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认识显卡!浅析显卡及显卡工作原理

中国学生网

2009-04-10 10:14:00

作者:登徒浪子

来源:PConline

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纵观计算机诞生到如今所度过的 60 年时间我们不难发现计算机的发展速度是非常惊人 的, 很多网友会发现自己在一两年之前买的电脑到此时可能已经到了面临过时的境地。 伴随 着计算机高速发展所带给我们的是计算机硬件制造工艺地不断提升、 性能的突飞猛进和更加 节能环保的设计。 但是不论计算机技术如何发展都离不开构成计算机所必须的几大硬件, 就 拿显卡来说, 经过多年的发展显卡已经越来越受到人们的关注, 而直接关系到显卡性能的显 示核心 GPU 也第一次到达和 CPU 同样重要的位置。目前 AMD 和 NV 分别发布了自己最高端的 HD 4870 X2 和 GTX295 显卡,这两张卡虽然代表了目前显卡的最高水平,但是无论它们如何 高端, 其工作原理和发展基础都是在显卡的基本原理上发展而来的。 显卡技术虽然在不断地 发展, 但是了解显卡的基本知识与工作原理相信无论是对于我们对显卡的清晰认识还是对今 后购买显卡都有一定的帮助,为此我们 PConline 就为大家准备了一篇有关显卡与显卡工作 原理有关的文章供大家参考。

什么是显卡?

显卡的工作非常复杂,但其原理和部件很容易理解。在本文中,我们先来了解显卡的基 本部件和它们的作用。此外,我们还将考察那些共同发挥作用以使显卡能够快速、高效工作 的因素。

显示卡(videocard)是系统必备的装置, 它负责将 CPU 送来的影像资料(data)处理成显 示器(monitor) 可以了解的格式, 再送到显示屏 (screen) 上形成影像。 它是我们从电脑获 取资讯最重要的管道。 因此显示卡及显示器是电脑最重要的部份之一。 我们在监视器上看到 的图像是由很多个小点组成的,这些小点称为“像素”。在最常用的分辨率设置下,屏幕显 示一百多万个像素, 电脑必须决定如何处理每个像素, 以便生成图像。 为此, 它需要一位“翻 译”,负责从 CPU 获得二进制数据,然后将这些数据转换成人眼可以看到的图像。除非电脑 的主板内置了图形功能, 否则这一转换是在显卡上进行的。 我们都知道, 计算机是二进制的, 也就是 0 和 1,但是总不见的直接在显示器上输出 0 和 1,所以就有了显卡,将这些 0 和 1 转换成图像显示出来。 显卡的基本原理

显卡的主要部件是:主板连接设备、监视器连接设备、处理器和内存。不同显卡的工作 原理基本相同 CPU 与软件应用程序协同工作, 以便将有关图像的信息发送到显卡。 显卡决定 如何使用屏幕上的像素来生成图像。之后,它通过线缆将这些信息发送到监视器。

显卡的演变自从 IBM 于 1981 年推出第一块显卡以来,显卡已经有了很大改进。第一块 显卡称为单色显示适配器(MDA),只能在黑色屏幕上显示绿色或白色文本。而现在,新型 显卡的最低标准是视频图形阵列(VGA),它能显示 256 种颜色。通过像量子扩展图矩阵 (QuantumExtendedGraphicsArray,QXGA) 这样的高性能标准, 显卡可以在最高达 2040x1536 像素的分辨率下显示数百万种颜色。

根据二进制数据生成图像是一个很费力的过程。 为了生成三维图像, 显卡首先要用直线 创建一个线框。然后,它对图像进行光栅化处理(填充剩余的像素)。此外,显卡还需添加 明暗光线、纹理和颜色。对于快节奏的游戏,电脑每秒钟必须执行此过程约 60 次。如果没 有显卡来执行必要的计算,则电脑将无法承担如此大的工作负荷。

显卡工作的四个主要部件

显卡在完成工作的时候主要靠四个部件协调来完成工作, 主板连接设备, 用于传输数据 和供电, 处理器用于决定如何处理屏幕上的每个像素, 内存用于存放有关每个像素的信息以 及暂时存储已完成的图像,监视器连接设备便于我们查看最终结果。

处理器和内存

像主板一样,显卡也是装有处理器和 RAM 的印刷电路板。此外,它还具有输入/输出系 统(BIOS)芯片,该芯片用于存储显卡的设置以及在启动时对内存、输入和输出执行诊断。 显卡的处理器称为图形处理单元(GPU),它与电脑的 CPU 类似。但是,GPU 是专为执行复 杂的数学和几何计算而设计的, 这些计算是图形渲染所必需的。 某些最快速的 GPU 所具有的 晶体管数甚至超过了普通 CPU。GPU 会产生大量热量,所以它的上方通常安装有散热器或风 扇。

除了其处理能力以外,GPU 还使用特殊的程序设计来帮助自己分析和使用数据。市场上 的绝大多数 GPU 都是 AMD 和 NV 生产的,并且这两家公司都开发出了自己的 GPU 性能增强功 能。 为了提高图像质量, 这些处理器使用全景抗锯齿技术, 它能让三维物体的边缘变得平滑, 以及各向异性过滤,它能使图像看上去更加鲜明。

GPU 在生成图像时,需要有个地方能存放信息和已完成的图像。这正是显卡 RAM 用途所 在,它用于存储有关每个像素的数据、每个像素的颜色及其在屏幕上的位置。有一部分 RAM 还可以起到帧缓冲器的作用,这意味着它将保存已完成的图像,直到显示它们。通常,显卡 RAM 以非常高的速度运行,且采取双端口设计,这意味着系统可以同时对其进行读取和写入 操作。

RAM 直接连接到数模转换器,即 DAC。这个转换器也称为 RAMDAC,用于将图像转换成监 视器可以使用的模拟信号。有些显卡具有多个 RAMDAC,这可以提高性能及支持多台监视器。 显卡输入和输出

ADC 连接器苹果公司曾经制造过使用专利产品 AppleDisplayConnector ADC) ( 的监视器。 尽管这些监视器目前仍在使用, 但苹果公司新出的监视器已改为使用 DVI 连接设备。 显卡通 过主板连接到电脑主板为显卡供电,并使其可以与 CPU 通信。对于较高端的显卡,主板所提 供的电能往往不足,所以显卡还直接连接到电脑的电源。

显卡与主板的连接通常是借助外设部件互连 (PCI) 高级图形端口 、 (AGP) PCIExpress 、 (PCIe)等三种接口接口来实现的,在这三种接口中,PCIExpress 是最新型的接口,它能 在显卡和主板之间提供最快的传输速率。此外,PCIe 还支持在一台电脑中使用两块显卡。

大多数人仅使用他们具有的两种监视器连接设备中的一种。 需要使用两台监视器的用户 可以购买具有双头输出功能的显卡,它能将画面分割并显示到两个屏幕上。理论上,如果电 脑配有两块具有双头输出功能且提供 PCIe 接口的显卡,则它能够支持四台监视器。除了用 于主板和监视器的连接设备以外,有些显卡还具有用于以下用途的连接设备:电视显示:电 视输出或 S-Video、模拟摄像机:ViVo(视频输入/视频输出、数码相机:火线或 USB 有些 显卡还自带了电视调谐器。

影响显卡速度和效率的因素

DirectX 和 OpenGLDirectX 和 OpenGL 都是应用程序编程接口,简称 API。API 提供用于 复杂任务(例如三维渲染)的指令,以此帮助软硬件更高效地通信。开发人员针对特定的 API 来优化大量使用图形的游戏。这就是最新的游戏通常需要 DirectX 或 OpenGL 的更新版 才能正确运行的原因。

API 不同于驱动程序。驱动程序是使硬件可以与电脑的操作系统进行通信的程序。但如 同更新版的 API 一样,更新版的设备驱动程序可以帮助程序正确运行。 如何衡量显卡好坏? 顶级显卡很容易辨认,它应该具有大量内存和速度很快的处理器。此外,与其他任何要 安装到电脑机箱中的部件相比, 它通常是最令人关注的。 很多高性能显卡都声称需要或直接 配备了外形夸张的风扇或散热器。

但高端显卡提供的功能超出了大多数人的真实需要。对于主要使用电脑来收发电子邮 件、 从事文字处理或上网冲浪的用户来说, 带有集成显卡的主板便能够提供所有必要的图形 功能。对于大多数偶尔玩游戏的用户来说,中端显卡已经足以满足需要。只有游戏迷和那些 需要完成大量三维图形工作的用户才需要高端显卡。

显卡性能的一个很好的整体衡量标准是它的帧速,它是以每秒的帧数(FPS)为单位加 以衡量的。帧速说明了显卡每秒钟能显示多少幅完整的图像。人眼的处理能力约为每秒 25 帧, 而动感快速的游戏至少需要 60FPS 的帧速才能提供平滑的动画和滚动。 影响帧速的因素 包括: 每秒生成的三角形数或顶点数三维图像是由三角形或多边形组成的。 这项指标说明了 GPU 能够以多快的速度计算整个多边形或对该多边形进行定义的顶点。一般而言,它说明了 显卡能以多快的速度生成线框图像。

像素填充速率: 这项指标说明了 GPU 一秒钟内能处理多少个像素, 从而也就说明了显卡 能以多快的速度对图像进行光栅化处理。 显卡的硬件对其速度具有直接影响。 以下是对显卡 速度影响最大的硬件性能指标及其衡量单位:GPU 时钟速度 (MHz) 内存总线的容量 、 (位)、 可用内存的数量(MB)、内存时钟速率(MHz) 内存带宽(GB/s)、RAMDAC 速度(MHz)。

电脑的 CPU 和主板也对显卡速度有一定影响, 因为非常快速的显卡并不能弥补主板在快 速传输数据方面的能力的不足。 同样, 显卡与主板之间的连接以及它从 CPU 获取指令的速度 都会影响其性能。

超频有些用户选择将自己显卡的时钟速度手动设置为更高的速率, 以此来提高显卡的性 能,这称为超频。人们通常选择对显卡的内存进行超频,因为对 GPU 进行超频可能会导致过 热。虽然超频可以获得更好的性能,但它也会使制造商的质保失效。 PConline 评测室总结

在上面的文章中我们为大家介绍了什么是显卡以及显卡工作的基本原理, 从上面的分析 文章我们看到作为显卡本身而言最重要的是显示核心即 GPU 和显卡内存, 这两个部分也是直 接影响到显卡的性能优劣。 从上面的分析文字中我们了解到显卡的基本工作原理, 这对于我 们全面认识显卡和购买显卡都有着一定的帮助。 当然除了 GPU 和内存以外显卡供电对于显卡 性能的稳定也是至关重要的,今后我们 PConline 还会陆续对显卡供电以及显卡散热等方面 为大家做解读。


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