Графическая подсистема
Считается, что прадедушкой современной видеокарты является адаптер MDA (MonochromeDisplayAdapter), представленный в 1981 году для IBM PC. Видеокарта того времени имела 4Кбайт видеопамяти, работала только с текстовой информацией и с разрешением 720х350 точек и могла выдавать на дисплей 25 строк по 80 символов в строке. Цвет букв зависел от типа монитора: белые, изумрудные или янтарные, а сами буквы могли выводиться в обычном, подчеркнутом, инверсном (темные на светлом фоне) и мигающем режимах. Дальнейшее развитие MDA было выпущено в 1982 году известной тогда компаниейHerculesи называлосьHerculesGraphicsController(HGC). «Геркулес» отличался отMDAспособностью выводить текст в 132 колонки и 44 строки. Но и эта видеокарта не позволяла работать с графикой. Стоит заметить, что длина карты HGC была более 30 см.
Рисунок 7. Видеоадаптер HGC
И только с выходом видеоадаптера CGA (ColorGraphicsAdapter), который стал основой для последующих стандартов, появилась возможность работать с цветной графической информацией в разрешении 320х200 (4 цвета) и 640х200 (монохромный режим), при этом объём памяти видеокарты уже равнялся 16 Кбайт. Все упомянутые выше карты для соединения с ПК использовали шинуMultibus.
Следующий стандарт для видеокарт – EnhancedGraphicsAdapter(EGA), разработанный в 1984 году, позволял при разрешении 640x350 работать с 16 цветами из 64-цветной палитры одновременно. Ёмкость видеопамяти составляла теперь от 64 до 256 Кбайт, а также была заявлена совместимость с CGA и MDA. Начиная сEGA, видеоадаптеры начали использовать «широкую» шинуISA.
Все описанные выше видеокарты подключались к монитору через 9-контактный разъём и передавали информацию в цифровом виде. Только с выходом адаптера стандарта MCGA (MultiColorGraphicsAdapter– многоцветный графический адаптер) произошёл переход на аналоговый сигнал, так как палитра была увеличена до 262144 цветов (по 64 оттенка на каждый из базовых цветовRed/Green/Blue). Разрешение экрана, выдаваемое MCGA при работе с текстом, было 640х400 с 256 одновременно отображаемыми цветами, для графических приложений – 320х200 точек. Разъём для подключения к монитору приобретает привычный для нас вид – 15-контактный «D-Sub». Еще одна особенностьMCGA– точка на экране теперь сталаквадратной(раньше она была прямоугольной). Это означает, что окружность, выведенная на экран, будет действительно окружностью, а не эллипсом.
Следующим витком эволюции компьютерной видеоподсистемы является VGA (VideoGraphicsArray– графический видеомассив), который появился в 1987 году. Адаптеры VGA уже поддерживали разрешение 640х480 и 256 цветов (из палитры в 262144 цвета), объём памяти составлял 256-512 Кбайт, а соотношение сторон экрана равнялось привычным сейчас 4:3.
И наконец, в 1991 году появляются первые адаптеры SVGA (SuperVGA), позволяющие работать при разрешении 800х600 и 1024х768 точек, количество отображаемых цветов увеличилось до 65536 (HighColor) и 16,7 млн. (TrueColor). Также появляется возможность пользователю задать частоту обновления экрана монитора – до этого момента она была жёстко привязана к определённому значению. Память видеоадаптеров SVGA была уже более 1 Мбайт.
С развитием графических оболочек операционных систем (например, Windows) видеокарты взяли на себя часть вычислений по окончательному выводу изображения на экран, которые обычно производил центральный процессор: перемещение окон, рисование линий, шрифтов и другие. С появлением трёхмерных игр видеокарты обзавелись 3D-акселератором, который сначала имел вид отдельной карты, вставляемой в свободный разъём на материнской плате – до этого момента видеоадаптер позволял работать только с двухмерной графикой (2D). Акселератор, как правило, включался в разрыв кабеля между видеокартой и монитором и брал на себя видеовывод, когда этого требовала выполняющаяся на компьютере программа. Далее, с развитием технологий производства полупроводников, графический чип стал содержать в себе все необходимые блоки, отвечающие как за 2D-, так и 3D-графику.
Именно тогда доминирующая на тот момент компания 3dfx (все активы 3dfx после банкротства перешли к NVIDIA) представляет технологию SLI (ScanLineInterleave– чередование строчек), благодаря которой появилась возможность объединить две подобные видеокарты с шиной PCI для формирования изображения методом чередования строк, что увеличивало быстродействие графической подсистемы и разрешение экрана.
Рисунок 8. Спаренный видеоускоритель (SLI)
На рисунке 7 показана видеокарта Quantum3D ObsidianX-24 на базе двух Voodoo2 в режиме SLI
Действительно, всё новое – это хорошо (в данном случае – очень хорошо) забытое старое: спустя почти 15 лет NVIDIA возродила SLI в видеокартах для шины PCIe.
Рисунок 9. Видеокарта с шиной AGP
Ближе к концу 90-х прошлого века видеоадаптеры получили собственную шину – AGP (AcceleratedGraphicsPort– ускоренный графический порт) и приобрели черты современных видеокарт: объём локальной видеопамяти достиг десятков мегабайт, появилась возможность выводить видеоизображение на ещё один приёмник, например, телевизор. На рисунке 8 изображена видеокарта на базе SiS315 с шиной AGP.
Практически все современные видеокарты состоят из следующих основных компонентов:
Видеопамять.
Набор микросхем, (видеочипсет).
Видео BIOS.
Тактовые генераторы.
Принцип работы видеокарт (при формировании двумерного изображения) не сильно отличается от принципов, на которых была основана работа адаптера CGA. Центральный процессор компьютера формирует изображение (кадр) в виде массива данных и записывает его в видеопамять, а конкретно - в кадровый буфер. После этого видеочипсет последовательно, бит за битом, строка за строкой, считывает содержимое кадрового буфера и передает его RAMDAC (цифро-аналоговый преобразователь данных, хранящихся в памяти). Он в свою очередь формирует аналоговый RGB-сигнал, который вместе с сигналами синхронизации передаётся на монитор. Сканирование видеопамяти осуществляется синхронно с перемещением луча по экрану монитора, сигналы синхронизации вырабатывают встроенные в видеокарту тактовые генераторы.