Karty Graficzne Urządzenia Techniki Komputerowej M@rek Pudełko
Karta graficzna Karta graficzna to podzespół komputera odpowiedzialny za generowanie grafiki i wyświetlenie jej na monitorze. 2
Przykładowa karta graficzna 3
Schemat karty graficznej 4
Schemat blokowy karty graficznej Procesor CPU Interfejs magistrali Generator sygnałów synchronizujących Układ obliczania parametrów RAMDAC Synchro H Synchro V R G B Układ rysowania Sterownik VGA Sterownik VRAM Pamięć wideo VRAM 5
Budowa karty graficznej 6
Elementy karty graficznej Procesor graficzny (GPU) RAMDAC 7
Procesor graficzny 8
Procesor graficzny Procesor na karcie graficznej dokonuje obliczeń tworzonego obrazu. Procesor realizuje różne funkcje i obliczenia graficznewspomaga setki różnych funkcji, z trójwymiarowymi włącznie. rysowanie linii, trójkątów, prostokątów, generacja obrazu trójwymiarowego, pokrywanie teksturą, Tworzenie efektu mgły itd.. Procesor karty graficznej komunikuje się z pamięcią wysyłając i pobierając z niej informacje o obrazie w tzw. paczkach, przy czym wielkość tych paczek zależy od procesora karty. Procesory 64-bitowe wysyłają paczki 64-bitowe (8-bajtowe), a 128-bitowe paczki 16-bajtowe. Przewaga 128 bitów nad 64-ma zaczyna być widoczna przy pracy w wyższych rozdzielczościach 9
RAMDAC 10
RAMDAC RAMDAC (ang. Random Access Memory Digital to Analog Converter) - Układ przetwarzający sygnał cyfrowy na analogowy sygnał RGB. Konwerter zawiera 4 funkcjonalne bloki: pamięć Statyczna RAM, służącą do przechowywania mapy kolorów, 3 przetworniki cyfrowo-analogowe (C/A), po jednym dla każdego koloru podstawowego modelu RGB czerwonego (R), zielonego (G) niebieskiego (B). 11
Pamięć obrazu - VideoRAM 12
Pamięć RAM Każda karta graficzna ma własną pamięć RAM, w której przechowuje informacje o obrazie. Obecnie wielkość tej pamięci to przeciętnie 512 MB 2 GB. W pamięci tej przechowywane są dane o każdym punkcie obrazu, a także tekstury (w postaci map bitowych) oraz dane o głębi (tzw. bufor Z). 13
Pamięć ROM Pamięć ROM zawiera dane potrzebne przy uruchamianiu się systemu. Wywołuje je BIOS podczas startu komputera. Karta graficzna może zostać rozpoznana i zainicjowana, nawet gdy w BIOSie nie ma odpowiednich sterowników. Trudno byłoby wgrać sterowniki inicjujące kartę VGA z dysku, ponieważ do inicjacji ekran monitora byłby ciemny. 14
Bufor ramki W pamięci RAM dokonuje się jednocześnie zapis i odczyt danych. Gdyby wszystko odbywało się w tym samym bloku pamięci blok odczytu musiałby czekać na zakończenie procesu zapisu. Do momentu odczytu ostatniego piksela nie wolno byłoby z kolei, co zapisywać (wówczas oczekuje kontroler). Aby te procesy nie zakłócały się wzajemnie, wprowadzono podwójne buforowanie (Dual Buffering). Kontroler graficzny ma dwa jednakowe bufory pamięciowe. Jeśli jeden z nich wypełniany jest świeżą treścią (Back Buffer), zawartość drugiego można przekazać na ekran (Front Buffer). W ten sposób zawsze jakiś bufor jest odczytywany, a inny zapisywany. Wspomniane procesy nie zakłócają się wzajemnie. 15
HISTORIA KART GRAFICZNYCH (KRÓTKA) 16
Monochrome Display Adapter Pierwsza karta graficzna zastosowana w komputerze IBM 5150 Personal Computer (12 sierpnia 1981). Monochromatyczna. Miała wbudowany port drukarki. Wyświetlała 25 wierszy tekstu po 80 znaków. Litery miały 4 kolory do wyboru: Biały(szary) Czarny Jaskrawobiały Podkreślenie (underline) Karty MDA wymagały monitorów monochromatycznych. 17
Obraz MDA 18
Karta MDA na ISA (8-bitowe) 19
Color Graphics Adapter Pierwsza karta graficzna mająca tryb graficzny obok tekstowego (wprowadzona również w 1981). CGA oferował kolorowy obraz 320 x 200 w dwóch zestawach po 4 kolory. Biały, czarny, różowy i jasnoniebieski Żółty, czarny, zielony i czerwony (mało popularny). W trybie wysokiej rozdzielczości 640 x 200 były dostępne 2 kolory: czarny i biały. 20
Obraz CGA 21
Karta CGA na ISA (8-bitowe) 22
Hercules Graphics Controller Karta graficzna monochromatyczna opracowana przez firmę Hercules Computer Technology, Inc w 1982. Potrafiła wyświetlać tryb tekstowy zgodny z MDA (25 x 80) i nowy tryb graficzny czarno-biały 720x348 pikseli. Hercules był kompatybilny z MDA. Miał wysoką rozdzielczość używany w programach CAD Karta miała wbudowany port drukarki. Mogła być wykorzystywana jako dodatkowa karta graficzna. Karta Hercules stała się nieoficjalnym standardem. Z powodu jej popularności powstały emulatory gier kartę CGA na Herculesie. 23
Obraz HGC 24
Karta HGC na ISA 25
Enhanced Graphics Adapter Kolorowa karta graficzna o porządnych parametrach wprowadzona w 1984 roku. Potrafiła wyświetlać kolorowy obraz w rozdzielczości 320 x200 i 640 x 350 przy 16 kolorach (z palety 64). Była kompatybilna z MDA i CGA. EGA była kartą cyfrową Posiadała duże możliwości konfiguracyjne Miała znacznie rozszerzony tryb znakowy. Można było ustawić liczbę kolumn i wierszy oraz zmienić rozmiar znaków (w pewnych granicach). Istniała też opcja generacji różnych znaków (nie tylko ASCII) 26
Obraz EGA 27
Karta EGA na ISA 28
Professional Graphics Controller Była to karta graficzna firmy IBM do zastosowań profesjonalnych. W chwili premiery w 1984 roku była to najbardziej zaawansowana karta tego typu do komputerów IBM XT. PGC była podłączana do dwóch gniazd ISA i składała się z 3 elementów (jeden był pomiędzy dwiema kartami w gniazdach). Karta posiadała osobny procesor do wyświetlania grafiki 2D i 3D. Wysoka rozdzielczość ekranowa 640x480 z wykorzystaniem 256 kolorów. PGC emulowała kartę CGA. Nie przyjęła się jednak, mimo świetnych możliwości. 29
Karta PGC 30
Video Graphics Array Karta pojawiła się 2 kwietnia 1987 w nowych komputerach IBM PS/2. VGA była zgodna z EGA, CGA, MDA (ale nie Hercules) Karty VGA miały 256kB pamięci, umożliwiają stosowanie trybów graficznych 16- lub 256-kolorowych. Maksymalna rozdzielczość w trybie znakowym to 720 480, a w graficznym 640 480. Karta VGA udostępniała dwa nowe tryby graficzne: 320 200 w 256 kolorach, 640 480 w 16 kolorach VGA była bardzo popularna i szybko stała się standardem. Obecnie określenie VGA używane jest często dla rozdzielczości 640 480 pikseli, lub dla kabla DE-15. 31
Obraz VGA 32
Karta VGA 33
Multicolor Graphics Adapter MCGA była prostym, zintegrowanym układem do tanich komputerów. VGA dla ubogich MCGA było rozwiniętą wersją karty CGA. Karta MCGA była zgodna z MDA i CGA (z lepszą jakością obrazu). Dawał kolorową grafikę niskiej rozdzielczości (320 x 200) i czarnobiałą wysokiej (640 x 480) Wyświetlał 256 kolorów z palety 262 144 barw Przyjemne proporcje ekranu MCGA była montowana na płycie głównej komputera w modelach IBM PS/2 Model 25 i 30. MCGA była także w pierwszych komputerach klasy PS/1 (szczególnie 2123). Karta posiadała własną pamięć graficzną 64 kb. Niepowodzenie PS/2 przełożyło się również na fiasko MCGA. 34
Obraz MGA 35
IBM PS/2 36
8514A Karta 8514A była jedną z pierwszych zapewniającą sprzętowe wsparcia dla operacji graficznych. Wywołała tym zainteresowanie generacją grafiki przez hardware. Przyśpieszała niektóre operacje graficzne: Rysowanie prostokątów, linii o zadanym punkcie początkowym i końcowym, wypełnianie obszarów zamkniętych, kopiowanie bloku obrazu w inne miejsce. Dotyczyło to głównie grafiki wektorowej CAD, rysunków technicznych Karta 8514/A nie była samodzielną kartą graficzną łączono ją z kontrolerem VGA złączem typu Feature Connector (Auxiliary Video Extension, AVE). Karta obsługiwała tylko własne tryby graficzne 640 480 i 1024 768 pikseli w 16 lub 256 kolorach (z czego tryb 1024 768 korzystał z przeplotu czyli co drugą linię w danym przebiegu); pozostałe (z tekstowymi włącznie) pozostały w gestii równolegle pracującego sterownika VGA. Karta była sprzedawana z komputerami IBM PS/2. Korzystała ze złącza MCA (Microchannel). To nie przysporzyło jej popularności, ale dało impuls innym. Wielu producentów produkowało karty zgodne z 8514 i korzystające z ISA ATI, Western Digital. 37
Karta 8514a 38
Karta 8514Ultra na ISA 39
Super Video Graphics Array SVGA lub super VGA to rozwinięcie standardu VGA. W klonach kart VGA dodawano nowe tryby wyświetlania obrazu i tekstu wraz z większą ilością kolorów. Nazwa SVGA dotyczy najczęściej rozdzielczości 800 x 600. Jest to właściwie zbiór różnych rozszerzeń opisywanych zbiorczą nazwą SVGA. Ponieważ SVGA rozwijało się w czasach dominacji DOS-u, obsługa rozszerzeń była tworzona przez każdego producenta oddzielnie. Wymagało to oddzielnych procedur programowania karty i specjalnych sterowników do obsługi wyższych trybów pracy. Próbą stworzenia standardu było w 1989 rozszerzenie VESA (Video Electronics Standards Association). Był to wspólny dla wszystkich kart zestaw funkcji w jednakowy sposób obsługujący rozszerzenia producentów. Początkowo producenci dostarczali program TRS emulujący tryby VESA. Należało go uruchomić prze użycie trybu SVGA. Potem implementacje SVGA były zgodne ze standardem VESA na poziomie sprzętowym. 40
Obraz SVGA 41
Karta SVGA 42
extended Graphics Array XGA to standard IBM mający zastąpić 8514/A. Karta ta umożliwiała sprzętowe wspomaganie operacji graficznych 2D. Była szybsza od poprzedniczki. XGA pozwala na wyświetlenie obrazu w rozdzielczości: 1024x768 punktów i 256 kolorach. 640 x480 i 32 768 kolorów Wadą tej architektury było przypisanie jej do złącza Microchannel stosowanego w komputerach IBM PS/2. Mimo dobrych osiągów nie przekonała użytkowników. Obecnie XGA kojarzy się z rozdzielczością 1024 x768. XGA zostały zastąpione układem XGA-2. XGA-2 oferował TrueColor (24-bity) dla 640 x 480 i HighColor (16-bitów) dla 1024 x 768. Według IBM układy XGA-2 miały być nawet 20 razy szybsze od VGA. 43
Karta XGA 44
ZESTAWIENIE ROZDZIELCZOŚCI 45
46
47
AKCELERATORY GRAFIKI 48
Akcelerator 2D Akcelerator 2D to specjalny układ zajmujący się wykonywaniem obliczeń związanych z dwuwymiarową grafiką komputerową. Rysował linie i proste figury geometryczne. Akcelerator 2D był oddzielną kartą lub oddzielnym układem scalonym. Obecnie jego zadania realizuje procesor graficzny. 49
Akcelerator 3D Akcelerator 3D to specjalny układ zajmujący się wykonywaniem obliczeń związanych z trójwymiarową grafiką komputerową. Dzięki temu odciążony był procesor. Akcelerator 3D początkowo był instalowany w postaci dodatkowej karty rozszerzeń. Później był połączony z kartą graficzną. 50
Karta do obliczeń fizycznych Karta wspomagała obliczenia oddziaływań fizycznych, które miały miejsce w grach i innych programach. Montowana była w oddzielnym złączu PCI-express Obecnie technologia jest raczej implementowana w kartach graficznych. Karta PhysX firmy Ageia 51
PARAMETRY KARTY GRAFICZNEJ 52
Chipset karty graficznej Złącze karty graficznej Wyjścia graficzne Sposób łączenia kart razem Ilość pamięci RAM Częstotliwość taktowania pamięci Częstotliwość taktowania rdzenia Szerokość szyny danych Rozdzielczość ekranu Wymiary fizyczne Obsługa standardów graficznych DirectX i OpenGL 53
Czipset karty graficznej Procesor graficzny (GPU Graphics Processing Unit) układ obliczeniowy stosowany w kartach graficznych. Jego zadaniem jest generowanie grafiki 2D i 3D. W ten sposób odciąża procesor. Może być wbudowany w płytę główną lub w procesor. 54
Procesory graficzne Dedykowane karty graficzne Zintegrowane z płytą główną Zintegrowane z mostkiem północnym Zintegrowane z procesorem Przystosowane do pracy jako oddzielne karty graficzne tzw. dedykowane: procesory serii Radeon Graphics produkowane przez ATI technologies, marka AMD procesory serii GeForce produkowane przez nvidia procesory firmy Matrox procesory firmy XGI Technology Zintegrowane z mostkiem północnym lub bezpośrednio w CPU: procesory marki Intel GMA procesory firmy AMD procesory firmy SiS procesory firmy VIA Technologies 55
Złącza kart graficznych ISA PCI AGP PCI-E 56
ISA - Industry Standard Architecture Częstotliwość pracy 8,33 MHz Przepustowość 8 MB/s lub 16 MB/s Standard Plug and Play Nie obsługiwała Interfejs równoległy szyna danych 8-bitowa (1981), a potem 16-bitowa (1984). 57
Karta graficzna na ISA 58
PCI - Peripheral Component Interconnect Częstotliwość pracy Przepustowość Standard Plug and Play Interfejs szyna danych 33 MHz lub 66 MHz Od 133 MB/s do 533 MB/s Obsługuje równoległy 32-bitowa, lub 64-bitowa 59
Karta graficzna na PCI 60
AGP - Accelerated Graphics Port Częstotliwość pracy Przepustowość Standard Plug and Play Interfejs szyna danych 66 MHz Od 266 MB/s do 2133 MB/s Obsługuje równoległy 32-bitowa 61
Karta graficzna na AGP 62
PCI-Express Częstotliwość pracy Przepustowość Standard Plug and Play Interfejs 2,5 GHz Od 500 MB/s do 32 GB/s Obsługuje szeregowy 63
Karta graficzna na PCI-Express 64
Złącza graficzne VGA (D-SUB) DVI HDMI DisplayPort Thunderbolt SCART Cinch S-Video 65
D-Sub DE-15 (VGA) Interfejs Analogowy Ilość pinów 15 Sygnały RGB +synchronizacja V H Pasmo sygnału 388 MHz Kierunek sygnałów jednokierunkowy 66
Display Port Interfejs Cyfrowy Ilość pinów 20 Prędkość przesyłu 8,64Gbit/s - 32,54 Gbit/s Ilość linii przesyłowych 1-4 Kierunek sygnałów Full - duplex 67
68
DVI (Digital Visual Interface) Interfejs Ilość pinów 29 Prędkość przesyłu Ilość linii przesyłowych 1-2 Kierunek sygnałów Cyfrowy lub analogowy 3,7 Gbit/s lub 7,4 Gbit/s Full - duplex Rodzaje DVI: DVI-I - przesyła zarówno dane cyfrowe jak i analogowe. DVI-D - przesyła tylko dane cyfrowe DVI-A - przesyła tylko dane analogowe 69
HDMI (High Definition Multimedia Interface) Interfejs Cyfrowy Ilość pinów 19 lub 29 Prędkość przesyłu 10,2 Gbit/s - 48 Gbit/s Kierunek sygnałów Full - duplex 70
HDMI HDMI (ang. High Definition Multimedia Interface) interfejs służący do przesyłania cyfrowego, nieskompresowanego sygnału audio i wideo. HDMI pozwala łączyć ze sobą dowolne, urządzenia audio/wideo takie jak odtwarzacze DVD, Blu-ray, konsole gier, komputery, monitory i telewizory cyfrowe. 71
Specyfikacja HDMI Wersja HDMI 1.0 1.2a 1.3 1.4 2.0 2.1 Maksymalna szerokość pasma sygnału Maksymalna przepływność Maksymalna długość kabla Maksymalna rozdzielczość złącza przy 24-bit/px 165 MHz 340 MHz 340 MHz 600 MHz 4.,95 Gbit/s 10,2 Gbit/s 10,2 Gbit/s 18 Gbit/s 48 Gbit/s 15 m 15 m 15 m 15 m 15 m 1920 1200 60 klatek/s 2560 1600 75 klatek/s 4096x2160 24 klatki/s 4096x2160 60 klatek/s 10K/120 klatek 72
HDMI 2.1 Standard ogłoszony 4 stycznia 2017 roku przez HDMI forum w Las Vegas. Ma gwarantować transfer danych o prędkości 48 Gbit/s Najszybszy obecnie interfejs komputerowy Umożliwi odtwarzanie obrazu 4K, 5K, 8K, 10K z częstotliwością do 120Hz Wprowadza tryb pracy Game Mode VRR, oferujący zmienne tryby odświeżania Zniknie w grach rwanie obrazu znane z trybu pracy V-sync. Dynamiczne HDR Możliwość optymalizacji kolorów w każdej scenie z osobna, a nawet w każdej odrębnej klatce. To oznacza, że w każdym momencie obraz będzie odpowiednio dostosowany w kwestii głębi, jasności, kontrastu i ostrości. Pojawi się earc (Enhanced Audio Return Channel) obsługujący obiektowe miksowanie dźwięku. Twórcy mogą wskazywać miejsca w pokoju z którego dźwięk ma się wydobywać, zamiast wskazywać numer kanału, tak jak w systemach typu Dolby 5.1. Nie trzeba się męczyć z rozstawianiem głośników w odpowiednich miejscach pomieszczenia. Wymagana zgodność z kablami obsługującymi te przepustowość (zalecane światłowody) 74
HDMI 2.1 Dynamiczne HDR Tryb gry VRR 75
Złącze Cinch 76
SCART (Eurozłącze) 77
Interfejs Analogowy Ilość pinów 4, 7, 9 Sygnały Pasmo sygnału Kierunek sygnałów Złącze S-Video używa wtyczki Mini-DIN. S-Video Y (luminancja), C (chrominancja) 3,57 4,43 MHz jednokierunkowy 78
Thunderbolt Interfejs szeregowy Transfer Thunderbolt 1: 10 Gbit/s Thunderbolt 2: 20 Gbit/s Thunderbolt 3: 40 Gbit/s (światłowód do 100 Gbit/s) Długość magistrali: ok. 3 m (100m światłowód) Liczba portów: 2-4 Liczba urządzeń na port do 6 79
80
Parametry Thunderbolt prędkość 10 Gb/s [przez kabel światłowodowy do 100 Gb/s] Długość przewodu do 100 metrów długości, równoczesne połączenie z wieloma urządzeniami, wiele protokołów, równoczesny transfer w obydwie strony, implementacja Quality of Service, hot plugging na Mac OS X (Windows go nie obsługuje) 81
82
Możliwości Thunderbolt 3 83
Sposób łączenia kart graficznych razem SLI CrossFireX MultiChrome 84
SLI 85
CrossFireX 86
Parametry karty graficznej 87
Ilość pamięci RAM Częstotliwość taktowania pamięci Częstotliwość taktowania rdzenia Szerokość szyny danych Sposób łączenia kart razem Rozdzielczość ekranu Wymiary fizyczne Obsługa standardów graficznych DirectX i OpenGL 88
Ćwiczenie Poszukaj parametrów karty graficznej Asus Radeon HD 7790 Zapisz je w zeszycie. 89
TESTOWANIE I BADANIE KART GRAFICZNYCH W KOMPUTERZE 90
Menedżer urządzeń 91
Informacje o systemie 92
Everest 93
PC Wizard 94
CPU-Z 95
GPU-Z 96
GPU-Z 97
Ćwiczenie Zbadaj parametry karty graficznej w twoim komputerze Zapisz je w zeszycie. 98
MODERNIZACJA KARTY GRAFICZNEJ 99
Karta graficzna Zbyt słaby procesor graficzny Mała ilość pamięci RAM na karcie graficznej Nieobsługiwanie nowych poleceń i instrukcji graficznych 100
Efekty problemy karty graficznej Zbyt słaby procesor graficzny Wymagające graficznie aplikacje chodzą wolno Niektóre się nie uruchomią Mała ilość pamięci RAM na karcie graficznej Aplikacje chodzą wolno Niektóre się nie uruchomią Nieobsługiwanie nowych poleceń i instrukcji graficznych Aplikacje nie są zoptymalizowane Niektóre się nie uruchomią 101
Czy płyta główna obsłuży odpowiednio nową kartę graficzną? Tak Czy płyta główna zawiera odpowiednie gniazdo? Tak Nie Nie Wybierz odpowiednią kartę graficzną Czy zasilacz ma odpowiedni zapas mocy? Poszukaj odpowiedniej karty Tak Czy chłodzenie jest dostatecznie wydajne? Tak Czy płyta główna obsługuje SLI lub CrossFire? Tak Możesz dokupić drugą kartę graficzną Nie Nie Nie Kup nowy zasilacz Kup nowy wentylator Ogranicz się do jednej karty 102
Karta graficzna Co się stanie z kartą graficzną zintegrowaną z płytą główną po zamontowaniu nowej (na PCIe)? Jak uzyskać obraz na kilku monitorach? 103
KARTA GRAFICZNA W BIOSIE 104
105
106
Wybór karty graficznej 107
Współpraca dwóch kart graficznych 108
Wsparcie SLI 109
110