4.7.2. Устройство современного видеоадаптера

Современная видеокарта (видеоадаптер) – это одна из самых сложных и дорогих составляющих персонального компьютера.

Видеоадаптер содержит графический процессор (GPU), видеоконтроллер, видео-ПЗУ (VideoROM), видеодрайвер, RAMDAC, видеопамять, разъемы для подключения визуализаторов, разъем для подключения к материнской плате (для дискретных видеоадаптеров), систему охлаждения.

Графический процессор (Graphics processing unit (GPU)) 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. Рабочая частота GPU прямо влияет на производительность видеочипа – чем она выше, тем больший объем работы GPU может выполнить в единицу времени, обработать большее количество вершин и пикселей. Но далеко не только рабочая частота чипа определяет производительность, на его скорость сильно влияет и сама графическая архитектура: устройство и количество исполнительных блоков, их характеристики и т.п.

В некоторых случаях тактовая частота отдельных блоков GPU отличается от частоты работы остального чипа, т.е. разные части GPU работают на разных частотах, и сделано это для увеличения эффективности, ведь некоторые блоки способны работать на повышенных частотах, а другие – нет.

Видеоконтроллер отвечает за формирование изображения в видеопамяти, даёт команды RAMDAC на формирование сигналов развёртки для монитора и осуществляет обработку запросов центрального процессора.

Видео-ПЗУ (Video ROM) – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в которое записаны BIOS видеокарты, экранные шрифты, служебные таблицы и т.п. ПЗУ не используется видеоконтроллером напрямую – к нему обращается только центральный процессор. BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до загрузки основной операционной системы, задаёт все низкоуровневые параметры видеокарты, в том числе рабочие частоты и питающие напряжения графического процессора и видеопамяти, тайминги памяти. Также VBIOS 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.

Видеодрайвер выполняет функции интерфейса между системой с запущенными в ней приложениями и видеоадаптером.

Цифроаналоговый 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. Большинство ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал – получается по 256 уровней яркости на каждый основной цвет, что в сумме дает 16,7 млн цветов. Некоторые RAMDAC имеют разрядность по каждому каналу 10 бит (1024 уровня яркости), что позволяет сразу отображать более 1 млрд цветов, но эта возможность практически не используется. Для поддержки второго монитора часто устанавливают второй ЦАП. Мониторы и видеопроекторы, подключаемые к цифровому DVI выходу видеокарты, для преобразования потока цифровых данных используют собственные цифроаналоговые преобразователи.

В видеопамяти 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 GDDR2, GDDR3, GDDR4 и GDDR5.

Для подключения визуализаторов используются следующие разъёмы.

Аналоговый D-Sub разъём (также известен как VGA-выход или DB-15F) – это 15-контактный разъём для подключения аналоговых мониторов.

Разъёмы D-Sub были фактически единственным стандартом до времени широкого распространения LCD-мониторов. Такие выходы и сейчас часто используются для подключения LCD-мониторов, но лишь бюджетных моделей.

Для подключения современных мониторов и проекторов рекомендуется использовать цифровые интерфейсы, из которых наиболее распространенным является DVI. Существует три типа DVI-разъёмов: DVI-D (цифровой), DVI-A (аналоговый) и DVI-I (integrated – комбинированный или универсальный):

DVI-D – исключительно цифровое подключение, позволяющее избежать потерь в качестве из-за двойной конвертации цифрового сигнала в аналоговый и из аналогового в цифровой. Этот тип подключения предоставляет максимально качественную картинку, он выводит сигнал только в цифровом виде. От DVI-I этот разъём отличается физическим отсутствием части контактов, и переходник DVI-to-D-Sub в него не воткнуть. Чаще всего этот тип DVI применяется в системных платах с интегрированным видеоядром, на видеокартах он встречается реже.

DVI-A – это довольно редкий тип аналогового подключения по DVI, предназначенного для вывода аналогового изображения на ЭЛТ-мониторы.

DVI-I – это комбинация двух вышеописанных вариантов, способная на передачу как аналогового сигнала, так и цифрового. Этот тип применяется в видеоадаптерах наиболее часто, он универсален и при помощи специальных переходников, идущих в комплекте поставки большинства видеокарт, к нему можно подключить также и обычный аналоговый ЭЛТ-монитор со входом VGA.

Для передачи цифровых данных используется или одноканальное решение DVI Single-Link, или двухканальное – Dual-Link. Формат передачи Single-Link использует один TMDS-передатчик (165 МГц), а Dual-Link – два, он удваивает пропускную способность и позволяет получать разрешения экрана выше, чем 1920×1080 и 1920×1200 на 60 Гц, поддерживая режимы очень высокого разрешения, вроде 2560×1600.

В последнее время широкое распространение получил новый бытовой интерфейс – HDMI. HDMI-выходы на видеокартах сейчас встречаются уже довольно часто, и таких моделей всё больше, особенно в случае видеокарт, предназначенных для создания медиацентров. Видеокарты не обязательно должны иметь разъём HDMI, в остальных случаях подключение HDMI-кабеля осуществляется через переходник на DVI.

Видеокарта вставляется в специальный разъем расширения на системной плате компьютера, через этот слот видеоадаптер обменивается информацией с центральным процессором системы.

Все современные графические процессоры используют только один тип интерфейса – PCI Express.

Система охлаждения предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и (зачастую) видеопамяти в допустимых пределах.

В настоящее время разработано достаточно большое количество систем охлаждения, которые отличаются друг от друга средой для отвода тепла. По системам теплоотвода системы охлаждения в компьютерах разделяют на следующие категории: пассивные системы охлаждения на основе радиаторов; воздушные системы охлаждения; жидкостные системы охлаждения; системы охлаждения на основе тепловых трубок; системы охлаждения на основе модулей Пельтье.