顯卡的硬件知識

初識計算機硬件系統(tǒng)——顯卡的硬件知識主講：劉亞琦《辦公自動化》PC機或者計算機的顯示系統(tǒng)主要包括兩個部分——顯卡和顯示器。CPU處理計算機內部所有的數(shù)據(jù)后最終都要通過這兩個設備由顯示系統(tǒng)輸出才能呈現(xiàn)在使用著眼前，實現(xiàn)人機對話。顯示系統(tǒng)在需要多點或大面積輸出的特殊的場合還包括投影機、分屏器、電視墻等，在移動互聯(lián)設備中顯示系統(tǒng)比較強調顯示屏的性能。但顯卡和顯示器仍然包含著顯示系統(tǒng)最基礎的原理和結構。圖5-1顯卡與顯示器的連接5.1顯卡顯卡又叫做顯示卡、繪圖卡、圖形卡或者適配器，是計算機中進行圖像渲染與視頻數(shù)字轉換為模擬信號的設備。對于喜歡玩游戲和從事專業(yè)圖形設計的人來說顯卡非常重要。1.按是否與主板集成，可分為集成顯卡與獨立顯卡。集成顯卡是在主板上集成了顯示芯片GPU，使用這種芯片組的主板就可以不需要獨立顯卡實現(xiàn)普通的顯示功能，滿足一般的家庭娛樂和商業(yè)應用，節(jié)省用戶購買顯卡的開支。獨立顯卡是指成獨立的板卡存在，是將顯示芯片與顯存單獨的做在一個PCB板上，需要插在主板的相應接口上的顯卡。獨立顯卡具備單獨的顯存，不占用系統(tǒng)內存，而且技術上領先于集成顯卡，能夠提供更好的顯示效果和運行性能。獨立顯卡顯卡作為電腦主機里的一個重要組成部分，對于喜歡玩游戲和從事專業(yè)圖形設計的人來說顯得非常重要。2.按照顯示芯片的廠家分類，可將顯卡分為A卡和N卡。目前民用顯示芯片有兩大領軍制造商——ATI（已被AMD收購）和nVIDIA。采用這兩家的顯示芯片生產(chǎn)出的顯卡就被相應的稱為A卡和N卡。但是生產(chǎn)顯卡的廠家卻有很多，如七彩虹、藍寶石、技嘉、華碩、影馳等等。

5.1.1顯卡的分類5.1.2顯卡的結構圖5-2顯卡結構圖

1.GPU（類似于主板的CPU）全稱是GraphicProcessingUnit，中文翻譯為"圖形處理器"。NVIDIA公司在發(fā)布GeForce256圖形處理芯片時首先提出的概念。GPU使顯卡減少了對CPU的依賴，并進行部分原本CPU的工作，尤其是在3D圖形處理時。GPU所采用的核心技術有硬件T&L(幾何轉換和光照處理)、立方環(huán)境材質貼圖和頂點混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，而硬件T&L技術可以說是GPU的標志。GPU的生產(chǎn)主要由nVidia與ATI兩家廠商生產(chǎn)。圖形處理器可以集成在顯卡上，或者直接集成到主板和CPU中。現(xiàn)在，90%以上的新型臺式電腦和筆記本型電腦擁有集成圖形處理器，AMD推出了帶有顯示核心的CPU——APU，Intel則在i系列CPU中集成了顯示核心。但是這些集成顯示設備在性能上往往低于那些獨立顯卡。當前GPU已經(jīng)不再局限于3D圖形處理了，GPU通用計算技術發(fā)展已經(jīng)被用于專門的計算工作中，在浮點運算、并行計算等部分計算方面，GPU可以提供數(shù)十倍乃至于上百倍于CPU的性能。密碼破譯機等設備往往配備個顯示核心。GPU也有類似于CPU指令集的編程語言和程序，叫做叫做應用程序編程接口。通用計算方面的標準目前有OPENCL、CUDA、ATISTREAM。其中，OpenCL(全稱OpenComputingLanguage，開放運算語言)是第一個面向異構系統(tǒng)通用目的并行編程的開放式、免費標準，也是一個統(tǒng)一的編程環(huán)境，便于軟件開發(fā)人員為高性能計算服務器、桌面計算系統(tǒng)、手持設備編寫高效輕便的代碼，而且廣泛適用于多核心處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、Cell類型架構以及數(shù)字信號處理器(DSP)等其他并行處理器，在游戲、娛樂、科研、醫(yī)療等各種領域都有廣闊的發(fā)展前景，AMD-ATI、NVIDIA現(xiàn)在的產(chǎn)品都支持OPENCL。2.顯存（類似于主板的內存）顯存也被叫做顯示內存、幀緩存，它是用來存儲顯示芯片處理過或者即將讀取的渲染數(shù)據(jù)。如同計算機的內存一樣，顯存是用來存儲圖形數(shù)據(jù)的硬件。在顯示器上顯示出的畫面是由一個個的像素點構成的，而每個像素點都以4至64位的數(shù)據(jù)來控制它的亮度和色彩，這些點構成一幀的圖形畫面。為了保持畫面流暢，要輸出和要處理的多幅幀的像素數(shù)據(jù)必須通過顯存來保存，達到緩沖效果，再交由顯示芯片和CPU調配，最后把運算結果轉化為圖形輸出到顯示器上。當前的顯卡已全面采用512MB或1024MB甚至更高的GDDR5類型的顯存。顯示圖像的分辨率與顯存容量有很大關系，使用高分辨率和開啟全屏抗鋸齒、各向異性過濾、物理效果模擬、多邊形頂點數(shù)據(jù)運算、海量三維函數(shù)運算等高級畫面效果后，計算速度較慢的顯示芯片需要更多的顯存空間才能流暢顯示。早期顯卡的顯存容量只具有512KB、1MB、2MB等極小容量時，顯存容量成為最大分辨率的一個瓶頸；但目前主流顯卡已經(jīng)淘汰256MB的顯存容量，主流中低端級顯卡的顯存容量是512MB或1024MB，某些高端顯卡甚至已經(jīng)具有2GB或4GB的顯存，在這樣的情況下，顯存容量已經(jīng)不再是影響最大分辨率的因素。3.總線接口這里指的是獨立顯卡的總線接口，接口類型是指顯卡與主板連接所采用的接口種類。顯卡的接口決定著顯卡與系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髱?，也就是周期內所能傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量。不同的接口能為顯卡帶來不同的性能，而且也決定著主板是否能夠使用此顯卡。只有在主板上有相應接口的情況下，顯卡才能使用。在經(jīng)歷了PCI接口、AGP接口后，顯卡總線接口現(xiàn)已全面進入PCI-E接口時代。PCI總線工作在33MHz頻率之下，傳輸帶寬達到133MB/s(33MHz*32bit/s)，基本上滿足了當時處理器的發(fā)展需要。隨著對更高性能的要求，1993年又提出了64bit的PCI總線，后來又提出把PCI總線的頻率提升到66MHz。PCI接口的速率最高只有266MB/S，1998年之后便被AGP接口代替。AGP(AccelerateGraphicalPort，加速圖像處理端口)接口是Intel公司開發(fā)的一個視頻接口技術標準，是為了解決PCI總線的低帶寬而開發(fā)的接口技術。它通過將圖形卡與系統(tǒng)主內存連接起來，在CPU和圖形處理器之間直接開辟了更快的總線。其發(fā)展經(jīng)歷了AGP1.0(AGP1X/2X)、AGP2.0(AGP4X)、AGP3.0(AGP8X)。最新的AGP8X其理論帶寬為2.1Gbit/秒。到2009年，已經(jīng)被PCI-E接口基本取代（2006年大部分廠家已經(jīng)停止生產(chǎn)）。PCIExpress是新一代的總線接口，而采用此類接口的顯卡產(chǎn)品，已經(jīng)在2004年正式面世。PCIExpress的接口根據(jù)總線位寬不同而有所差異，包括X1、X4、X8以及X16（X2模式將用于內部接口而非插槽模式）。較短的PCIExpress卡可以插入較長的PCIExpress插槽中使用。PCIExpress接口能夠支持熱拔插，這也是個不小的飛躍。PCIExpress卡支持的三種電壓分別為+3.3V、3.3Vaux以及+12V。用于取代AGP接口的PCIExpress接口位寬為X16，將能夠提供5GB/s的帶寬，即便有編碼上的損耗但仍能夠提供約為4GB/s左右的實際帶寬，遠遠超過AGP8X的2.1GB/s的帶寬。圖5-3三種類型的顯卡總線接口4.顯卡bios（類似于主板的bios）顯卡BIOS主要用于存放顯示芯片與驅動程序之間的控制程序，另外還存有顯示卡的型號、規(guī)格、生產(chǎn)廠家及出廠時間等信息。打開計算機時，通過顯示BIOS內的一段控制程序，將這些信息反饋到屏幕上。早期顯示BIOS是固化在ROM中的，不可以修改，而現(xiàn)在的多數(shù)顯示卡則采用了大容量的EPROM，即所謂的FlashBIOS，可以通過專用的程序進行改寫或升級。5.RAMDAC數(shù)模轉換單元RAMDAC(RandomAccessMemoryDigital-to-AnalogConverter隨機數(shù)模轉換記憶體)。其作用是把數(shù)字圖像數(shù)據(jù)轉換成計算機顯示器需要的模擬數(shù)據(jù)。顯示器收到的是RAMDAC處理過后的模擬型號。由于RAMDAC是一塊單項不可逆電路，故經(jīng)過RAMDAC處理過后的模擬信號不可能再被轉換成數(shù)字信號。計算機中處理數(shù)據(jù)都是將所有的事物變化成0和1兩個數(shù)，然后不斷的進行累加而計算出來的，圖形加速卡也是靠這些0和1對每一個象素進行顏色、深度、亮度等各種處理。但是要想顯示出來就比較難了，因為人們所使用的顯示器可全部都是以模擬方式工作的，所以這就需要D/A轉換器，RAMDAC的作用正是如此，它將圖形加速芯片處理后的數(shù)據(jù)從數(shù)字方式轉換為模擬方式，這樣顯示器才可以顯示出圖像。不過如今RAMDAC早已不是顯卡中的重點，而且今后其地位也將越來越低。隨著LCD顯示器的普及，用戶渴望使用DVI數(shù)字接口，此時顯卡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號將由專業(yè)的芯片或是GPU內部的TMDS電路來實現(xiàn)，對于RAMDAC轉換速率已經(jīng)沒有要求。即便是采用D-Sub接口的LCD顯示器，由于刷新率在60Hz時就已經(jīng)能夠滿足用戶的需求，因此也并未隨著分辨率的提高而對RAMDAC轉換速率提出更高的要求。6.顯卡PCB板（類似于主板）就是顯卡的電路板，它把顯卡上的其它部件連接起來。功能類似主板。7.散熱機構包括GPU的風扇、散熱片。中高端的顯卡的散熱機構制作精良，面積幾乎占據(jù)了顯卡的大部分或者全部。8.輸出接口顯卡提供的輸出接口常見的主要有VGA（VideoGraphicsArray）、DVI、HDMI、DP四種，如下圖所示。除了這四種之外還有S-Video口等。圖5-4常見顯卡視頻信號輸出接口（1）VGA接口視頻圖形陣列（英語：VideoGraphicsArray，簡稱VGA）也叫D-Sub接口，是15針的梯形插頭，分成3排，每排5個，傳輸模擬信號。VGA接口采用非對稱分布的15針連接方式，其工作原理：是將顯存內以數(shù)字格式存儲的圖像（幀）信號在RAMDAC里經(jīng)過模擬調制成模擬高頻信號，然后再輸出到顯示設備成像。這個標準已對于現(xiàn)今的個人電腦市場已經(jīng)十分過時。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同支持的一個標準，個人電腦在加載自己的獨特驅動程序之前，都必須支持VGA的標準。例如，微軟Windows系列產(chǎn)品的開機畫面仍然使用VGA顯示模式，這也說明其分辨率和載色數(shù)的不足。圖5-5是VGA接口和其信號線：圖5-5VGA數(shù)據(jù)線和顯卡上的VGA接口（2）DVI接口DVI的英文全名為DigitalVisualInterface，中文稱為“數(shù)字視頻接口”。是一種視頻接口標準，設計的目標是通過數(shù)字化的傳送來強化個人電腦顯示屏的畫面品質。目前廣泛應用于LCD、數(shù)字投影機等顯示設備上。此標準由顯示業(yè)界數(shù)家領導廠商所組成的論壇：“數(shù)字顯示工作小組”（DigitalDisplayWorkingGroup，DDWG）制訂。DVI接口可以傳送未壓縮的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)到顯示設備。本規(guī)格部分兼容于HDMI標準。DVI又分為DVI-A、DVI-D和DVI-I三種不同的接口形式。DVI-D只有數(shù)字接口，DVI-A為模擬信號接口，DVI-I有數(shù)字和模擬接口，目前應用主要以DVI-D為主。三種接口的針數(shù)是不同的。圖5-6DVI-D24+1針（3）HDMI接口DVI標準在數(shù)字多媒體整個行業(yè)發(fā)展中逐漸顯示出不足，包括如下幾個方面：DVI接口考慮的對象是PC，對于平板電視的兼容能力一般。*DVI接口對影像版權保護缺乏支持。*DVI接口只支持8bit的RGB信號傳輸，不能讓廣色域的顯示終端發(fā)揮最佳性能。*DVI接口預留了不少引腳以支持模擬設備，造成接口體積較大，效率很低。*DVI接口只能傳輸圖像信號，對于數(shù)字音頻信號的支持完全沒有考慮。接替DVI的下一代接口標準就是“高清晰度多媒體接口（英語：HighDefinitionMultimediaInterface，簡稱HDMI）”，這一種全數(shù)字化圖像和聲音傳送接口，可以傳送無壓縮的音頻信號及視頻信號。HDMI可用于機頂盒、DVD播放機、個人電腦、電視游樂器、綜合擴大機、數(shù)字音響與電視機。HDMI可以同時傳送音頻和影音信號，由于音頻和視頻信號采用同一條電纜，大大簡化了系統(tǒng)的安裝。該接口最高數(shù)據(jù)傳輸速度為625MB/s，同DVI-D一樣無需在信號傳送前進行數(shù)/?；蛘吣?數(shù)轉換。HDMI可搭配寬帶數(shù)字內容保護（HDCP），以防止具有著作權的影音內容遭到未經(jīng)授權的復制。HDMI所具備的額外空間可應用在日后升級的音視頻格式中。而因為一個1080p的視頻和一個8聲道的音頻信號需求少于500MB/s，因此HDMI還有很大余量。5.1.3顯卡的工作原理數(shù)據(jù)(data)一旦離開CPU，必須通過4個步驟，最后才會到達顯示屏：1、從總線