34

Негосударственное образовательное учреждение высшего образования Московский технологический институт

Факультет техники и современных технологий

Кафедра Информатики и автоматизации

РЕФЕРАТ

по дисциплине ЭВМ и периферийные устройства

на тему:

«Видеокарта. Устройство, функции»

(ФИО полностью)

Москва 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

Что такое видеокарта? ….………………………………………………………...4

Для чего используется видеопамять? ……………………………………………..6

История видеокарт ………………………………………………………………… 7

IBM Monochrome Display Adapter …………………...…………………………… 8

Первый IBM PC…………………………………………………………………..… 8

Видеокарта IBM CGA……………………………………………………………… 9

Видеокарта EGA …………………………………………………………………. 10

Видеокарта IBM VGA ………………………………………………………… 12

Видеокарта S3 Virge ……………………………………………………………... 14

Видеокарта Voodoo Graphics…………………………………….……...……….. 16

Видеокарта Diamond Monster ………………………………………………..….. 16

Видеокарта Voodoo2 с первым в мире SLI……………………………….…….. 18

Видеокарта RIVA TNT от NVIDIA ………………………………...………….. 19

Видеокарта 3D Rage Pro ………………..………………………....………..……. 20

Видеокарта Voodoo 3 от 3Dfx………………………………………….………… 21

Видеокарта Matrox Millenium G40…………………………………..…..………. 22

Видеокарта Rage 128 …………………………………………………………….23

Видеокарта ATI Rage Fury MAXX ……………………………………………….24

Видеокарта Voodoo5……………………………………………………………….25

Видеокарта GeForce 256………………………………………………………… 25

Видеокарта BitBoys Axe………………………………………………………… 28

Видеокарта Glaze3D……………………………………………………………… 28

Видеокарта NVIDIA GeForce2…………………………………………………….29

Видеокарта GeForce3 с чипом NV20…………………………………………… 29

Видеокарта ATI R200……………………………………………………………...30

Шейдер……………………………………………………………………………...31

Выводы……………………………………………………………………………..33

Список использованной литературы …………………………………………….34

Что такое видеокарта?

Видеока́рта (известна также как графи́ческая пла́та, графи́ческая ка́рта, видеоада́птер, графический ада́птер) — устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера или самого адаптера, в иную форму, предназначенную для дальнейшего вывода на экран монитора. В настоящее время эта функция утратила основное значение и в первую очередь под графическим адаптером понимают устройство с графическим процессором — графический ускоритель, который и занимается формированием самого графического образа.

Видеопамять-один из компонентов компьютера, от которого требуется наибольшая производительность, это графический контроллер, являющийся сердцем всех мультимедиа систем.

Пропускная способность обычно измеряется в мегабайтах в секунду и показывает скорость, с которой происходит обмен данными между видеопамятью и графическим контроллером. На производительность графической подсистемы влияют несколько факторов: скорость центрального процессора,(CPU)скорость интерфейсной шины,(PCI или AGP)скорость видеопамяти, скорость графического контроллера

Современная видеокарта состоит из следующих частей :

Графический процессор(Graphics processing unit — графическое процессорное устройство) — занимается расчётами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики. Является основой графической платы, именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства.

Видеоконтроллер — отвечает за формирование изображения в видеопамяти, даёт команды RAMDAC на формирование сигналов развёртки для монитора и осуществляет обработку запросов центрального процессора. Кроме этого, обычно присутствуют контроллер внешней шины данных (например, PCI или AGP), контроллер внутренней шины данных и контроллер видеопамяти.

Видеопамять — выполняет роль кадрового буфера, в котором хранится изображение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора (или нескольких мониторов). В видеопамяти хранятся также промежуточные невидимые на экране элементы изображения и другие данные. Видеопамять бывает нескольких типов, различающихся по скорости доступа и рабочей частоте. Современные видеокарты комплектуются памятью типа DDR, DDR2, GDDR3, GDDR4 и GDDR5.

Цифро-аналоговый преобразователь(ЦАП, RAMDAC — Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) — служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор. Возможный диапазон цветности изображения определяется только параметрами RAMDAC. Чаще всего RAMDAC имеет четыре основных блока: три цифроаналоговых преобразователя, по одному на каждый цветовой канал (красный, зелёный, синий — RGB), и SRAM для хранения данных о гамма-коррекции

Видео-ПЗУ(Video ROM) — постоянное запоминающее устройство, в которое записаны видео-BIOS, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п. ПЗУ не используется видеоконтроллером напрямую — к нему обращается только центральный процессор. Хранящийся в ПЗУ видео-BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до загрузки основной операционной системы, а также содержит системные данные, которые могут читаться и интерпретироваться видеодрайвером в процессе работы (в зависимости от применяемого метода разделения ответственности между драйвером и BIOS). На многих современных картах устанавливаются электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEPROM, Flash ROM), допускающие перезапись видео-BIOS самим пользователем при помощи специальной программы.

Система охлаждения — предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и видеопамяти в допустимых пределах.

Правильная и полнофункциональная работа современного графического адаптера обеспечивается с помощью видеодрайвера — специального программного обеспечения, поставляемого производителем видеокарты и загружаемого в процессе запуска операционной системы. Видеодрайвер выполняет функции интерфейса между системой с запущенными в ней приложениями и видеоадаптером. Так же как и видео-BIOS, видеодрайвер организует и программно контролирует работу всех частей видеоадаптера через специальные регистры управления, доступ к которым происходит через соответствующую шину.

Ширина шины памяти, измеряется в битах — количество бит информации, передаваемой за такт. Важный параметр в производительности карты.

Объём видеопамяти, измеряется в мегабайтах — объём собственной оперативной памяти видеокарты. Больший объём далеко не всегда означает большую производительность.

Частоты ядра и памяти — измеряются в мегагерцах, чем больше, тем быстрее видеокарта будет обрабатывать информацию.

Текстурная и пиксельная скорость заполнения, измеряется в млн. пикселов в секунду, показывает количество выводимой информации в единицу времени.

выводы карты — видеоадаптеры MDA, Hercules, CGA и EGA оснащались 9-контактным разъёмом типа D-Sub. Изредка также присутствовал коаксиальный разъём Composite Video, позволяющий вывести черно-белое изображение на телевизионный приемник или монитор, оснащенный НЧ-видеовходом.

Для чего используется видеопамять?

Для чего нужны видеокарты и принципы их работы, знает множество продвинутых пользователей компьютера. Ну а историю их развития и усовершенствования от самого их появления до сегодняшнего дня мало кто знает.

Графические адаптеры, быть может, самые интересные и значимые составляющие современного ПК. Для огромного числа геймеров, видеокарты стоят на первом месте среди компонентов компьютера по значимости. Ради увеличения такого драгоценного количества кадров в игре они готовы выложить немалую сумму за лучшие видеокарты. А для разработчиков видеокарт эти денежные средства – толчок для создания более мощных и современных адаптеров. Развитие видеокарт существенно обгоняет развитие, например, процессоров. Хотя несколько десятков лет в это было трудно поверить.

Скорость, с которой информация поступает на экран, и количество информации, которое выходит из видеоадаптера и передается на экран - все зависит от трех факторов:

• разрешение вашего монитора

• количество цветов, из которых можно выбирать при создании изображения

• частота, с которой происходит обновление экрана

Разрешение определяется количеством пикселов на линии и количеством самих линий. Поэтому на дисплее с разрешением 1024х768, типичном для систем, использующих ОС Windows, изображение формируется каждый раз при обновлении экрана из 786,432 пикселов информации.

Обычно частота обновления экрана имеет значение не менее 75Hz, или циклов в секунду. Следствием мерцания экрана является зрительное напряжение и усталость глаз при длительном наблюдении за изображением. Для уменьшения усталости глаз и улучшения эргономичности изображения значение частоты обновления экрана должно быть достаточно высоким, не менее 75 Hz.

Число допускающих воспроизведение цветов, или глубина цвета - это десятичный эквивалент двоичного значения количества битов на пиксел. Так, 8 бит на пиксел эквивалентно 28 или 256 цветам, 16-битный цвет, часто называемый просто high-color, отображает более 65,000 цветов, а 24-битный цвет, также известный, как истинный или true color, может представить 16.7 миллионов цветов. 32-битный цвет с целью избежания путаницы обычно означает отображение истинного цвета с дополнительными 8 битами, которые используются для обеспечения 256 степеней прозрачности. Так, в 32-битном представлении каждый из 16.7 миллионов истинных цветов имеет дополнительные 256 степеней доступной прозрачности. Такие возможности представления цвета имеются только в системах высшего класса и графических рабочих станциях.

Ранее настольные компьютеры были оснащены в основном мониторами с диагональю экрана 14 дюймов. VGA разрешение 640х480 пикселов вполне и хорошо покрывало этот размер экрана. Как только размер среднего монитора увеличился до 15 дюймов, разрешение увеличилось до значения 800х600 пикселов. Так как компьютер все больше становится средством визуализации с постоянно улучшающейся графикой, а графический интерфейс пользователя (GUI) становится стандартом, пользователи хотят видеть больше информации на своих мониторах. Мониторы с диагональю 17 дюймов становятся стандартным оборудованием для систем на базе ОС Windows, и разрешение 1024х768 пикселов адекватно заполняет экран с таким размером. Некоторые пользователи используют разрешение 1280х1024 пикселов на 17 дюймовых мониторах.

Современной графической подсистеме для обеспечения разрешения 1024x768 требуется 1 Мегабайт памяти. Несмотря на то, что только три четверти этого объема памяти необходимо в действительности, графическая подсистема обычно хранит информацию о курсоре и ярлыках в буферной памяти дисплея (off-screen memory) для быстрого доступа. Пропускная способность памяти определяется соотношением того, как много мегабайт данных передаются в память и из нее за секунду времени. Типичное разрешение 1024х768, при 8-битной глубине представления цвета и частоте обновления экрана 75 Hz, требует пропускной способности памяти 1118 мегабайт в секунду. Добавление функций обработки 3D графики требует увеличения размера доступной памяти на борту видеоадаптера. В современных видеоакселераторах для систем на базе Windows типичен размер установленной памяти в 4 Мб. Дополнительная память сверх необходимой для создания изображения на экране используется для z-буфера и хранения текстур.

История видеокарт

Начало истории PC-совместимых персональных компьютеров положил адаптер MDA (Monochrome Display Adapter), появившийся во всем известном IBM в 1981 году и ставший родоначальником графических карт. Этот адаптер был первым неинтегрированным в материнскую плату. Он был собран на отдельной плате, и для него был создан специальной слот в универсальной шине XT-bus.

MDA - дальний предок современных видеокарт - IBM Monochrome Display Adapter

В принципе, он был видеоконтроллером, функция которого заключалась в выводе содержимого видеопамяти на монитор. Сигнал, который генерировал MDA, был цифровым, что явилось причиной отсутствия обязательного для последующих адаптеров RAMDAC. Плата MDA включала в себя не только чип видеоконтроллера, но и 4 кб видеопамяти, тактовый генератор и микросхему ПЗУ, в которой содержался шрифт.

Забавно, но адаптер MDA не работал в графическом режиме – он был  просто текстовым. Однако, многие ПК в то время работали с графикой. Почему же IBM отказалось от графики? Заключалось все в позиции IBM. То, что компьютер умел «рисовать» на мониторе, тогда считалось чем-то несерьезным, связывалось с играми. И, конечно же, компьютеру для бизнеса не нужны были эти «игрушки».

Первый IBM PC

Но, несмотря на отсутствие графики, MDA умел достаточно. Он выводил на монитор 25 строк, содержащих 80 символов каждая, и отдельный символ располагался на матрице 9*14 пикселей. Таким образом, разрешение, выдаваемое MDA, было 720*350 пикселей, что придавало тексту большую четкость, которую конкуренты не предлагали. Помимо этого, у символов было 5 атрибутов на выбор: обычный, яркий, подчеркнутый, инверсный и даже мигающий. Очевидно, что работал MDA только с черно-белыми мониторами. А также у MDA был порт для принтера, что означало, что покупатели не надо было покупать дополнительный контроллер, который стоил в то время около $100.

И все же не будь у IBM PC графики – он не был бы таким популярным. Ради «несерьезных» пользователей для IBM PC в тот же год был изготовлен еще один адаптер, который назывался CGA (Color Graphics Adapter). Он был выпущен тоже в 1981 году. Он выдавал меньшее разрешение, чем у MDA, зато у него было гораздо больше режимов. Благодаря 16 кб видеопамяти, CGA мог работать и в текстовом режиме и в режиме графики.

Видеокарта IBM CGA

CGA отображал столько же строк и символов, сколько и MDA (25 по 80 или 40 символов). Однако, у символов было 16 цветов, хоть и располагались они на матрице 8*8 пикселей.

В графическом режиме CGA выводил изображение на экран в трех вариантах: 640*200 с цветом в 1 бит (монохром); 320*200 пикселей с 2 битами (4 цвета); 160*100 пикселей уже с цветом в 4 бита (16 различных цветов). Третий вариант технически был эмуляцией графики в текстовом режиме (происходила имитация пикселей при помощи наполовину закрашенной матрицы 8*8 пикселей).

Игры того времени - Solitare

Порт, передающий видеосигнал в цифре, у CGA был девятиконтактным, также как и порт у MDA, и у него был выход для работы с цветным телевизором. CGA работал с одноцветным дисплеем для MDA. И так было до 1984 года. До появления EGA адаптера.

Игры того времени - Wilf

Развитие видеокарт пошло по принципу роста количества цветов и пикселей в разрешении. Появившийся в 1984 году Enhanced Graphics Adapter (EGA) выводил на экран 16 цветов (4 бита) при разрешении в 640*350 пикселей. Видеопамять стала сперва 64 кб, а потом доросла до 256 кб, благодаря чему EGA справлялся с несколькими страницами памяти. По этой причине процессор формировал несколько кадров изображения сразу, т.е. получилось некое ускорение графики.

EGA - 16 цветов, 640х350 точек

Улучшение графики в EGA-играх - Yorick

Улучшенная графика - Ancient Art of War

Такие графические адаптеры не имели аналогов несколько лет, что в наши дни себе трудно вообразить. Это происходило до 1987 года, когда на ПК пользователи ставили наилучший для них адаптер – EGA. Но все же, в этом году появился другой, названный VGA (Video Graphics Array).

Этот адаптер был создан для новых ПК IBM PS/2. Проектируемое семейство должно было не использовать открытую архитектуру, и, к сожалению, оно было совершенно не успешным на рынке. Хотя и многие идеи этого семейства были приняты пользователями. Например, MCGA (Multi-Color Graphics Array), графический адаптер, который подключался к PS/2 компьютерам через системную плату, был изменен на плату для шины ISA. Это и есть VGA.

Разрешение у VGA было 640*480 пикселей и 16 цветами, либо 320*240 с 8-битным цветом (256 цветов). До фотореализма далековато, но все же шаг сделан. VGA получил новый интерфейс – 15-контактный D-Sub, который стал стандартом и сохранился даже до наших дней в некоторых ПК. Одной из особенностей была совместимость с приложениями для EGA, CGA и MDA, благодаря чему они работали на VGA.

Благодаря присутствию на борту адаптера 256 кб видеопамяти, VGA хранил по нескольку кадров, да еще и со шрифтом. Говорят, что когда использовался весь объем памяти, на экран можно было вывести кадр с разрешением 800*600 пикселей! Хотя это не подтверждено.

IBM VGA с новым интерфейсом

Слегка производительней

Как и в случае с предыдущими адаптерами для PS/2 IBM выпустила 2 адаптера: MCGA (VGA), который был строенным, а также продаваемый в качестве апгрейда 8514/А. Последний выводил изображение с разрешением 1024*768 точек и имел 8 бит цвета. К тому же создатели этого адаптера дополнили его еще некоторыми возможностями по ускорению графики, благодаря чему он выполнял часть функций по подготовке кадра.

8514/A рисовал линии, выполнял заливку части кадра, а также накладывал битовую маску и все это в своей видеопамяти. Это было существенным плюсом для приложений инженерной графике, ну а особенно это было заметно при создании диаграмм. Конечно же, нужна была помощь и от программ, которую они скоро и оказали.

Нельзя не отметить, что тогда графические станции профессионалов имели дополнительные сопроцессоры для графики, которые размещались на отдельных платах. Такие сопроцессоры были очень дорогостоящими и имели множество возможностей. Несмотря на ограниченную функциональность, 8514/A был намного дешевле, а это очень важный фактор для сферы ПК.

Игра Манджонг на 8514/A

Наступил 1990 год и появился XGA (Extended Graphics Array). Он сменил 8514/А и имел больше возможностей. Единственным изменением стал режим с разрешением 800*600 точек и 16 битами цвета (65 536 цветов, High Color). XGA положил начало доминированию различных адаптеров SuperVGA, а объемы видеопамяти и величина разрешения увеличивались год от года. Результатом этого стало то, что удивить качеством картинки покупателя становилось все сложнее. Соответственно, чтобы продавать новые дорогостоящие адаптеры, нужно было внедрять в них новые функции.

Старт 3d

Компанией-первооткрывателем 3D для компьютеров стала S3. Ее видеокарта S3 Virge поддерживала 4 Мб памяти VRAM или DRAM и стала наследником успеха Trio 64V+. Ядро и память обладали совсем смехотворной для наших дней частотой 80 МГц.

У этого адаптера появилась функция ускорения трехмерной графики. Благодаря этому создатели игр смогли пользоваться динамическим освещением и билинейной фильтрацией текстур, хоть и прибавку в скорости игр Virge не давала.

S3 Virge во всей красе

Компания быстро осознала, что ей, как первооткрывателю 3D, стоит внедрить свои платы в потребительский рынок. S3 стала заключать контракты с разработчиками Tomb Raider, Descent II, Mechwarrior 2, которые получили стандарт S3D. В S3 поняли, что необходимо распространять свой стандарт, получая тем самым, большее предпочтение покупателей, нежели другие производители. К функциям Virge можно, конечно, отнести поддержку OpenGL, однако производительность в использовании их была очень плохой. В функциях была заявлена даже поддержка Direct3D, несмотря на то, что почти все игры были для MS-DOS, и игры с Direct3D не были еще даже в планах.

Господство S3 на рынке видеоадаптеров длилось до 1996 года, когда появился ускоритель Voodoo Graphics от компании 3Dfx. И, несмотря на последующие обновления и улучшения, Virge так и остался всего лишь недорогой 2D-картой.

Сама 3Dfx появилась от понимания того, что для ПК необходима производительность в 3D, которая была хорошей в приставках того времени. Это поняли представители Silicon Graphics Гарри Таролли, Скотт Сеттерс и Росс Смит. Они и основали компанию.

Взяв кредиты, специалисты начали работу. Первые деньги и шаги в индустрии 3Dfx сделала на выпуске графических чипов для приставок того времени. А через год компания выпустила Voodoo Graphics. Новый адаптер был представлен на выставке Computex и вызвал огромный восторг. Такого плавного и красивого рендеринга 3D никто и не представлял. Качество графики было гораздо выше, нежели у Nintendo 64 и Playstation, которые только готовились выйти в свет. У Voodoo Graphics была заявлена поддержка и DirectX и OpenGL, хотя скорость была совсем небольшой. Но во время работы со своим интерфейсом, названным Glide, работало все очень хорошо. Разработчики игр тут же начали оптимизацию под Voodoo Graphics, не задумываясь о ее конкурентах. Выдаваемый адаптером режим разрешением в 640*480 точек и 16 бит цвета сейчас не удивляет совершенно, но в то время это для потребителей было даже впечатляюще.

Возможности Glide

Сам адаптер устанавливался в специальный слот PCI, однако не имел функций 2D. Принцип работы состоял в перехвате управления в режиме 3D у обычного адаптера, через который он и подключался к монитору. Совмещение качественных 2D и 3D адаптеров сначала выглядело очень интересным и пользовалось популярностью пользователей. В том же году вышел 3D-ускоритель Rendition Verite V1000, у которого были функции 2D-видеокарты, однако при высоком разрешении он затуманивал изображение. Из-за этого также не пользовался популярностью Voodoo Rush, который вышел годом позже и был полноценной видеокартой с 3D-ядром Voodoo Graphics.

Видеокарта Voodoo Graphics

У Voodoo Graphics было 3 Мб EDO DRAM, которая работала на частоте 50 МГц, аналогичной процессору. На исходе 1996 года произошло падение цен на EDO DRAM и 3Dfx начало продавать адаптеры относительно дешево, вызывая тем самым всплески своей популярности у потребителей. Однако собственных адаптеров 3Dfx не реализовывала. Она была поставщиком их для партнеров. Самым популярным был Diamond Monster 3D, благодаря которому товары 3Dfx стали называться «монстрами».

Видеокарта Diamond Monster - на вид не такой уж и монстр