4.4. Видеопроцессоры
В графическом режиме имеется возможность индивидуального управления свечением каждой точки экрана монитора независимо от состояния остальных. Этот режим обозначают как APA (All Points Addressable - все точки адресуемы). В графическом режиме каждой точке экрана пикселу соответствует ячейка специальной памяти, которая сканируется схемами адаптера синхронно с движением луча монитора. Эта постоянно циклически сканируемая (с кадровой частотой) память называется видеопамятью (рисунок 4.1) (Video Memory), или VRAM (Video RAM). Последнее сокращение можно спутать с названием специализированных микросхем динамической памяти, оптимизированной именно под данное применение.
Рис. 4.1. Видеокарта.
Любая видеокарта включает в себя следующие обязательные компоненты:
- видеопроцессор (графический процессор);
- микросхема BIOS;
- видеопамять;
- цифро-аналоговый преобразователь (RAMDAC);
- контроллер интерфейса.
Раньше у персональных компьютеров видеокарты выполняли функцию кадрового буфера. Изображение формировалось центральным процессором компьютера и программным обеспечением, а карта отвечала лишь за хранение (в буфере памяти) и вывод с определённой частотой отдельных кадров на монитор.
Центральный процессор, то есть процессор общего назначения, не в состоянии эффективно решать специфические задачи формирования трёхмерного изображения, и для этих целей требуется специализированный графический процессор (GPU), который бы занимался исключительно расчётом трёхмерного изображения.
Итак, видеопроцессор - это процессор, специализирующийся на расчёте трёхмерного пространства.
Собственно, современные графические процессоры по сложности не уступают центральным процессорам (процессорам общего назначения), и разница заключается лишь в их «специализации», благодаря чему они могут более эффективно справляться с задачей формирования изображения, выводимого на экран монитора.
Как и центральные процессоры, графические процессоры характеризуются такими параметрами, как микроархитектура, тактовая частота работы графического ядра и технологический процесс производства. Графические процессоры обладают и специфическими характеристиками.
Одна из важнейших характеристик видеопроцессора - это число пиксельных конвейеров (Pixel Pipelines), которое определяет количество обрабатываемых пикселей за один такт. К примеру, количество пиксельных конвейеров может составлять 12 или даже 16.
Для построения трёхмерного изображения необходимо выполнить целый ряд операций:
- принять решение, какие объекты вообще должны присутствовать в сцене (видимые и невидимые объекты);
- определить местоположение вершины, которое задают каждый из этих объектов;
- построить по этим вершинам грани;
- заполнить получившиеся полигоны текстурами в соответствии с освещением, степенью детализации и с учётом перспективных искажений.
Чем тщательнее делаются все эти расчёты, тем реалистичнее получится трёхмерное изображение. Повысить производительность этих рутинных операций можно, развив их по стадиям и распараллелив. Именно эти функции и решают пиксельные конвейеры. На каждой стадии каждый пиксельный конвейер занимается тем, что просчитывает очередной пиксель конечного изображения с учётом многих факторов, включая освещение сцены. А для ускорения процесса расчета используют сразу несколько конвейеров.
Количество конвейеров позволяет определить пиковую скорость заполнения видеокарты, которая рассчитывается, как произведение частоты ядра на количество конвейеров. Если, к примеру, частота ядра составляет 400 МГц, а количество пиксельных конвейеров 12, то скорость заполнения будет равной 4,8 Г пикселей/с.
Помимо пиксельных конвейеров различают также количество текстурных блоков в каждом конвейере. Количество текстурных блоков определяет количество накладываемых текстур за один проход. К примеру, два текстурных блока могут накладывать и от двух до четырех текстур за проход. Количество текстурных блоков позволяет определить скорость заполнения в мегатекселях (пикселях текстур).
Также в графических процессорах присутствуют вершинные конвейеры (Vertex Pipelines), которые отвечают за расчёт геометрии трёхмерного изображения.
Для того чтобы лучше представить себе структуру современного графического процессора, рассмотрим более детально процесс конвейерного расчёта трёхмерного изображения.
На первом этапе данные о вершинах поступают в вершинные конвейеры, которые занимаются расчётом геометрии сцены. Здесь начинает свою работу так называемый блок T&L (Transform & Lighting), который отвечает за некоторые аспекты работы с геометрией, за освещение и работает в паре с конвейерами. Блок T&L имеет две определяющие характеристики: максимальное количество источников света и количество обрабатываемых полигонов.
Обработка данных в вершинном конвейере происходит под управлением специализированной программы, называемой вершинным шейдером (Vertex Shader).
На следующем этапе формирования изображения задействуется Z-буфер для отсечения невидимых полигонов и граней каркасной модели трёхмерного объекта. Далее происходит текстурирование объектов с фильтрацией самих текстур, для чего задействуются пиксельные конвейеры, работающие под управлением специализированной программы, называемой пиксельным шейдером (Pixel Shader).
Необходимо вспомнить о таких программных интерфейсах (Application Programming Interface, API), как OpenGL и Direct3D. В этих программных интерфейсах описаны стандарты для работы с трёхмерными изображениями. Приложение вызывает определённую стандартную функцию OpenGL или Direct3D, а шейдеры эту функцию выполняют.
Вершинные и пиксельные шейдеры имеет свою версию. На сегодняшний день последней является версия 3.0. И для того чтобы реализовать все возможности программ по обработке пикселей и вершин, необходимо, чтобы данную версию шейдера поддерживала и видеокарта, и само приложение.
На последнем этапе конвейерной обработки данные передаются в буфер кадров.
Рассмотренный нами алгоритм формирования изображения является весьма упрощенным. В реальных графических процессорах все обстоит несколько сложнее. К примеру, для повышения качества изображения используется технология сглаживания, фильтрации текстур и т. д.
Видеопамять
Для видеопроцессора требуется видеопамять, которая играет роль кадрового буфера, в который центральный процессор направляет видеоданные, а затем графический процессор считывает оттуда полученную информацию. Кроме того, в видеопамяти располагается Z-буфер, а также хранятся текстуры. Естественно, для обеспечения эффективной передачи данных важна пропускная способность видеопамяти.
Видеопамять графической карты характеризуется теми же параметрами, что и оперативная память ПК.
Наиболее важными характеристиками видеопамяти являются:
- пропускная способность шины памяти, по которой данные из видеопамяти передаются к графическому процессору;
- латентность видеопамяти.
Пропускная способность шины памяти определяется разрядностью шины памяти и её эффективной тактовой частотой. К примеру, разрядность шины памяти может составлять 256, 128 или 64 бита, а эффективная тактовая частота может достигать 1 ГГц.
Ширина шины памяти определяет количество бит, передаваемых между GPU и памятью за один такт. Собственно, пропускную способность шины памяти можно найти, если перемножить ширину шины на тактовую частоту. К примеру, если ширина шины составляет 128 бит (16 байт), а тактовая частота памяти 250 МГц, пропускная способность шины составляет 4 Гбайт/с.
Латентность видеопамяти, то есть время выборки данных из памяти, определяется используемыми чипами памяти. Латентность современных микросхем видеопамяти составляет порядка 2 нс и менее.
Кроме технических характеристик используемой видеопамяти, не менее важен и её объём. При недостаточном объёме видеопамяти видеопроцессор фактически будет простаивать, пока нужные данные подгружаются из оперативной памяти компьютера. Минимальный объём видеопамяти современных видеокарт составляет 256 Мбайт, а максимальный - 1064 Мбайт.
После обработки графическим процессором и формирования им изображения данные передаются в цифро-аналоговый преобразователь RAMDAC, который непосредственно отвечает за преобразование цифрового сигнала в аналоговый.
Дело в том, что все мониторы способны понимать сигнал именно в аналоговом, а не цифровом виде. Правда, большинство современных ЖК-мониторов, для которых цифровой сигнал является естественным, имеет цифровой видеовход DVI и способны работать именно с цифровым сигналом. Однако для совместимости со всеми типами мониторов видеокарты наделяются аналоговым выходом (нередко в паре с цифровым).
Главные характеристики RAMDAC - это тактовая частота и разрядность. Многие современные видеокарты поддерживают одновременную работу с двумя мониторами, поэтому в такие карты устанавливаются по два RAMDAC и, соответственно, по два разъёма для подключения монитора.
Логически видеопамять может быть организована по-разному, в зависимости от количества бит на пиксель, но в любом случае имеет место отображение матрицы пикселей экрана на биты видеопамяти Bit Mapping. Растровый формат хранения изображений, при котором биты так или иначе отображают пиксели, называется битовой картой (Bit-Map).
С точки зрения плотности хранения графической информации этот формат не самый эффективный, но в видеопамяти растрового дисплея из-за напряженности со временем при регенерации изображения иной формат неприемлем. Объём видеопамяти (в битах), требуемый для хранения образа экрана, определяется как произведение количества пикселей в строке на количество строк и на количество бит на пиксель. Так для режима 800 x 600 x 256 цветов требуется 480000 бит или около 469 Кб, а для режима 1024 x 768 True Color - 2.25 Мб. Если физический объём видеопамяти превышает необходимый для отображения матрицы всего экрана, видеопамять можно разбить на страницы области видеопамяти, в которых умещаются образы целого экрана.
Формирование битовой карты изображения в видеопамяти графического адаптера производится под управлением программы, исполняемой центральным процессором. Сама по себе задача формирования процессору вполне по силам, но при её решении требуется пересылка большого объёма информации в видеопамять, а для многих построений ещё и чтение видеопамяти со стороны процессора.
Видеопамять большую часть времени занята выдачей информации схемам регенерации изображения в довольно напряжённом темпе. От этого процесса она свободна только во время обратного хода луча по строке и кадру, но это меньшая часть времени. Если обращение к активной странице видеопамяти со стороны процессора происходит во время прямого хода, и быстродействия схем адаптера недостаточно для того, чтобы это обращение вписалось между соседними выборками процесса регенерации, на экране появится штрих от несчитанной информации пикселей.
Улучшение работы видеопамяти происходит по нескольким направлениям.
Во-первых, повышают быстродействие видеопамяти. Во-вторых, расширяют разрядность шин графического адаптера, причем как внутренней (шины видеопамяти), так и интерфейсной, и применяют высокопроизводительные шины (PCI, AGP и PCI-E). Расширение разрядности позволяет за один цикл обращения передать большее количество бит данных и повысить производительность.
В-третьих, повышают скорость видеопостроений применением кэширования видеопамяти. В этом случае при записи в область видеопамяти данные будут записаны как в видеопамять, так и в ОЗУ (или даже в кэш), а при считывании из этой области обращение будет только к быстродействующему ОЗУ.
В-четвёртых, можно принципиально сократить объём информации, передаваемой графическому адаптеру, но для этого графический адаптер должен быть наделен «интеллектом». В современных компьютерах используются все эти решения.
Под интеллектом графического адаптера подразумевается наличие на его плате собственного процессора, способного формировать растровое изображение в видеопамяти (bit-map) по командам, полученным от центрального процессора. Команды ориентируются на наиболее часто используемые методы описания изображений, которые строятся из отдельных графических элементов более высокого уровня, чем пиксели.
Ускорение построений в интеллектуальном адаптере обеспечивается несколькими факторами.
Во-первых, это сокращение объёма передачи по магистрали.
Во-вторых, во время работы процессора адаптера центральный процессор свободен, что ускоряет работу программ даже в однозадачном режиме.
В-третьих, процессор адаптера, в отличие от процессора с самой сложной в мире системой команд представителя семейства x86, ориентирован на выполнение меньшего количества инструкций, а потому способен выполнять их гораздо быстрее центрального.
В-четвёртых, скорость обмена данных внутри адаптера может повышаться за счёт лучшего согласования обращений к видеопамяти для операций построения с процессом регенерации изображения, а также за счёт расширения разрядности внутренней шины данных адаптера. В современных графических адаптерах широко применяется видеопамять DDR2 и DDR3, а разрядность внутренней шины 256 бит (при 32-битной внешней шины) считается нормой.
На производительность графической подсистемы влияют несколько факторов:
- скорость центрального процессора (CPU);
- скорость интерфейсной шины (PCI или AGP);
- скорость видеопамяти;
- скорость графического контроллера.
Графический контроллер производит обработку графических функций, требующих интенсивных вычислений, в результате разгружается центральный процессор системы. Отсюда следует, что графический контроллер должен оперировать своей собственной, можно даже сказать частной, местной памятью. Тип памяти, в которой хранятся графические данные, называется буфер кадра (frame buffer). В системах, ориентированных на обработку 3D-приложений, требуется еще и наличие специальной памяти, называемой z-буфер (z-buffer), в котором хранится информация о глубине изображаемой сцены. Также, в некоторых системах может иметься собственная память текстур (texture memory), т.е. память для хранения элементов, из которых формируются поверхности объекта. Наличие текстурных карт ключевым образом влияет на реалистичность изображения трёхмерных сцен.
Контроллер интерфейса
Контроллер интерфейса отвечает за сопряжение видеокарты с материнской платой компьютера. До недавнего времени в качестве интерфейса видеокарт использовался специализированный интерфейс AGP (Accelerated Graphic Port).
К примеру, видеокарты подключались по интерфейсу AGP 4X с пропускной способностью 1,06 Гбайт/с или по интерфейсу AGP 8X с пропускной способностью 2,1 Гбайт/с.
Однако постепенно на смену интерфейсу AGP приходит перспективный интерфейс PCI Express. Для подключения графических карт используется версия PCI Express xl6. Теоретическая пропускная способность такой шины составляет до 4000 Мбайт/с в обоих направлениях. Новая шина с большим запасом перекрывает возможности современных графических процессоров и в перспективе может послужить дополнительным стимулом к их совершенствованию. Отметим, что все новые видеокарты выпускаются именно с интерфейсом PCI Express xl6.
Если на материнской плате встроенная графика (встроенный видеопроцессор), в таком случае устанавливается разъём VGA HD D-SUB 15-pin.
Преимущество встроенной графики заключается в том, что не нужно устанавливать отдельную видеокарту. Но в большинстве случаев производительность встроенного видеопроцессора невелика, он годится в основном для работы с офисными приложениями. В качестве видеопамяти для встроенной графики обычно используется часть оперативной памяти компьютера.