowanie pamięci
technikÄ… pojedynczego okna
Rysunek 2.4.
Stronicowanie pamięci
technikÄ…
dwóch nakładających się
okien
Rysunek 2.5.
Stronicowanie pamięci
techniką dwóch
nieodkładających się okien
Znaki określane są przez dwa bajty pamięci obrazu: jeden z nich zawiera kod
ASCII wyświetlanego znaku, drugi z kolei tylko jego dane, więc wyświetlanie
odbywa się szybko. Ważne jest to, że pamięć obrazu może przechować o ośmiu stron
tekstu co w głównej mierze uzależnione jest od trybu pracy a przede wszystkim
zainstalowanej pamięci. Dla porównania tryby tekstowe zamieściłem w tabeli (2.1.).
Każdy ze Starowników graficznych zawiera w sobie stałe zestawy znaków, które ma
zapisane w własnej stałej pamięci. W przypadku sterowników EGA, VGA i SVGA jest
7
możliwa zmiana miejsca, z którego mogą być pobierane a zarazem wyświetlane znaki.
Pierwszym krokiem jest przygotowanie tzw. matrycy znaków, którą należy wskazać
sterownikowi graficznemu, pamiętając przy tym korzystając z funkcji 11h podfunkcje
(00h i l 0h) BIOS-u sterownika. Posłużyć możemy się tym w celu chociażby do uzyskania
polskich znaków diakrytycznych, bez dokonywania żadnych innych zmian czy
przeróbek. Mankamentem jest również to, iż sterowniki SVGA posiadają dodatkowe
tryby tekstowe: 80x30, 80x43, 80x60, 132x25, 132x30, 132x43. 132x60 -wszystkie w 16
kolorach3.
Tabela 2.1. Tekstowe tryby pracy kart graficznych
Numer
trybu Rozdzielczość Liczba kolorów Karta graficzna Adres początku pamięci obrazu
0h 40x25 16/8 szarości CGA, EGA, VGA B8000h
1h 40x25 16-sie CGA,EGA,VGA B8000h
2h 80x25 16/8 szarości CGA,EGA,VGA B8000h
3h 80x25 16-sie CGA,EGA,VGA B8000h
7h 80x25 3 MDA,EGA,VGA B0000h
3
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.592
8
2.2. Tryby graficzne
Tryby graficzne świadczą o pamięci obrazu a ich kolejne komórki pamięci obrazu
przedstawiają punkty ułożone w poziomych i liniach odczytywane od lewej do prawej
strony i od góry do dołu. W trybach czterokolorowych pojedynczy punkt opisywany
jest dwoma bitami, w szesnastokolorowych  czterema. Natomiast w 256-kolorowym
trybie 13h pojedynczy punkt opisywany jest jednym bajtem. Wszelkie dostępne tryby
graficzne sterowników EGA i VGA zgromadziłem w tabeli 2.2.
Warto nadmienić, że sterowniki SVGA oferują dodatkowe tryby graficzne, na przykład
tryb 640x480 w 256 kolorach, 800x600 w 16 i 256 kolorach lub tryb 1024x768 w 16
i 256 kolorach.
Tabela 2.2. Graficzne tryby kart graficznych
Segment
Numer Liczba Rozmiar pamięci Zgodny ze
trybu Rozdzielczość kolorów znaku obrazu sterownikiem
04h 320x200 4 8x8 B800h CGA,EGA
05h 320x200 4(szarości) 8x8 B800h CGA,EGA
06h 640x200 2 8x8 B800h CGA,EGA
0Dh 320x200 16 8x8 A000h EGA,VGA
0Eh 640x200 16 8x8 A000h EGA,VGA
0Fh 640x350 3 8x14 A000h EGA,VGA
10h 640x350 4 8x14 A000h EGA,VGA
11h 640x480 2 8x16 A000h VGA
12h 640x480 16 8x16 A000h VGA
13h 320x200 12 8x16 A000h VGA
9
2.3 Rozdzielczość obrazu
Za rozdzielczość obrazu w monitorze analogowym odpowiedzialne są parametry
geometryczne, a liczba odtwarzanych kolorów jest nieograniczona. Monitory LCD
i TFT posiadają matryce, które mają określoną liczbę punktów świetlnych w pionie
i poziomie. W tabeli 2.3. przedstawiono skróty używane na określenie współcześnie
stosowanych trybów rozdzielczości.
Tabela 2.3. Nazwy trybów rozdzielczości
Skrót Rozdzielczość Pełna nazwa
VGA 640x480 VGA
SVGA 800x600 Super VGA
XGA 1024x768 eXtended Graphics Array
SXGA 1280x1024 Super XGA
UXGA 1600x1200 Ultra XGA
HDTV 1920x1080 High-Definitioin TV
QXGA 2048x1536 Quad Xga
2.4. Tryby zapisu i odczytu pamięci obrazu
Pamięć karty w trybach graficznych to ciągły obszar RAM. Dlatego zapis lub
odczyt danych nie sprawia kłopotów. W trybach graficznych o płatowej organizacji
pamięci obrazu, odczyt lub zapis komórek pamięci może być różnie zinterpretowany
przez poszczególne układy karty. Z tego powodu wprowadzone zostały cztery tryby
zapisu i dwa tryby odczytu:
Øð Tryb zapisu 0
W zerowym trybie zapisu dane przesyłane przez procesor zapisywane są
bezpośrednio w pamięci obrazu. Podczas odczytu cztery bajty z poszczególnych
płatów pamięci obrazu zapisywane są w rejestrach zatrzaskowych.
Możliwie jest wykonanie operacji logicznych AND, OR lub XOR, których drugim
argumentem jest zawartość rejestrów zatrzaskowych. Dane mogą być zapisywane
osobno do poszczególnych płatów; jedną instrukcją mov można zapisać cztery bajty
pamięci obrazu, po jednym bajcie na płat.
Øð Tryb zapisu 1
10
Instrukcja mov pozwala na modyfikowanie płatów pamięci obrazu przy korzystaniu z
zawartości rejestrów zatrzaskowych. Ten tryb zapisu pozwala na szybkie kopiowanie
obszarów pamięci obrazu.
Øð Tryb zapisu 2
Z kolei w tym trybie wszystkie cztery płaty mogą być modyfikowane przez cztery
najbardziej znaczące bity przesyłanego bajtu. Zerowy bit jest ośmiokrotnie kopiowany
i zapisywany do komórki płatu zerowego. Pierwszy bit jest ośmiokrotnie kopiowany
i zapisywany do komórki płatu pierwszego. Podobnie dzieje się z bitami drugim i trzecim,
które, powielone, zapisywane są odpowiednio do drugiego i trzeciego płatu pamięci
obrazu. Do określenia, które z ośmiu bitów faktycznie mają zostać zapisane do pamięci
obrazu, służy rejestr modyfikacji bitów (Bit Mask Register)4.
Øð Tryb zapisu 3
Ten tryb zapisu dostępny jest wyłącznie w sterowniku VGA i jest bardziej
skomplikowany. Dane zapisywane do pamięci obrazu pobierane są z rejestru SRR
(Set/Reset Register). Każdy z czterech najmniej znaczÄ…cych bitów rejestru jest po­
wielany osiem razy i zapisywany do odpowiednich płatów pamięci obrazu. Zapisywane
przez procesor bity o wartości 0 są kopiowane do pamięci z rejestrów zatrzaskowych,
zaś bity o wartości 1 są albo kopiowane z rejestru SRR, albo podlegają operacji
logicznej na bitach tego rejestru i odpowiednich bitach rejestrów zatrzaskowych. Możliwe
jest także zablokowanie dostępu do poszczególnych płatów pamięci przez wpisanie
odpowiedniej wartości do rejestru blokowania pamięci.5.
ØðTryb odczytu O
W tym trybie przesyłane bajty pobierane są z pamięci obrazu. Podczas pojedynczego
odczytu dostępny jest tylko jeden, aktywny płat pamięci. Jeśli poszczególne punkty są
reprezentowane przez poszczególne bity na wszystkich płatach pamięci, operacja jednego
odczytu może zwrócić bity ośmiu sąsiadujących punktów6.
ØðTryb odczytu 1
4
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.593
5
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.595
6
Ibidem
11
W pierwszym trybie odczytu rezultat operacji zwracana jest wartość wynikająca
z porównania zawartości pamięci z rejestrem CCR (Colour Compare Register). Bity
rejestru są uwzględnianie na podstawie zawartości rejestru CDCR (Colour don't Care
Register). Odczytany bajt zawiera rezultat ośmiu równoległych porównań, po jednym
dla każdego z ośmiu sąsiadujących poziomo punktów reprezentowanych przez
pojedynczy bajt7.
2.5. Schemat działania karty graficznej
Ogólny zarys działania karty graficznej omówię na przykładzie Radeon X800.
CPU wysyła do karty graficznej (poprzez złącze AGP) żądanie wyświetlenia
w danym miejscu na monitorze grupy obiektów. Sygnał kierowany jest do magistrali
danych a następnie niewidoczne elementy trafiają do jednostki Typer Z. Pozostałe
dane przemieszczajÄ… siÄ™ do silnika geometrycznego {Vertex Engine), po czym trafiajÄ…
do silnika ustawień (Setup Engine). Dane obliczeniowe obiektów, które zostały
uznane za niewidoczne, kierowane sÄ… do Hyper Z, gdzie reszta poddawana jest dalszej
obróbce w silniku 3D (3D Rendering Engine). W celu uniknięcia konieczności
obliczania niewidocznych przedmiotów, trafiają one do Hyper Z. Pozostałe elementy
poddawane są ostatecznej obróbce w jednostce nazwanej Smmoothvision. Następnie
gotowe już obiekty trafiają do interfejsu graficznego; w którym na podstawie
wyliczonych danych generowany jest obraz. Stąd przesyłany jest on przez złącze
VGA, DVI lub S-VIDEO do urządzenia wyświetlającego (np. monitora lub
telewizora)8.
7
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.596
8
Ibidem
12
Rysunek 2.6. Przedstawia schematyczny sposób działania karty graficznej.
2.6. Standard VESA
Na samym początku wspomnieć należy, że Standard VESA ukazywał się w
kilku edycjach, a opublikowane wskazania techniczne dotyczyły:
f¶metrów monitorów okreÅ›lonych do współpracy z kartami SVGA,
f&numeracji i rozdzielczości trybów graficznych i znakowych,
f&interfejsu programowego (dodatkowych funkcji przerwania I On BIOS-u),
f&magistrali lokalnej (Local Bas) do komunikacji ze sterownikiem
graficznym9.
Nowa edycja za każdym razem wnosiła rozszerzenia w stosunku do poprzedniej.
Pierwsza ogłoszona w kwietniu 1989 to rozszerzony tryb- 800x600 punktów w 16
9
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.597
13
kolorach przypisując mu jednobajtowy numer 6Ah. Przetaczanie miało następować przy
użyciu tej samej funkcji (OOh) przerwania lOh co zwykły tryb VGA. Z kolei
w paz
dzierniku 1989 standard VESA wprowadził 16-bitowe numery identyfikujące tryby
i zdefiniowaÅ‚ sześć nowych funkcji przerwania lOh do ich obsÅ‚ugi. Ich funkcje umoż­
liwiajÄ… stwierdzenie obecnoÅ›ci w systemie oprogramowania YESA, dostarczajÄ… infor­
macji o dostępnych trybach. Rozszerzonego w ten sposób BIOS-u oznaczono jako
wersję 1.0. Kolejne uzupełnienie (VESAB1OS 1.1) wprowadziło nowe tryby tekstowe oraz
dwie kolejne funkcje, przeznaczone do wyboru wyświetlanego na ekranie obszaru
pamięci. Sterowniki zgodne z normą VESA 12 cechują się możliwością obsługi trybów
wielobarwnych (15, \6 lub 24 bity na piksel) pod warunkiem, że karta SVGA
wyposażona jest w specjalny układ przetworników C/A. Tabela E.1 zawiera spis
dodatkowych trybów graficznych i tekstowych, które zostały uznane za standardowe10.
3. Pamięć lokalna akceleratora
Dostępne obecnie na rynku karty graficzne stanowią akceleratory, w których
wiele elementów opiera się na wcześniejszych wersjach 3D, VGA/SVGA. Obsługa
10
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.598
14
tych trybów tekstowych i graficznych wymaga bardzo niewielkiej ilości pamięci,
którą dla porównania ukazałem w tabeli 3.1. Karty te natomiast wyposażane są w
dużą ilość pamięci(64-128 MB). Z kolei lokalna pamięć akceleratora 3D podzielona jest
na kilka obszarów funkcjonalnych. (Frame Buffe)-to część najważniejsza ,bowiem
przechowuje składowe kolorowe (zwykle w formacie RGB lub YUV) wszystkich
XxY pikseli wyświetlanego obrazu.
W obrębie pamięci tworzącej obraz obowiązuje adresowanie współrzędnymi ekranu (x i
y, gdzie x=1 ... X oraz y = 1 ... Y), zgodnie z aktualnie ustawionym trybem rozdzielczości
(X xY)11. Nadmienić należy, że akceleratory 3D posiadały kilka megabajtów pamięci
lokalnej, w którym nie było jeszcze mechanizmu AGP, kontroler 3D musiał
przeznaczać część pamięci lokalnej na bitowe mapy tekstur.
Rysunek 3.1. Złącze AGP znajduje się w prawej części pokazanego tu fragmentu płyty
głównej.
ZÅ‚Ä…cze AGP, przedstawiono na rysunku 3.1., przekazuje ono dane z procesora
przez oddzielny zestaw linii. Przekaz tych danych może odbywać się w tym czasie, co
11
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.597
15
przekaz danych do innych kart i jest on kilkakrotnie szybszy od normalnej magistrali
komputera PC.
Na obraz składa się szereg znaków przygotowywanych przez procesor, który
zatrzymuje wartości kodów ASCII wyświetlanych znaków w pamięci RAM karty
grafiki. W przypadku skomplikowanych obrazów lepszym wyjściem jest użycie
kompresora graficznego, będącego częścią podsystemu graficznego. Jest to jakby
niewielki komputer umieszczony w komputerze PC na karcie grafiki lub na płycie
głównej. Oblicza on wartości kolorów poszczególnych pikseli obrazu.
Komputer PC, który jest wyposażony w koprocesor graficzny, procesor zajmuje się
nie obliczaniem informacji o poszczególnych pikselach, lecz przekazywaniem
instrukcji wyższego poziomu do tego koprocesora. Ten z kolei zajmuje się obliczeniami
na niższym poziomie, określając kolory pikseli tworzących krawędzie figur
geometrycznych i kolory ich wnętrza, a także przesyłaniem tych danych do pamięci
obrazu12.
Zwrócić tu należy uwagę również na szybkość przepływu danych z koprocesora
graficznego do pamięci obrazu i z pamięci obrazu na ekran. Nowoczesna karta może być
wyposażona w generator zegarowy o dużej częstotliwości i szeroką magistralę danych
między koprocesorem graficznym a pamięcią obrazu (do 128 bitów o działaniu
równoległym). Najbardziej zaawansowane karty grafiki radzą sobie doskonale z tymi
problemami13.
3.1. Frame Buffer
Pamięć obrazu podlega na jednoczesnym zapisywaniu (przez kontroler graficzny)
i odczytywaniu (przez przetwornik RAMDAC). Dwa procesy mogą wzajemnie zakłócać
swoją pracę, żeby tak się nie działo wprowadzono podwójne buforowanie (Dual
Buffering). Do kontrolera graficznego przekazuje siÄ™ dwa jednakowe bufory
pamięciowe. Jeśli jeden z nich wypełniany jest świeżą treścią (Back Buffer), drugi
można oddać do dyspozycji RAMDAC, tak by przekazał kompletną zawartość na ekran
(Front Buffer). W ten sposób zawsze jakiś bufor jest pokazywany, a jakiś jest gotów
do zapisu i wspomniane dwa procesy nie zakłócają się wzajemnie14.
3.2. Bufor Z/W
12
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.599
13
Ibidem
14
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.598
16
Bufor Z/W pozwala na umieszczenie dowolnego punktu w przestrzeni 3D i
określenie go, który jest jednoznacznie zdefiniowany przez trójkę liczb (x, y, z),
będących jego współrzędnymi. Z punktów takich składają się trójkąty elementarne,
które dopiero złoża się na scenerie. Oś Z przebiega w kierunku od płaszczyzny ekranu
w głąb przestrzeni 3D. Wartość współrzędnej Z rośnie w miarę oddalania się od
obserwatora15.
Na ekranie określone będą więc tylko te punkty trójkąta, które są widoczne dla
obserwatora. O tym, czy punkt jest widoczny czy nie, decyduje właśnie jego
współrzędna Z. W tym celu utworzony zostaje w pamięci karty graficznej tzw. bufor
Z. Stanowi on tablicÄ™ Z (x, y) rozmiarach ekranu (X x Y). Elementy tablicy Z sÄ…
zwykle dwubajtowe. Przed przystÄ…pieniem do formowania nowego obrazu ustawiana
jest wartość początkowa, dla każdego (x> y) = FFFFh, co w ramach dokładności
oferowanej przez zakres 0-216 odpowiada +" na osi Z16.
W miarę budowania trójwymiarowej scenerii, rozpisanej na elementarne trójkąty,
rozpatruje się współrzędne z dla każdego z aktualnie obliczanych punktów składowych
i porównuje je z dotychczasową wartością zapamiętaną w buforze Z (Z-Buffering). Punkt
o współrzędnych (x, y, z) zostaje uznany za widoczny, jeśli spełnia warunek:
z< Z[x, y]
Obliczone składowe RGB dla punktu wędrują do bufora obrazowego i umieszczane
są pod adresem [x ,y]. Współrzędna z takiego nowego punktu zastępuje napotkaną
w buforze Z wartość:
Z [x, y] = z
Tak zastÄ…piony element tablicy Z pozostaje niezmieniony do momentu przetwarzania
punktu obiektu leżącego jeszcze bliżej obserwatora.
Z-Buffering (lub W-Buffering) obciąża bardzo mocno pamięć lokalną akceleratora poprzez
szereg odwołań typu ReadIWrite-Modijy.
3.3.Pamięć tekstur
Magistralę pamięciową akceleratora obciąża dostęp do tekstur, projektanci
pracują nad zwiększeniem jej pamięci. Tekstury to duże, kwadratowe obszary
składające się z większej liczby logicznych linii złożone w jednym wierszu pamięci.
15
Ibidem
16
Ibidem s.599
17
Akceleratory 3D posiadają pamięć pośrednią typu Cache, w której przechowuje się
fragment aktualnie przetwarzanej mapy bitowej.
Akceleratory wcześniejszych generacji wyposażane były w 64-bitową magistralę
komunikacyjną. Z kolei połowa jej szerokości przeznaczana była na komunikację
z pamięcią obrazu, a reszta łączyła kontroler z pamięcią tekstur. Warto również
wspomnieć o efektywnym wykorzystywaniu pamięci- system kompresji tekstur
(S3TC) zaproponowany został przez firmę S3 i wprowadzony przez Microsoft do
biblioteki DirectX 6.0. Wiadomo powszechnie, że im większa jest rozdzielczość tym
lepszy jest efekt wizualny. Obiekt teksturowany mapÄ… o rozmiarach 512x512
wydaje się obserwatorowi znacznie bardziej realistyczny, niż gdyby był pokrywany
tym samym wzorem, ale o rozdzielczości 64x64. Właśnie temu stale rosnącemu
zapotrzebowaniu na tekstury przychodzi z pomocÄ… system S3TC. Stosowany w nim
mechanizm umożliwia osiągnięcie sześciokrotnego współczynnika kompresji (przy
założeniu, że produktem wejściowym była mapa bitowa przeznaczająca 24 bity na
piksel, czyli w formacie RGB-888). Algorytm kompresji nie koduje całej tekstury
równocześnie, lecz dzieli ją wstępnie na bloki o rozmiarach 4x4 i w takich porcjach
przetwarza. W obrębie bloku analizowany jest kolor każdego teksela w celu wydzielenia
dwóch dominujących kolorów bazowych17.
Przetworzony blok wejściowy stanowi teraz zestaw indeksów do palety kolorów. Paleta
jest czterowierszowÄ… tablicÄ… zawierajÄ…cÄ… w sumie cztery kolory, dwa bazowe i dwa poÅ›red­
nie, wyznaczane przez interpolację kolorów bazowych. Kolory pośrednie generowane
są automatycznie w fazie dekodowania i nie przechodzą do strumienia wyjściowego
(nie są zapisywane). Paletę koduje się w formie RGB-565, tj. po 16 bitów na kolor18.
W ten sposób kodowany blok 4x4 zamieniany jest na zestaw dwubitowych indeksów i
zajmuje teraz rozmiar 32 bitów (4x4x2). Możliwe wartości indeksów to oczywiście 00,
01, 10 lub 11 (rysunek 3.2).
Rysunek 3.2.System kompresji tekstur S3TC
17
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.602
18
Ibidem
18
W wyniku kompresji bloku 4*4 zapisywane są 64 bity (32 bity  zestaw indeksów i 32
bity  paleta). Algorytm w tej wersji produkuje wiÄ™c Å›rednio po 4 bity na teksel (rysu­
nek 3.2.)19.
3.4. Rozmiar pamięci i organizacja
Faktyczne zapotrzebowanie na pamięć graficzną wynika w głównej mierze z
aktualnego trybu pracy sterownika graficznego. Pełna strona obrazu zajmuje:
P= px1xc gdzie:
P  ilość pamięci w bajtach,
p  ilość punktów w linii,
l  liczba linii na ekranie (pxl opisuje rozdzielczość obrazu w pikselach, np.
800x600),
c  tryb kolorowy, tj. liczba bajtów odwzorowujących barwę piksela.
Jeden bajt daje możliwość rozróżnienia 256 kolorów. Dwa bajty mogą zakodować do
2 różnych kolorów. Praca w trybie True Colour wymaga trzech bajtów na piksel to
ponad 16 milionów barw. Zgodnie z powyższym praca z rozdzielczością 1024x768
punktów w trybie High Colour (16 bitów na piksel, c - 2) pochłania 1024x768x2 = 1
572 864 bajty pamięci. Jeśli uwzględnić wyłącznie zapotrzebowanie wynikające
z pracy sterownika graficznego (bez podwójnego buforowania, tekstur i bufora Z), już
nawet niewielka ilość pamięci umożliwia osiągnięcie rozsądnego trybu pracy (tabela
3.1).
Ilość pamięci RAMDAC Maksymalny możliwy tryb
1MB 135 MHz 1280x1024/16col./75Hz
1024x768/256 col./75Hz
800x600/High Colour/75Hz
2MB 135 MHz 1280x1024/256 col.75Hz
1152x864/High Colour/80Hz
1024x768/High Colour/80Hz
800x600/True Colour/75Hz
4MB 175MHz 1280x1024/1280x1024/True Colour/75Hz
1600x1200//High Colour/65Hz
220MHz 1280x1024/High Colour/80Hz
19
Ibidem
19
Tabela 3.1. Zapotrzebowanie na pamięć karty graficznej.
Redukcja obciążenia magistrali pamięciowej karty graficznej możliwa jest do
osiągnięcia na drodze obniżenia częstotliwości odchylania pionowego. Pamięć
graficzna służy przecież nie tylko jako prosta matryca pikseli, z których buduje się
obraz. Jest również miejscem przechowywania bitowych map tekstur oraz bufora Z.
Nawet pozornie duża ilość zainstalowanej na karcie pamięci nie zawsze może sprostać
pokładanym w niej nadziejom. A
atwo obliczyć, że w trybie True Colour (32 bity na
piksel) i rozdzielczości 1280x1024 nawet 8 MB nie wystarcza do realizacji funkcji
podwójnego buforowania  na karcie mieści się tylko jedna strona obrazu (5 MB)20.
Kilka przykładów wykorzystania pamięci na kartach z akceleratorami 3D przedstawia
tabela 3.2.
Pamięć na Rozdzielczość Liczba Bufory Bufor Pamięć dla
karcie kolorów obrazowe(Front/Back) 16-bitowy tekstu
1MB 320x200 216 0,12MB/0,12MB 0,12MB 0,63MB
2MB 640x480 216 0,59MB/0,59MB 0,59MB 0,24MB
800x600 216 0,46MB/0,46MB 0,92MB 0,17MB
4MB 640x480 216 0,59MB/0,59MB 0,59MB 2,24MB
800x600 216 0,92MB/0,92MB 0,92MB 1,25MB
Tabela 3.2. Typowe wykorzystanie pamieci w akceleratorach 3D
3.5. Rodzaje pamięci kart graficznych
Double Buffering to technika podwójnego buforowania umożliwia
wykorzystanie mocy obliczeniowej akceleratora i wpływa na prezentacje obrazu,
obciąża jednak magistrale (przeplatające się cykle zapisu i odczytu). Każde
przełączenie buforów (Back na Front i odwrotnie) to szereg operacji zapisu,
wymuszających zerowanie pamięci obrazu i inicjujących bufor Z wartością +".
Maksymalna przepustowość magistrali ograniczona jest przez przyjÄ™tÄ… architekturÄ™ (sze­
rokość) oraz typ pamiÄ™ci. Jest to limit teoretyczny, którego nie da siÄ™ przekroczyć, a war­
tości osiągane w praktyce zawsze leżą poniżej. Parametr ten wpływa na ograniczenie
stopnia złożoności przedstawianych scen, ilości trójkątów elementarnych, rodzaju efektów
20
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.605
20
świetlnych, sposobu teksturowania, aktywowanych filtrów .Podwyższenie dowolnego z
tych czynników może oznaczać obniżenie częstotliwości odtwarzania obrazu21.
Do jednej z nich należy tzw. rasteryzacja. Jądro akceleratora 3D przeprowadza obliczenia
kolorów z dokładnością do 32 bitów. Aby zredukować szerokość zajmowanego pasma,
zapis obliczonych wartości (do pamięci graficznej) odbywa się jednak w trybie 16-
bitowym22.
Oszczędności te mają naturalnie swoje ujemne strony. Niektóre zabiegi są niestety
natychmiast wykrywane przez nasz zmysł wzroku. Oko ludzkie wyłapuje przejścia
między kolorami i widzi w tym miejscu nie istniejące w gruncie rzeczy linie podziału
(Mach -Bamding). W takich krytycznych obszarach procesor musi rozmazywać nieco
obraz (Dithering), bowiem oko ludzkie jest mniej czułe na barwne szumy niż na wyraz
ne
granice międzykomorowe. Rozmycie linii uzyskuje się poprzez nieregularne domieszki
interpolowanych kolorów pośrednich.
PamiÄ™ci graficzne przeszÅ‚y dosyć dÅ‚ugÄ… drogÄ™ rozwojowÄ…, a prace nad ich udoskonala­
niem trwają nieprzerwanie. Oto krótki przegląd stosowanych dotychczas typów:
Øð DRAM
W trybie przyspieszonym FPM (Fast Page Modę) wystarczy podawać adresy kolumn
przy niezmiennym adresie wiersza, skraca czas dostępu w stosunku do pełnego
adresowania.
Øð EDO i BEDO DRAM
Jest to odmiana pamięci DRAM i udostępnia pasmo nieco powyżej 200 MB/s.
Kontroler graficzny może przygotowywać się do następnego cyklu odczytu, będąc
jeszcze w trakcie przejmowania danych z cyklu poprzedniego.
Øð SDRAM
Klasyczne układy pamięciowe DRAM wymagają, podawania z zewnątrz precyzyjnie
uformowanych sygnałów RAS i CAS (Row Address Strobe, Coiumn Address Strobe).
Pamięci synchroniczne mają własny kontroler, przetwarzający impulsy zegarowe na
niezbędne sygnały sterujące (porównaj rozdział 3,). Zmniejsza to negatywny wpływ
wszelkich zjawisk o podłożu falowym i elektromagnetycznym oraz umożliwia
podwyższenie prędkości taktowania.
21
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.605
21
Bloki pamięci SDRAM i SGRAM organizowane są zwykle w banki, które mogą być
obsługiwane naprzemiennie (Interleave). W ten sposób każdy z nich może znajdować
siÄ™ w innej fazie tej samej operacji (procesy zachodzÄ… na siebie w czasie)23.
Øð SGRAM
To synchronizacja pamięci SDRAM, która cechowała się dodatkowym trybem pracy
blokowej przy zapisie (Błock Write). Pojedyncze układy pamięci miały szerokość 32
bitów, co stanowiło korzystny czynnik przy obsadzie 2-4 MB.
Øð MDRAM
Pamięć Multibank-DRAM należały do grupy synchronicznych układów DRAM.
Bazowała na logicznych jednostkach pamięci 256 kB, każda po 8 banków 32 kB. Na
rynku powszechne były układy 1 MB, integrujące w sobie cztery jednostki pamięci.
Technologia ta umożliwiała (w skali laboratoryjnej) taktowanie zegarem 100 - 125 MHz.
ale rozrzut parametrów i niedoskonałość wykonania elementów w produkcji masowej
ograniczał częstotliwość do 85 MHz. Z pamięcią MDRAM współpracował kontroler
ET-6000. będący dziełem firmy Steng.24.
Øð V-RAM
To z kolei specjalny typ pamięci opracowany przez firmę Texas Instruments. Kontroler
graficzny układu pamięci Y-RAM podobny do pamięci DRAM, posiadający wspólny
niezależny port wyjściowy, który doprowadzał do przetwornika RAMDAC. Transfer
na tym odcinku osiągał 360 MB/s, z kolei kontroler nie tracił cykli zegarowych, by
wytworzyć sygnał dla monitora. Nie występowało tu, zjawisko blokowania
ograniczonego pasma przepustowego magistrali w miarę wzrostu rozdzielczości i
ilości odtwarzanych kolorów.
Øð WRAM
To typ pamięci rozszerzony o wariant V-RAM
Øð DDR-SDRAM
Wiele kart graficznych wyposażonych jest w pamięć DDR SDRAM (Double Ratę
SDRAM), której domena jest to, że polega na szerokości pasma dostępu. Z kolei
najszybsze pamięci tego typu pracują z prędkością 500 MHz, a to pozwala na
zadowalające osiągnięcie wartości 1 GHz (1000 MHz).
Øð DDR2-SDRAM
22
Ibidem s. 606
23
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.607
24
Ibidem
22
Według specyfikacji przygotowanej przez Jedec (http://www.jedec.org) pamięci DDR2
SDRAM pozwalają na pracę z maksymalną szybkością 1000 MHz. Układy te
domyślnie pracują z napięciem 1,8 V25.
Øð DDR2-SGRAM
Pamięci DDR2, jak i opisane wyżej układy DDR i DDR2, przesyłają dwa pakiety
danych w jednym takcie zegara. Umożliwiają osiągnięcie taktowania rzędu 950 MHz,
to pozwolił na szeroki zakres zastosowania w wielu zaawansowanych produktach
w serii kart graficznych opartych na procesorach NV36 i NV3S.
Øð DDR3-SGRAM
Pamięci DDR3 działają podobnie jak Double Data. Z tym tylko, że pozwalają na pracę
przy dużych częstotliwościach sięgających do 1120 MHz. Moduły pozwalają na
korzystanie z niskich czasów dostępu, mających nawet 1,6 ns. Mają większą
wydajność niż poprzednicy a stąd są wykorzystywane przez producentów kart
graficznych..
3.6. RAMDAC
Układ RAMDAC (Ran dom Access Memory-Digitah'Analog Comerter) to
podstawa karty graficznej służy do przetwarzania zakodowanego cyfrowo obrazu,
Który w pełni pobierany jest z pamięci na analogowe sygnały RGB, które
sterujÄ… torem wizyjnym monitora.
Rozwój technologii ostatnich lat wpłynął na łączenie przetworników akceleratora.
Przetworniki o częstotliwości powyżej 200 MHz tworzone były wyłącznie całkowite
układy scalone. Taktowanie wynika z rozdzielczości i częstotliwości odświeżania obrazu,
a nie od ilości barw. Przetwornik klasy 400 MHZ nie wystarczy by był na karcie co
świadczyłoby o jego częstotliwości.
Posiadany monitor może nigdy w pełni nie możliwości oferowanych przez RAMDAC.
Aktualna częstotliwość pracy wynika z następującego obliczenia:
+"RAMDAC = KxPx1x +"H
gdzie:
k - współczynnik bezpieczeństwa (zapewnia rezerwę na okresy powrotów linii i ramki),
p - liczba punktów w linii,
1 - liczba linii na ekranie (px1 opisuje rozdzielczość obrazu w pikselach, np. 800x600),
25
Ibidem s.609
23
F - częstotliwość odświeżania obrazu.
H
RAMDAC klasy 220 MHz w trybie 1024x768 przy 75 Hz wystarczy częstotliwość 79
MHz. Dopiero dla 1600x1200 i 85 Hz zegar taktujący przełącza się na najwyższe
obroty. Generowane przez RAMDAC przebiegi muszą być impulsami prostokątnymi,
a stopień wyjściowy przetwornika to 3 z
ródła prądowe. Każdy z kolorów RGB
oddzielnie muszą być tak dobrane, by wytwarzały na rezystancji 37,5 Q poziomy
napięcia;
0 V dla punktu czarnego,
0,7 V dla punktu o maksymalnej jaskrawości (biały kolor, gdy R = G = B = 0.7 V).
Przetwornik wytwarza przebieg prostokątny o wąskich impulsach, by zapalać i gasić
nawet pojedyncze piksele ekranu (rysunek 3.2)26.
Każdy z punktów może świecić przez cały czas trwania impulsu. Prawa fizyki
ograniczają stromość zboczy. Sygnał nie może narastać szybko, wyraz
nie zaznaczone
są fazy narastania i opadania. Faza pełne jasności trwa nieco krócej niż szerokość
impulsu mierzona u podstawy (rysunek 3.3.)27.
Rysunek 3.3
Idealny przebieg
prostokÄ…tny
Rysunek 3.4
Rzeczywisty
sygnał
generowany przez
układ RAMDAC
Na ekranie o
wysokiej
rozdzielczości
pojedynczy
biały punkt na
czarnym tle znajduje się w fazie gdzieś między czarnym a białym. To samo ma miejsce
26
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.610
27
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.611
24
przy gaszeniu piksela. W trybie 1280 i częstotliwości RAMDAC 135 MHz czas życia
punktu można określić na 7,4 ns (1/135 MHz). Liczby te ukazują obecność fizycznych
granic ostrości obrazu, a sytuacji nie polepszają nawet typu II, instalowane w celu
zapobiegania skutków szkodliwego promieniowania (rysunek 3.5)28.
Rysunek 2.4. Filtr pomiędzy układem RAMDAC a monitorem.
Promieniowanie trzeba wyeliminować, by produkty mogły uzyskać stosowne
certyfikaty (w Europie CE, w USA FCC).
4. Przegląd nowych procesorów graficznych
Sercem każdej karty graficznej jest procesor, zwany również GPU (Graphics
Prcoessing Unii). Jest odpowiedzialny za obliczenia, których efektem jest skom­
plikowany obraz. Od jego konstrukcji zależy wydajność systemu graficznego. Główni
potentaci na rynku to firmy: ATI i nVidia,w walce o klienta.
4.1. ATI
R300 (Radeon 9700 Pro) to procesor graficzny posiadający 107 milionów
tranzystorów, które pozwały na pracę z prędkością 325 MHz (tabela 4.1), Wyróżnia
się także szeroką 256-bitową magistralą danych między GPU a pamięciami DDR, które
zainstalowane są na karcie. Dzięki prędkości 620 MHz możliwe było osiągnięcie
przepustowości równej około 19,8 GB/s. Układ wykonany w technologii 0,15 mikrona
umożliwia swoim użytkownikom, aż 8 potoków renderujących Za wysoką wydajność
odpowiedzialne są układy: VertexShader 2.0 i jednostka Pixel Shader 2.0. Zwane są one
częściami silnika graficznego SmartShader 2.0. Produkty oparte na omawianym
procesorze graficznym przystosowane są do współpracy z AGP 2/4/8x29.
Tabela 4.1. Porównanie parametrów technicznych kart graficznych opartych na
procesorach firmy ATI.
Nazwa GPU R300 R350 R420
28
Ibidem
29
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.612
25
(nazwa dystrybucyjna (Radon 9700 Pro (Radon 98000 Pro (Radon X800
Technologia wykonania 0,15 mikrona 0,15 mikrona 1,13 mikrona
Taktowanie rdzenia 325 MHz 380 MHz 475 MHz
Taktowanie pamięci 520 MHz 700 MHz 900MHz
Typ pamięci DDR i DDR2 DDR i DDR2 GDDR3
Magistrala pamięci 256 bitów 256 bitów 256 bitów
Silnik graficzny Smartshader 2.0 Smartshader 2.1 Smartshader HD
Verte Shaker 2.0 2.0 2.0
Piel Shaker 2.0 2.0 2.0
Jednostka anti-aliasingu Smoothvsion 2.0 Smoothvsion 2.1 Smoothvsion HD
FSSA 6x 6z 6z
Potoki renderujÄ…ce 8 8 12
Jednostki teksturujÄ…ce na 1 1 1
porok
RAMDAC 400 MHz 400 MHz 400 MHz
4.2. nVidia
Wśród układów z konkurencyjnej firmy nVidia należy wspomnieć o: NV25
i NV28. Różnica między nimi polega na dodaniu obsługi złącza AGP 8x (AGP
3.0) do układu NV28. Ich sukces to zaawansowany poziom technologiczny
(technologia produkcji 0.15 mikrometra ,62 miliony tranzystorów i taktowanie
GPU zegarem 300 MHz (tabela 4.2). Pamięci DDR (620 - 650 MHz) połączone
sÄ… z procesorem 128-bitowÄ… magistralÄ… danych; pozwalajÄ… na osiÄ…gniecie
przepustowości wokół wartości 10,4 GB/s. Podwójny RAMDAC w chipach
NV25 i NV28 pracuje z częstotliwością 350 MHz30.
Tabela 4.2. Porównanie parametrów technicznych kart graficznych opartych na
procesorach firmy ATI.
Nazwa GPU NV25 i NV28 NV35 NV40
(nazwa dystrybucyjna) (GeForce 4 Titanium) (GeForce FX5900 Ultra) (GeForce 6800 Ultra)
Technologia wykonania 0,15 mikrona 0,13 mikrona 0,13 mikrona
Taktowanie rdzenia 300 MHz 450 MHz 400 MHz
Taktowanie pamięci 620 MHz 850 MHz 1 100 MHz
Typ pamięci DDR DDR GDDR3
Magistrala pamięci 128 bitów 256 bitów 256 bitów
Silnik graficzny nFiniteFX II CineFX 2.0 CineFX 3.0
Verte Shaker 1.1 2.0+ 3.0
Piel Shaker 1.3. 2.0+ 3.0
Jednostka anti-aliasingu HSAA II Intelisample HCT Intelisample 3.0
FSSA Brakl danych 8z 8z
Potoki renderujÄ…ce 4 4 16
Jednostki teksturujÄ…ce na 2 2 1
porok
RAMDAC 350 MHz 400 MHz 400 MHz
4.3. Matrox
30
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.611
26
Parhelia 512 (tabela 4.3) to chip, któremu wróżono wielki sukces., który niestety
zakończył się fiaskiem a karty oparte o dzieło Matroxa potrafią obsłużyć do trzech
monitorów.
4.4. Silicon Integrated Systems (SIS)
SIS wydał Xabre 600 (tabela 4.3) - 256-bitowy układ o częstotliwości 300 MHz.
Posiada 128-bitową magistralę danych pracującą w trybie DDR, osiąga przepustowość
rzędu 8-9 GB/s. Wykonana została w zaawansowanej technologii 0.13 mikrometra,
Mimo tych wszystkich cech wydajność geometryczna nie przekracza 30 min trójkątów
na sekundÄ™.
Tabela 4.3. Porównanie specyfikacji technicznych kart graficznych opartych na
procesorach Parhełia 512 : Xabre 600.
Nazwa GPU Parhelia 512 Xabre 600
Technologia wykonania 0,15 mikrona 0.13 mikrona
Taktowanie rdzenia 220 MHz 300 MHz
Taktowanie pamięci 550 MHz 600 MHz
Typ pamięci DDR DDR
Magistrala pamięci 256 bitów 128 bitów
Silnik graficzny 512-bitowy 256-bitowy
Vertex Shader 2.0 emulowany
Pixel Shader 1.3 1.3
Potoki renderujÄ…ce 4 4
Jednostki teksturujÄ…ce na porok 4 2
RAMDAC 400 MHz 375 MHz
4.5. Dopasowanie monitora do karty
Zestawienie monitora z kartą graficzną świadczy o jakości, z jaką prezentuje się
cały komputer. Należy zapoznać się z parametrami karty i monitora, bowiem są to
kryteria, którymi należy się kierować przy wyborze produktu.
4.5.1. Parametry karty
Standardowa karta posiada zwykle 128 MB albo nawet 256 MB. Z kolei karty
starszej generacji (np. 2 MB EDO-RAM) wystarczyły tylko do zwykłych zastosowań
komputera. Obrazowały tekst, tabele i proste rysunki przy rozdzielczości 800x600
w trybie True-Colour. Zakres High-Colour pokrywany był do rozmiarów 1024x768,
a jeśli zadowalane nas 256 kolorów. Monitor nie zawsze był obsługiwany przez
sterowniki graficzne.
Obecnie każda karta VGA ma wbudowane funkcje akceleratora wideo a tym samym
jest to możliwość do odtwarzania obrazu z dysku kompaktowego. Sekwencje wideo nie
stanowiły obciążenia dla komputera klasy PC.
27
4.5.2. Jakość monitora
Ostatnim ogniwem w łańcuchu przetwarzania informacji w formie graficznej jest
monitor. Parametry techniczne obrazu zależą nie tylko od monitora, ale przede
wszystkim od czystości sygnału wytwarzanego przez kartę. Dopasowanie parametrów
monitora i karty odgrywa kluczową rolę, bowiem słaby monitor nie jest w stanie
wykorzystać trybów wysokiej rozdzielczości oferowanych przez sterownik. Z kolei
biorąc pod uwagę odwrotność to dobry monitor marnuje się, w zestawieniu z kartą
o kiepskiej jakości. Dlatego najprościej mogę powiedzieć, że w łańcuchu połączonych ze
sobą elementów decyduje najsłabsze ogniwo.
Tabela 4.4. Ergonomiczny tryb pracy monitora (w zależności od maksymalnej
częstotliwości odchylania poziomego)
Ergonomiczne tryby
FH max [kHz]
pracy
38 640x480/72Hz
48 800x600/72 Hz
64 1024x768/80 Hz
1152x864/71 Hz
78 800x600/124 Hz
1024x768/97 Hz
1280x1024/73 Hz
85 1024x768/106 Hz
1152x864/94 Hz]
1280x1024/80 Hz
1536x1152/71 Hz
102 1280x1024/94 Hz
1536x1152/83 Hz
1600x1200/80 Hz
Pasmo zajmowane przez przebieg o określonej rozdzielczości możemy obliczyć
według następującego wzoru:
P = H x V x f x (1+m)
H
P oznacza pasmo w pikselach na sekundÄ™, H i V rozdzielczość obrazu. +"/H czÄ™stotli­
wość odÅ›wieżania. Współczynnik m w [%] to margines pochÅ‚aniany przez okresy wy­
gaszania w pionie i poziomie31.
4.5.3.Kanał informacyjny VE5A DDC
DDC (Display Data Channel) jest to złącze pomiędzy monitorem a kartą graficzną.
Polega to na wymamianie danych, monitor przekazuje swoje dane sterownikowi
graficznemu.
31
Piotr Metzger, Anatomia PC, Wyd. HELION, Gliwice 2004 s.611
28
Typowy kabel Å‚Ä…czÄ…cy analogowy monitor ze sterownikiem VGA nie jest bowiem
w pełni wykorzystany (rysunek 4.1).
Kanał DDC posługuje się liniami 12 i 15. W zależności od ich znaczenia wyróżniamy
trzy odmiany systemu: DDACI, DDC2B, DDC2AB,
Rysunek 4.1. Rozmieszczenie sygnałów w gniez
dzie karty graficznej wprowadzajÄ…cym
sygnał analogowy do monitora
Øð DDCl
DDCl to kanał jednokierunkowy, w którym to monitor przekazuje informacje do
sterownika karty. Transmisja ta ma charakter synchroniczny i odbywa siÄ™ liniÄ… 12.
Sygnał zegarowy pobierany jest z końcówki 14. (synchronizacja pozioma).
W takcie zegara monitor wysyła 128-bitowy to blok informacyjny EDID (Exlended
Display Identification).
Øð DDC2B
DDC2 jest  w przeciwieństwie do szeregowego przekazu złączem DDCI .Kanał
tego typu pozwala na obustronnÄ… wymianÄ™ informacji. W chwili gdy potrzebny jest
jednak drugi kabel łączący. To linia 15. przejmuje funkcję sygnału SCL. a impulsy SDA
przesyłane są końcówką 12.
Øð DDC2AB
Jest rozszerzeniem DDC2B o funkcje znane z systemu Access. Bus. Pozwala to na
przekazywanie rozkazów sterujących do monitora, np. co w dalszym ciągu prowadzi do
skorygowania położenia obrazu lub regulacji jaskrawości.
4.6. ZÅ‚Ä…cza cyfrowe
Klasyczny monitor z kineskopem w obecnym czasie coraz częściej zastępowany
jest przez swój płaski odpowiednik. Jest on realizowany początkowo w pasywnej
technice LCD, a obecnie w aktywnej TFT. Obraz wytwarzany jest przez tzw. panek
będący matrycą punktów .
29
Sterowanie panelem LCD/TFT doskonale pasuje do techniki komputerowej. Każdy
z tych punktów matrycy jest adresowany jako element macierzy. Ma swoją pewnej
określoną liczbie wierszy i kolumn.. Panele LCD i TFT urządzeń przenośnych biorą
pod uwagę różne odmiany systemów LVDS (Low Voltage Differential Signaling), gdzie
technika sprawdziła się w przypadku laptopów. Gdzie głównym czynnikiem ze względu
na krótkie odcinki transmisji był (panel wewnętrzny).
4.6.1. TMDS
Ogromna rolÄ™ w omawianych zagadnieniach odgrywa metoda TMDS (Transition
Minimized Differeniial Signallng), która określa zasady kodowania. Kodowanie do
postaci TMDS i wykluczenie składowej stałej obciąża jednak dodatkowo pasmo
przepustowe. TMDS używa niskich poziomów napięć, stąd amplituda sygnałów
różnicowych nie przekracza ą500 mV. Pojedynczy link TMDS dzieli się kolejno na trzy
oddzielne kanały, którymi przekazywane są informacje o barwie punktu rozłożoną na
poszczególne składowe R, G i B. Link może więc przesłać w ciągu jednej sekundy
informacje o kolorze 165 milionów pikseli.
Układy scalonych koderów i dekoderów PanelLink przedstawia (rysunek 4.2.).
Rysunek 4.2. Gniazda połączeniowe systemów cyfrowego sterowania monitorów
(widok od strony karty graficznej)
4.6.2. P&D (EVC)
Złącze P&D (Pług and Display) znajduje się w projektorach. Jego ogólna budowa
podobna jest do konektora DVI. To pięcio -końcówkowa część analogowa (C1-C5),
bloku cyfrowego, w którym umieszczone zostało 30 końcówek.
4.6.3. DFP
30
Złącze DFP (Digital Fiat Panel) wypromowane zostało przez grupę firm dążącą do
jego przygotowania do standardu przy czym użyto charakterystycznego 20-
końcówkowegc konektora MDR20 (rysunek 4.2.).
Tabela 4.5. Znaczenie końcówek w złączu P&D
Końcówka Znaczenie Końcówka Znaczenie
1 +Data2 19 VG91394)
2 -Data2 20 VP 91394)
3 GND Data 2 21 +Data 0
4 GND SYNC-V/H 22 -Data 0
5 SYNC-H 23 Gnd Data 0
6 SYNC-V 24 STEREO SYNC
7 GND TMDS CLK 25 GND DDC
8 POWER+ 26 DDC DATA
9 -DATA 13949A0 27 DDCCLK
10 +DATA1394 9A0 28 +5 V
11 +Data 1 29 +CLK 1394(B)
12 -Data 1 30 -CLK 1394(B)
13 GND Data 1 Blok analogowy
14 + TMDS CLK C1 RED Along
15 -TMDS CLK C2 GREEN Along
16 +USB DATA C3 SYNC Along
17 -USB DATA C4 BULE Alonmg
18 GND91394 C5 GND Along
Tabela 4.6. Znaczenie końcówek w złączu DFP.
Końcówka Znaczenie Końcówka Znaczenie
1 -Data 1 11 +Data 2
2 +Data 1 12 -Data 2
3 GND Data 1 13 +GND Data 2
4 GND CLK 14 +GND Data 0
5 +CLK 15 +Data 0
6 -CLK 16 -Data 1
7 GND 17 Wolne
8 +5V 18 Hot Plug Det.
9 Wolne 19 DCC Data
10 Wolne 20 DCC CLK
4.6.4. DVI
DVI (Digital Visual Interface ) opracowana została przez zespół DDWG (Digital
Display Working Group) w celu ujednolicenia standardu interfejsu cyfrowego. Miało to
na celu umożliwienie podłączania do komputerów PC zewnętrznych paneli
obrazowych.
Złącza DVI składa się z 24 końcówek i może pomieścić dwa linki TMDS oraz usługi
DDC/EDID. Specyfikacja DVI przewiduje dwie formy złącza, DVI-D oraz DVI I-
Pierwsze z nich implementuje wyłącznie część cyfrową, a drugie zawiera dodatkowo
komplet sygnałów analogowych (Cl - C5), zapewniając zgodność w dół dla monitorów
z wejściem analogowym (tabela 4.7).
31
Tabela 4.7. Znaczenie końcówek złącza DVI z rysunku 4.5. Zestaw sygnałów części
cyfrowej , które zaznaczyłem na rysunku (4.3.)
Końcówka Znaczenie Końcówka Znaczenie
1 -Data2 16 Hot Plug Det.
2 +Data2 17 -Data 0
3 GND Data 2/4 18 +Data 0
4 -Data 4 19 GND Data 0/1
5 +Data 4 20 -Data 1
6 DDC Lock 21 +Data 1
7 DDC Data 22 GND TMDS CLK
8 Antal.Ver. Sync. 23 +TMDS CLK
9 -Data 1 24 -TMDS CLK
10 +Data 1 Blok analogowy
11 GND Data 1/3 C1 RED Analog
12 -Data 3 C2 GREEN Analog
13 +Data 3 C3 BLUE ANALOG
14 +5V C4 SYNC Analog
15 GND C5 GND Analog
Kable połączeniowe oraz gniazda i wtyki DVI mogą występować zarówno w wersji
pojedynczej (DVI Single Linii), jak i podwójnej {DVIDud Link). Dla monitorów
o rozdzielczej, nie przekraczającej trybu UXGA (1600x1200) wystarczy jeden kanał DVI.
Tryby z wyższą rozdzielczości będą wymagały szerszego pasma przy użycia obydwu
kanałów.
Rysunek 4.3. Zestaw sygnałów w części cyfrowej złącza DVI monitorów
z kineskopem (CRT).
32
Panele LCD/TFT pracują z reguły przy 60 Hz, gdzie nie występują w nich niekorzystne
dla oka ludzkiego efekty migotania. Z kolei w podwójnej wersji DVI mamy do
dyspozycji 330 MHz, a to umożliwia implementację takich trybów jak
2048x3536@60Hz lub ergonomicznego 1920x1080@85 Hz.
Specyfikacja DVI pozwala na możliwość dołączania i odłączania monitora w trakcie
pracy komputera (Hot Plugging). Odpowiedzialne za to mechanizmy wymagajÄ… naturalnie
współdziałania ze strony systemu operacyjnego.
5. Zakończenie
Temat zastosowania i budowy karty graficznej opracowałem na bazie Anatomii
PC Piotra Metzger a, bowiem jest to jedna z najnowszych a tym samym
najbogatszych z
ródłowo tekstów. W pełni umożliwiła mi wykorzystanie wszelkich
zgromadzonych przez autora materiałów będących jak najbardziej aktualnym zbiorem
danych.
PodstawowÄ… charakterystykÄ… systemu graficznego jest zapoznanie siÄ™
z fizycznymi składnikami systemu wyświetlania. Monitor zawiera wewnętrzne
urządzenie obrazowe czyli układy i elementy faktycznie ukazujące obraz, który
wcześniej karta graficzna tworzy i przechowuje o nim informacje. Obecnie komputery
tworzą obrazy układające po kolei jego części składowe, czyli piksele. Piksel to
najmniejsza część obrazu. Mogę ją porównać do plamki, która ma swój określony
kolor i jasność. To właśnie kolory i poziomy jasności komputer przechowuje
w pamięci w postaci liczb. Na jeden obraz składa się nieskończenie wiele pikseli,
których nie da się rozróżnić gołym okiem. Liczba pikseli użytych do stworzenia
obrazu nazwana jest rozdzielczością, co dokładniej przedstawiłem w rozdziałach
pracy.
33
34