顯卡的硬件知識(shí)

初識(shí)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)——顯卡的硬件知識(shí)主講：劉亞琦《辦公自動(dòng)化》PC機(jī)或者計(jì)算機(jī)的顯示系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分——顯卡和顯示器。CPU處理計(jì)算機(jī)內(nèi)部所有的數(shù)據(jù)后最終都要通過這兩個(gè)設(shè)備由顯示系統(tǒng)輸出才能呈現(xiàn)在使用著眼前，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。顯示系統(tǒng)在需要多點(diǎn)或大面積輸出的特殊的場合還包括投影機(jī)、分屏器、電視墻等，在移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備中顯示系統(tǒng)比較強(qiáng)調(diào)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(chǔ)的原理和結(jié)構(gòu)。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(jì)算機(jī)中進(jìn)行圖像渲染與視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的設(shè)備。對于喜歡玩游戲和從事專業(yè)圖形設(shè)計(jì)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(dú)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(dú)立顯卡實(shí)現(xiàn)普通的顯示功能，滿足一般的家庭娛樂和商業(yè)應(yīng)用，節(jié)省用戶購買顯卡的開支。獨(dú)立顯卡是指成獨(dú)立的板卡存在，是將顯示芯片與顯存單獨(dú)的做在一個(gè)PCB板上，需要插在主板的相應(yīng)接口上的顯卡。獨(dú)立顯卡具備單獨(dú)的顯存，不占用系統(tǒng)內(nèi)存，而且技術(shù)上領(lǐng)先于集成顯卡，能夠提供更好的顯示效果和運(yùn)行性能。獨(dú)立顯卡顯卡作為電腦主機(jī)里的一個(gè)重要組成部分，對于喜歡玩游戲和從事專業(yè)圖形設(shè)計(jì)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(lǐng)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(yīng)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(lán)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(jié)構(gòu)圖5-2顯卡結(jié)構(gòu)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(shí)首先提出的概念。GPU使顯卡減少了對CPU的依賴，并進(jìn)行部分原本CPU的工作，尤其是在3D圖形處理時(shí)。GPU所采用的核心技術(shù)有硬件T&L(幾何轉(zhuǎn)換和光照處理)、立方環(huán)境材質(zhì)貼圖和頂點(diǎn)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(shù)可以說是GPU的標(biāo)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?，F(xiàn)在，90%以上的新型臺(tái)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(shè)備在性能上往往低于那些獨(dú)立顯卡。當(dāng)前GPU已經(jīng)不再局限于3D圖形處理了，GPU通用計(jì)算技術(shù)發(fā)展已經(jīng)被用于專門的計(jì)算工作中，在浮點(diǎn)運(yùn)算、并行計(jì)算等部分計(jì)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(jī)等設(shè)備往往配備個(gè)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(yīng)用程序編程接口。通用計(jì)算方面的標(biāo)準(zhǔn)目前有OPENCL、CUDA、ATISTREAM。其中，OpenCL(全稱OpenComputingLanguage，開放運(yùn)算語言)是第一個(gè)面向異構(gòu)系統(tǒng)通用目的并行編程的開放式、免費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，也是一個(gè)統(tǒng)一的編程環(huán)境，便于軟件開發(fā)人員為高性能計(jì)算服務(wù)器、桌面計(jì)算系統(tǒng)、手持設(shè)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(gòu)以及數(shù)字信號(hào)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(lǐng)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(nèi)存）顯存也被叫做顯示內(nèi)存、幀緩存，它是用來存儲(chǔ)顯示芯片處理過或者即將讀取的渲染數(shù)據(jù)。如同計(jì)算機(jī)的內(nèi)存一樣，顯存是用來存儲(chǔ)圖形數(shù)據(jù)的硬件。在顯示器上顯示出的畫面是由一個(gè)個(gè)的像素點(diǎn)構(gòu)成的，而每個(gè)像素點(diǎn)都以4至64位的數(shù)據(jù)來控制它的亮度和色彩，這些點(diǎn)構(gòu)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?cái)?shù)據(jù)必須通過顯存來保存，達(dá)到緩沖效果，再交由顯示芯片和CPU調(diào)配，最后把運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為圖形輸出到顯示器上。當(dāng)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(guān)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(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)算、海量三維函數(shù)運(yùn)算等高級(jí)畫面效果后，計(jì)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(shí)，顯存容量成為最大分辨率的一個(gè)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(jí)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(dú)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?nèi)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(yīng)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(jìn)入PCI-E接口時(shí)代。PCI總線工作在33MHz頻率之下，傳輸帶寬達(dá)到133MB/s(33MHz*32bit/s)，基本上滿足了當(dāng)時(shí)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(gè)視頻接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是為了解決PCI總線的低帶寬而開發(fā)的接口技術(shù)。它通過將圖形卡與系統(tǒng)主內(nèi)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(nèi)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(gè)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(shí)際帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qū)動(dòng)程序之間的控制程序，另外還存有顯示卡的型號(hào)、規(guī)格、生產(chǎn)廠家及出廠時(shí)間等信息。打開計(jì)算機(jī)時(shí)，通過顯示BIOS內(nèi)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(jìn)行改寫或升級(jí)。5.RAMDAC數(shù)模轉(zhuǎn)換單元RAMDAC(RandomAccessMemoryDigital-to-AnalogConverter隨機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換記憶體)。其作用是把數(shù)字圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)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(hào)。由于RAMDAC是一塊單項(xiàng)不可逆電路，故經(jīng)過RAMDAC處理過后的模擬信號(hào)不可能再被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。計(jì)算機(jī)中處理數(shù)據(jù)都是將所有的事物變化成0和1兩個(gè)數(shù)，然后不斷的進(jìn)行累加而計(jì)算出來的，圖形加速卡也是靠這些0和1對每一個(gè)象素進(jìn)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?yàn)槿藗兯褂玫娘@示器可全部都是以模擬方式工作的，所以這就需要D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diǎn)，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(shí)顯卡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)將由專業(yè)的芯片或是GPU內(nèi)部的TMDS電路來實(shí)現(xiàn)，對于RAMDAC轉(zhuǎn)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(shí)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(zhuǎn)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(jī)構(gòu)包括GPU的風(fēng)扇、散熱片。中高端的顯卡的散熱機(jī)構(gòu)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(hào)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(gè)，傳輸模擬信號(hào)。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(nèi)以數(shù)字格式存儲(chǔ)的圖像（幀）信號(hào)在RAMDAC里經(jīng)過模擬調(diào)制成模擬高頻信號(hào)，然后再輸出到顯示設(shè)備成像。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已對于現(xiàn)今的個(gè)人電腦市場已經(jīng)十分過時(shí)。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同支持的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，個(gè)人電腦在加載自己的獨(dú)特驅(qū)動(dòng)程序之前，都必須支持VGA的標(biāo)準(zhǔn)。例如，微軟Windows系列產(chǎn)品的開機(jī)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(hào)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(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過數(shù)字化的傳送來強(qiáng)化個(gè)人電腦顯示屏的畫面品質(zhì)。目前廣泛應(yīng)用于LCD、數(shù)字投影機(jī)等顯示設(shè)備上。此標(biāo)準(zhǔn)由顯示業(yè)界數(shù)家領(lǐng)導(dǎo)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(shè)備。本規(guī)格部分兼容于HDMI標(biāo)準(zhǔn)。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(hào)接口，DVI-I有數(shù)字和模擬接口，目前應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)在數(shù)字多媒體整個(gè)行業(yè)發(fā)展中逐漸顯示出不足，包括如下幾個(gè)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(quán)保護(hù)缺乏支持。*DVI接口只支持8bit的RGB信號(hào)傳輸，不能讓廣色域的顯示終端發(fā)揮最佳性能。*DVI接口預(yù)留了不少引腳以支持模擬設(shè)備，造成接口體積較大，效率很低。*DVI接口只能傳輸圖像信號(hào)，對于數(shù)字音頻信號(hào)的支持完全沒有考慮。接替DVI的下一代接口標(biāo)準(zhǔn)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(hào)及視頻信號(hào)。HDMI可用于機(jī)頂盒、DVD播放機(jī)、個(gè)人電腦、電視游樂器、綜合擴(kuò)大機(jī)、數(shù)字音響與電視機(jī)。HDMI可以同時(shí)傳送音頻和影音信號(hào)，由于音頻和視頻信號(hào)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(hào)傳送前進(jìn)行數(shù)/?；蛘吣?數(shù)轉(zhuǎn)換。HDMI可搭配寬帶數(shù)字內(nèi)容保護(hù)（HDCP），以防止具有著作權(quán)的影音內(nèi)容遭到未經(jīng)授權(quán)的復(fù)制。HDMI所具備的額外空間可應(yīng)用在日后升級(jí)的音視頻格式中。而因?yàn)橐粋€(gè)1080p的視頻和一個(gè)8聲道的音頻信號(hào)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(gè)步驟，最后才會(huì)到達(dá)顯示屏：1、從總線