Karta graficzna i monitor

Karta graficzna i monitor Kwalifikacja E.12 Montaż i eksploatacja komputerów osobistych oraz urządzeń peryferyjnych Podręcznik do nauki zawodu Tomasz Kowalski

Karta graficzna (ang. graphics card) przyjmuje najczęściej postać karty rozszerzeń montowanej w gnieździe magistrali I/O na płycie głównej (rysunek 2.61). Opcjonalnie układ GPU może być zintegrowany z chipsetem płyty głównej. Zadaniem karty graficznej jest wizualizacja danych cyfrowych na ekranie monitora komputerowego lub innego urządzenia multimedialnego.

Budowa i działanie karty graficznej Na rynku można spotkać wiele kart graficznych różniących się wydajnością, jakością wykonania, przeznaczeniem, ceną, zestawem złączy itd. Mimo takiego zróżnicowania podstawowe elementy są takie same w każdej karcie (rysunek 2.62): procesor graficzny (ang. Graphics Processing Unit GPU), pamięć podręczna RAM, konwerter cyfrowo-analogowy (ang. Digital-to-Analog Converter DAC)*, złącze magistrali interfejs systemowy, BIOS, zestaw wyjść * Karty mające wyłącznie cyfrowe wyjścia nie są wyposażone w układ DAC

Procesor graficzny Większość współczesnych kart graficznych dodatkowo ma wbudowany akcelerator grafiki 3D, oprogramowanie i sterowniki. Procesor graficzny Procesor graficzny GPU (rysunek 2.63) jest głównym elementem każdej karty graficznej i od jego możliwości w dużej mierze zależy wydajność całego podsystemu graficznego. Podstawowym zadaniem układu GPU jest odciążenie głównego mikroprocesora od większości obliczeń związanych z przetwarzaniem grafiki 2D (ang. two-dimensional graphics grafika dwuwymiarowa) i 3D (ang. three-dimensional graphics grafika trójwymiarowa). Dzięki takiemu rozwiązaniu główna jednostka CPU może przeznaczyć całą moc obliczeniową na zadania systemowe, co przekłada się na ogólne zwiększenie wydajności komputera.

Procesor graficzny Najnowsze układy GPU nie są już rozwijane wyłącznie pod kątem gier komputerowych. Coraz częściej wspomagają strumieniowe przetwarzanie wideo HD (ang. High Definition wysokiej rozdzielczości), umożliwiają wykonywanie skomplikowanych obliczeń i pozwalają uzyskać realistyczne efekty graficzne 3D. Współczesne układy graficzne wykonują pewne operacje wielokrotnie szybciej niż tradycyjne mikroprocesory, dlatego coraz częściej stosuje się określenie generał purpose GPU (procesor GPU do obliczeń ogólnego przeznaczenia). Rozwój najnowszych układów graficznych jest również stymulowany przez wymagania interfejsów programowalnych API (ang. Application Programming Interface) tworzących pomost między oprogramowaniem multimedialnym a podsystemem graficznym i muzycznym komputera. Przykładem interfejsu API jest DirectX firmy Microsoft wykorzystywany przez większość współczesnych gier komputerowych i aplikacji multimedialnych. Liderami rynku chipsetów graficznych są firmy: NVIDIA, ATI/AMD, Intel, VIA, S3 oraz Matrox.

Procesor graficzny Pamięć RAM Układ graficzny, podobnie jak mikroprocesor, do sprawnego działania potrzebuje pamięci operacyjnej, potocznie określanej skrótem RAM (ang. Random Access Memory pamięć o swobodnym dostępie). Pamięć RAM jest przestrzenią roboczą GPU przechowującą aktualnie przetwarzane dane graficzne. Od wielkości pamięci RAM zależy np. liczba wyświetlanych kolorów w grafice 2D, a w przypadku obrazów 3D także jakość i rozmiar nanoszonej tekstury (rysunek 2.64).

Procesor graficzny Pamięć RAM Układ graficzny, podobnie jak mikroprocesor, do sprawnego działania potrzebuje pamięci operacyjnej, potocznie określanej skrótem RAM (ang. Random Access Memory pamięć o swobodnym dostępie). Pamięć RAM jest przestrzenią roboczą GPU przechowującą aktualnie przetwarzane dane graficzne. Od wielkości pamięci RAM zależy np. liczba wyświetlanych kolorów w grafice 2D, a w przypadku obrazów 3D także jakość i rozmiar nanoszonej tekstury (rysunek 2.64).

Procesor graficzny

Procesor graficzny Na wydajność podsystemu graficznego wpływają szerokość i szybkość magistrali, która łączy pamięć RAM karty graficznej z jej układem GPU. Współczesne karty graficzne wykorzystują szyny umożliwiające jednoczesny przesył 512 bitów i pracują z częstotliwościami bliskimi 1 GHz. Najnowsze karty graficzne są też wyposażone w pamięć DDR5 SDRAM oznaczoną jako GDDR

Procesor graficzny Konwerter cyfrowo-analogowy (RAMDAC) Karta graficzna generuje sygnał cyfrowy (liczba binarna zakodowana w postaci stanu wysokiego lub niskiego), natomiast monitory kineskopowe CRT wyświetlają obraz, bazując na sygnale analogowym (napięcie elektryczne proporcjonalne do wartości reprezentowanej liczby). W celu umożliwienia współdziałania tych komponentów karta graficzna musi być wyposażona w konwerter zamieniający sygnał cyfrowy na postać analogową. Konwerter RAMDAC zawiera pamięć SRAM służącą do przechowywania mapy kolorów (rysunek 2.65).

Magistrala rozszerzeń Zewnętrzne karty graficzne przyjmują najczęściej postać kart rozszerzeń montowanych w złączu dedykowanej magistrali I/O. Niektórzy producenci integrują układy graficzne z chipsetem płyt głównych. Magistrala rozszerzeń umożliwia komunikację układu graficznego GPU z pozostałymi komponentami komputera, np. mikroprocesorem lub pamięcią operacyjną. Najnowszym rozwiązaniem jest magistrala PCI Express działająca w trybie x16 i umożliwiająca transfer do 16 GB/s. Do niedawna funkcję interfejsu graficznego pełniła 32-bitowa magistrala AGP x8 z transferem 2 GB/s, a jeszcze wcześniej magistrale PCI, VESA, MCA, ISA.

Magistrala rozszerzeń Płyta główna zwykle jest wyposażona w jedno złącze magistrali PCI-E x16 służące przede wszystkim do obsługi wydajnych kart graficznych. Wyjątkiem są produkty obsługujące tryby SLI (NVI- DIA) lub CrossFire (ATI/AMD), dzięki którym istnieje możliwość generowania jednego obrazu przez kilka kart graficznych (rysunek 2.66).

BIOS karty graficznej Podobnie jak płyta główna, karta graficzna jest wyposażona w układ ROM przechowujący BIOS (ang. Basic Input/ Output System). BIOS umożliwia działanie karty graficznej, zanim zostanie wczytany system operacyjny, oraz pozwala na wykonywanie instrukcji karty przez oprogramowanie systemowe. Zestaw wyjść Zestaw wyjść karty graficznej umożliwia podłączenie za pomocą okablowania urządzeń typu monitor, telewizor czy rzutnik multimedialny (rysunek 2.67).

Najczęściej spotykanymi wyjściami są: D-SUB (VGA). Złącze w kształcie wielkiej litery D" służące do podłączenia monitorów wykorzystujących sygnał analogowy. Najczęściej są to monitory kineskopowe CRT, tańsze wersje wyświetlaczy LCD, rzutniki multimedialne, telewizory LCD lub plazmowe. DVI (ang. Digital Visual Interface cyfrowy interfejs obrazu). Standard umożliwiający podłączenie karty graficznej do monitora lub innego urządzenia multimedialnego. W zależności od zastosowanej wersji może służyć do przesyłania sygnału cyfrowego, ale również po zamontowaniu odpowiedniej przejściówki analogowego. TV-Out (ang. TV-Output wyjście TV). Standard złącza analogowego znany również pod nazwą S-Video, zazwyczaj służący do podłączenia telewizora kineskopowego CRT do karty graficznej. HDMI (ang. High Definition Multimedia Interface multimedialny interfejs wysokiej rozdzielczości). Cyfrowy interfejs umożliwiający jednoczesne przesyłanie obrazu i dźwięku w standardzie HD. Interfejs pozwala na podłączanie do karty graficznej wszelkiego rodzaju urządzeń multimedialnych zgodnych ze standardem. Display Port. Cyfrowy standard przesyłania obrazu i dźwięku opracowany w 2006 roku przez VESA (ang. Video Electronics Standards Association), wprowadzony na rynek w 2008 roku niekompatybilny z DVI i HDMI (dostępne są adaptery umożliwiające integrację standardu DP z DVI lub HDMI). Przeznaczony do łączenia zestawów komputerowych z monitorami lub cyfrowymi telewizorami, wyświetlaczami czy całymi zestawami kina domowego.

Monitory

Obraz wygenerowany przez kartę graficzną trafia za pośrednictwem odpowiedniego wyjścia i okablowania do monitora komputerowego, który zamienia sygnał elektryczny (cyfrowy lub analogowy) na obraz widoczny na ekranie. W zależności od sposobu generowania obrazu możemy wyróżnić: monitory CRT (ang. Cathode-Ray Tube z lampą kineskopową), monitory LCD (ang. Liquid Crystal Display wyświetlacz ciekłokrystaliczny). Obecnie oferta monitorów CRT jest uboga, dynamicznie natomiast rozwija się rynek nowocześniejszych wyświetlaczy LCD.

Monitor CRT (z lampą kineskopową) Spore rozmiary, duża waga, emisja elektromagnetyczna i duży pobór prądu to cechy monitorów CRT z lampą kineskopową. Nie jest jednak tak, że sprzęt tego typu ma same wady. Do niewątpliwych zalet monitorów kineskopowych można zaliczyć: wieloczęstotliwość (ang. multi-frequency) umożliwiającą pracę w różnych rozdzielczościach ekranu, bardzo dobre kąty widzenia oraz realistyczne odwzorowanie kolorów. Budowa i działanie monitora CRT Głównym elementem monitora CRT jest lampa kineskopowa (katodowa), która przyjmuje postać szklanej próżniowej tuby (rysunek 2.68). W tylnej części znajdują się trzy działa elektronowe (czasami jedno) emitujące strumienie elektronów w kierunku luminoforu w kolorze czerwonym, zielonym i niebieskim (ang. Red, Green, Blue RGB). Przed warstwą luminoforu znajduje się tzw. maska (ang. shadow mask) pełniąca funkcję filtru dbającego o to, aby elektrony idealnie uderzały w powierzchnię wyznaczonych pól luminoforu (subpikseli), co pozytywnie wpływa na jakość obrazu. W momencie uderzenia elektronu powierzchnia luminoforu rozbłyskuje, dając efekt kolorowej poświaty (ang. persistence). Aby na monitorze pojawiły się inne kolory, elektrony muszą uderzać jednocześnie w różne subpiksele i tworzyć świecący piksel o odpowiedniej barwie.

Aby obraz pokrył całą powierzchnię ekranu, poszczególne piksele muszą być aktywowane jeden za drugim w poziomych liniach aż do osiągnięcia dolnej krawędzi kineskopu. Do odchylania strumienia elektronów służą cewki zwane zespołem odchylającym, dzięki którym obraz może powstawać na powierzchni całego ekranu. Jeżeli proces zostanie wykonany wystarczająco szybko, ludzkie oko odczyta rozbłyski poszczególnych pikseli jako ciągły obraz. Aby uniknąć migotania ekranu, obraz w pionie (linia za linią) powinien być prezentowany (odświeżany) 85 razy w ciągu sekundy. Na jakość obrazu wyświetlanego przez monitor CRT wpływa rodzaj zastosowanej maski (rysunek 2.69): Maska perforowana. Opracowana przez IBM dla pierwszych monitorów CRT. Ma stosunkowo dużą powierzchnię, co przekłada się na słabą jasność i wyrazistość obrazu. Maska szczelinowa. Maska zbudowana z cienkich pionowych drutów, dzięki czemu jej powierzchnia jest niewielka. Daje bardzo dobrą ostrość i jasność obrazu. Minusem jest fakt zastosowania poziomych drutów stabilizujących i usztywniających, które mogą być widoczne na ekranie podczas wyświetlania jasnego tła. Zastosowana przez firmę Sony w kineskopach Trinitron i firmę Mitsubishi w kineskopach Diamondtron.

Maska szczelinowo-perforowana. Opracowana przez firmę NEC dla kineskopów Cromaclear. Łączy cechy dwóch powyższych, dając minimalnie gorsze parametry obrazu niż w przypadku maski szczelinowej przy mniejszych kosztach produkcji i braku widocznych drutów poprzecznych.

Monitor LCD (wyświetlacz ciekłokrystaliczny) Większość sprzedawanych obecnie monitorów komputerowych to wyświetlacze ciekłokrystaliczne LCD (ang. Liquid Crystal Display), które charakteryzują się całkowicie płaskim ekranem, małym poborem energii oraz niewielkim ciężarem i grubością. Ograniczenia monitorów LCD dotyczą rozdzielczości. Typowy 17-calo- wy panel ciekłokrystaliczny wyświetla obraz z maksymalną rozdzielczością 1200x1024, podczas gdy monitor CRT o podobnej przekątnej bez problemu wyświetli tryb 1600x1200 (rysunek 2.70). Budowa i działanie monitora LCD W monitorze LCD najważniejszym elementem jest filtr polaryzacyjny, który przepuszcza fale świetlne o określonej fazie Źródło światła to najczęściej cienka lampa jarzeniowa (świetlówka) lub dioda LED. Światło jest przepuszczane przez filtr z poziomymi szczelinami, co powoduje tworzenie się poziomych wiązek światła. Następnie przechodzi przez warstwę polikrzemową zwaną ciekłymi kryształami i trafia na kolejny filtr, w którym szczeliny są ułożone pionowo.

Jeżeli strumień światła nie zostanie odpowiednio zakrzywiony przez cząstki ciekłego kryształu, światło zostanie zatrzymane na powierzchni drugiego filtra piksel jest wówczas nieaktywny. W celu uaktywnienia piksela strumień światła zostaje załamany o 90 stopni przez odpowiednio skręcone molekuły ciekłego kryształu i na powierzchni ekranu pojawia się świecący punkt piksel aktywny. Położeniem cząstek polikrzemu steruje się za pomocą tranzystorów włączających napięcie. Piksel składa się z trzech komórek (subpikseli) odpowiedzialnych za wyświetlanie kolorów za pomocą filtrów RGB. Każdy subpiksel jest sterowany niezależnie oddzielnym tranzystorem. Piksele są ułożone blisko siebie i tworzą matrycę LCD, która ma formę idealnego prostokąta. Czasami na powierzchni ekranu LCD pojawiają się subpiksele, które nie zmieniają swojej barwy lub się nie przełączają. Potocznie są one nazywane martwymi pikselami (ang. deadpixel). W najlepszym razie jest to tylko przyblokowany subpiksel, który po lekkim puknięciu lub samoczynnie wraca do normy. Gorzej, jeśli uszkodzeniu uległ tranzystor sterujący subpikselem odpowiedzialnym za wyświetlanie kolorów RGB.

Gdy zobaczymy na powierzchni wyświetlacza lub telewizora LCD martwe piksele, powinniśmy zareklamować produkt (jeśli jest jeszcze na gwarancji). W celu upewnienia się, czy liczba martwych pikseli kwalifikuje produkt do reklamacji, można samemu przeprowadzić wstępną diagnozę. Większość producentów deklaruje zgodność z normą ISO 13406-2 wyróżniającą następujące odmiany uszkodzonych pikseli: Świecący cały piksel. W celu sprawdzenia, ile tego typu uszkodzonych pikseli przewiduje norma, należy użyć wzoru: Iiczba_pikseli_matrycy x 2/1 000 000. Martwy cały piksel. Obliczenia jak wyżej. Martwy lub świecący subpiksel. W celu sprawdzenia, ile tego typu uszkodzonych pikseli przewiduje norma, należy użyć wzoru: Iiczba_pikseli_matrycy x 5/1 000 000.

Matryce ciekłokrystaliczne Pierwszą odmianą matryc ciekłokrystalicznych były tzw. matryce pasywne, w których pojedyncze tranzystory sterowały całymi wierszami i kolumnami pikseli. Brak kontroli pojedynczych pikseli objawiał się rozmytym obrazem i długim czasem przełączania, co powodowało efekt smug i cieni. Współczesne wyświetlacze LCD dla komputerów PC są wyposażone w matryce aktywne, w których wszystkie piksele są sterowane oddzielnymi tranzystorami cienkowarstwowymi (ang. Thin Film Transistor, TFT). Powstało kilka odmian matryc aktywnych: TN (ang. Twisted Nematic). Stosowane w tańszych monitorach LCD. Doskonale nadają się do domowych multimediów z racji krótkiego czasu reakcji (poniżej 8 ms). Znaczną wadą są małe kąty widzenia w granicach 120-140 stopni w obydwu kierunkach i słabe odwzorowanie kolorów. Matryce TN rzadko są stosowane w monitorach do zastosowań profesjonalnych.

MVA (ang. Multidomain Vertical Alignment wielodomenowe wyrównywanie pionowe). Matryce MVA bardzo dobrze odwzorowują barwy dzięki niezależnym ułożeniom kątów kryształów. Nie są najtańsze, jednak charakteryzują się szerokim kątem widzenia (ponad 170 stopni) i niezłym czasem reakcji, co powoduje, że obecnie są często montowane w monitorach LCD. PVA (ang. Patterned Vertical Alignment wzorzyste wyrównanie pionowe). Technologia opracowana przez firmę Samsung, podobna do MVA. Matryce PVA charakteryzują się niezłym kątem widzenia, szybkim czasem reakcji, dobrym kontrastem. IPS/S-IPS (ang. In-Plane Switching/Super-In-Plane Switching przełączanie wewnątrzpłytowe). Matryce o przekątnej powyżej 17 cali, bardzo dobrym odwzorowaniu i rozłożeniu kolorów oraz niezłym kącie widzenia. Molekuły są ułożone w zygzaki (wcześniej wiersze i kolumny), co jeszcze bardziej ogranicza przesunięcia kolorów. S-IPS łączą zalety matryc TN i MVA, często są stosowane w monitorach do profesjonalnych zastosowań graficznych.

Komunikacja z monitorem LCD (D-Sub, DVI) Monitory ciekłokrystaliczne są typowymi urządzeniami cyfrowymi, w przeciwieństwie do monitorów CRT. Niestety, tańsze wersje wyświetlaczy LCD wykorzystują do transmisji sygnału wideo analogowe 15-pinowe złącze D-Sub, co wymusza podwójną konwersję (rysunek 2.71). Zamiana sygnału cyfrowego na analogowy wewnątrz karty graficznej w układzie DAC i ponowna konwersja na postać cyfrową w monitorze powoduje straty jakości i podatność na zakłócenia. UWAGA Jeżeli karta graficzna ma wyłącznie wyjście DVI lub DVI-A, możemy zastosować specjalną przejściówkę w celu podłączenia gniazda D-Sub w monitorze do interfejsu analogowego.

W celu maksymalnego wykorzystania możliwości nowoczesnych wyświetlaczy LCD należy użyć interfejsów cyfrowych, o ile karta graficzna i monitor mają takie złącze. Do dyspozycji mamy: DVI (ang. Digital Video Interface cyfrowy interfejs wideo). Cyfrowy standard przesyłania sygnału wideo, w niektórych odmianach również analogowego, choć sygnał cyfrowy umożliwia uzyskanie większej ostrości obrazu i intensywności kolorów (rysunek 2.72). Standard przewiduje okablowanie nie dłuższe niż 5 m. Wyróżnia się kilka odmian złącza DVI: -DVI-I umożliwia przesyłanie sygnału cyfrowego i analogowego, -DVI-D umożliwia przesyłanie wyłącznie sygnału cyfrowego, -DVI-A umożliwia przesyłanie wyłącznie sygnału analogowego.

HDMI (ang. High Definition Multimedia Interface multimedialny interfejs wysokiej rozdzielczości). Cyfrowy standard przesyłania sygnału audio/wideo umożliwiający transmisję obrazu wysokiej rozdzielczości (HD) i dźwięku wielokanałowego. Standard jest przeznaczony do urządzeń typu odtwarzacze DVD, Blu-ray, telewizory LCD i plazmowe, konsole do gier. W przypadku sprzętu komputerowego HDMI coraz częściej zastępuje cyfrowe złącze DVI (rysunek 2.73). Standard umożliwia zastosowanie 15- metrowego okablowania. W przypadku większych odległości zalecane jest stosowanie urządzeń wzmacniających. Display Port DP). Najnowszy standard przesyłania obrazu J dźwięku cyfrowego z wykorzystaniem jednego kabla (rysunek 2.74). DP nie jest kompatybilny sygnałowo z innymi standardami cyfrowymi, np. DVI i HDMI. Okablowanie umożliwia przesył obrazu wideo do czterech kanałów oraz sygnału audio do ośmiu kanałów i może mieć długość do 15 m. W odróżnieniu od HDMI standard DP może być stosowany bez licencji, dzięki czemu producenci mogą tworzyć tańsze urządzenia lub czerpać większe zyski.

Najnowsza wersja umożliwia m.in.: -obsługę czterech monitorów w rozdzielczości 1920x1600 pikseli, -obsługę dwóch monitorów w rozdzielczości 2560x1600 pikseli, -obsługę jednego monitora w rozdzielczości 3840x2160 pikseli, -obsługę sygnału 3D dla maksymalnie dwóch odbiorników w rozdzielczości 1920x1080 pikseli, -przesył dźwięku ośmiokanałowego 7.1, - Transfer na poziomie USB 2,0 dzięki dodatkowemu kanałowi - Obsługę sieci Ethernet, - Możliwość zastosowania złącza Mini DP Sygnał przesyłany za pomocą DP, HDMI, DVI może być chroniony technologią DRM - cyfrowe zarządzanie prawami uniemożliwiającą kopiowanie sygnału ze złącza.