Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Компьютерная графика

2.2. Графическая подсистема ЭВМ

вать видеоадаптер. RAMDAC в современных графических процессорах, как правило, работают с тактовой частотой, равной 400 МГц.

Разрядность RAMDAC показывает, какое число цветов способен воспроизвести видеоадаптер. Большинство микросхем поддерживает представление 8 бит на каждый канал цвета, что обеспечивает отображение около 16,7 млн цветов. За счет гамма-коррекции исходное цветовое пространство расширяется. Современные RAMDAC поддерживают целочисленный тип данных RGBA (10:10:10:2) в буфере кадра для более качественного рендеринга с разрядностью 10 бит по каждому каналу, охватывающему более 1 млрд цветов.

Следует обратить внимание на то, как именно выполнен модуль RAMDAC на видеокарте — внутренним или внешним. Обычно в современных графических процессорах он размещается на одном кристалле с видеопроцессором. Многие современные видеокарты поддерживают одновременную работу с двумя мониторами, поэтому в такие карты устанавливаются по два RAMDAC и соответственно по два разъема для подключения монитора. В подавляющем большинстве видеокарт имеется также выход на телевизор (TV-out), позволяющий просматривать мультимедийные программы или фильмы на телевизионном экране. Телевизионный сигнал обычно формируется отдельной специализированной микросхемой, получающей данные от RAMDAC. Большинство современных видеоадаптеров имеют выход DVI (часто два) для подключения цифрового монитора. Преимущество цифрового интерфейса перед RAMDAC заключается в том, что при выводе изображения не выполняются цифроаналоговые преобразования изначально цифрового сигнала, что теоретически обеспечивает лучшее качество. На практике разница незаметна: современные видеоадаптеры выдают идеальную картинку и на аналоговые, и на цифровые устройства.

Интерфейс. Интерфейс видеокарты обеспечивает сопряжение с северным мостом чипсета. Рост производительности видеоадаптеров потребовал разработки и внедрения специализированного интерфейса AGP (Accelerated Graphic Port — ускоренный графический порт), который обеспечил приоритетный доступ видеоадаптера к системной памяти и пиковую пропускную способность шины 2133 Мбайт/с (версия AGP8X). В настоящее время осуществляется переход на последовательный интерфейс PCI Express. В современных компьютерах для подключения графических карт используется версия PCI Express xl6 с максимальной пропускной способностью шины 4000 Мбайт/с в обоих направлениях.

Аналоговые компоненты. Аналоговые компоненты видеокарты обеспечивают стабильное питание микросхем и формирование сигналов нужной формы на аналоговых выходах (на монитор и телевизор). Видеокарты высокой производительности имеют высокое энергопотребление, часто потребляемая мощность превышает 100 Вт и поэтому их снабжают специальным дополнительным разъемом питания. Кроме того, высокая потребляемая мощность требует эффективной системы охлаждения и системы контроля температуры графического процессора, которые по сложности не уступают соответствующим системам ЦП. Высокая частота аналоговых сигналов на выходах к монитору и к телевизору

115

2. Технические средства компьютерной графики

требует тщательного согласования с приемниками, а также защиты от помех. Качество выходных сигналов видеокарты в значительной мере определяется качеством используемых аналоговых компонентов и технологическим уровнем производства видеокарт.

Технологии SLI и CrossFire. Возможность параллельной обработки графической информации на уровне видеоадаптеров или одновременное использование двух видеоадаптеров для повышения производительности была реализована впервые компанией 3dfx в 1998 г. в видеокарте 3dfx Voodoo2 Graphics. Эта технология получила название SLI. В то время аббревиатура расшифровывалась как Scan Line Interleaving (чересстрочное сканирование кадров). С помощью этой технологии для увеличения производительности можно было объединять видеоускорители в ЗБ-приложениях. Подключение производилось по следующему принципу: монитор подключался к ускорителю, а специальный кабель соединял ускоритель с 2Б-видеокартой. Возможности SLI позволяли соединять видеоускоритель с таким же ускорителем посредством плоского кабеля, похожего на АТАили FDD-шлейф. Таким образом, вся видеосистема занимала три слота PCI, что было не очень удобно, но (по зявлениям компании 3dfx) позволяло увеличить производительность вдвое. Однако реальный прирост производительности составлял 20.. .50 %.

Принцип работы Voodoo2 SLI заключался в том, что адаптеры вычисляли строки изображения поочередно. Каждый ускоритель записывал свои строки в видеопамять и через свой цифроаналоговый преобразователь выводил их на монитор. Если компоненты видеокарт отличались по характеристикам, могли возникать ошибки в отображении картинки.

Длительный период времени видеокарте Voodoo2 Graphics в режиме SLI по производительности не было равных. Однако с появлением новых чипов nVidia RivaTNT и ATI Rage и шины AGP, а также объединением 2О-ускорителя и видеокарты в одном устройстве ускорители Voodoo2 Graphics стали пользоваться все меньшей популярностью и вскоре исчезли с рынка.

Технология параллельного использования двух видеоадаптеров была возрождена компанией nVidia после разработки шины PCI Express. Число разъемов с этой шиной на современных системных платах, как правило, превышает 2 (в отличие от шины AGP). nVidia, возрождая технологию SLI, решила не менять ее название. Изменилась только расшифровка аббревиатуры. Теперь SLI расшифровывается как Scalable Link Interface (масштабируемый соединительный интерфейс). Для функционирования технологии nVidia SLI необходимо наличие двух видеокарт с поддержкой SLI, системной платы с чипсетом, поддерживающим SLI, можно (но не обязательно) использовать переходную плату SLI-bridge для связи видеокарт и соответствующий драйвер.

Технология SLI поддерживает два режима работы пары видеокарт: Split Frame Rendering (SFR) и Alternate Frame Rendering (AFR). В режиме SFR происходит разделение кадра на две части, за рендеринг каждой из которых отвечает отдельный видеоадаптер. При этом кадр разделяется динамически в зависимости

116

2.2. Графическая подсистема ЭВМ

от сложности сцены. Такой режим позволяет добиться максимальной производительности за счет равномерной загрузки каждой видеокарты. Метод разделения называется Symmetric Multi-Rendering with Dynamic Load Balancing (SMR), т. е. симметричный мультирендеринг с динамическим распределением нагрузки. В режиме AFR каждый адаптер обрабатывает свой кадр. ЦП перенаправляет ведущей карте запрос на обработку первого кадра и сразу же отправляет ведомой карте запрос на обработку второго кадра. Таким образом, одна видеокарта обрабатывает нечетные кадры, а вторая — четные.

Позднее компания nVidia на базе графического процессора nVidia GeForce 7900 GTX/GT (G71) разработала следующий вариант технологии SLI — для четырех чипов. Разумеется, такие решения существовали и раньше, например в промышленных симуляторах для обучения пилотов и в графических суперкомпьютерах. Однако эта технология впервые реализована на обычном PC на базе, вставляемой в один слот двухчиповой карты на базе GeForce от nVidia. Карта с двумя чипами сама по себе представляет SLI-решение. На системную плату, поддерживающую SLI, можно устанавливать две такие двухчиповые карты. Таким образом, компания nVidia предлагает два варианта — одиночное SLI-реше- ние на двух чипах внутри одной карты и SLI-решение на четырех чипах (QuadSLI путем установки второй подобной карты). Очевидно, что производительность четырехпроцессорной конфигурации будет высокой, а при некоторых условиях и очень высокой.

Выпуск подобной двухчиповой графической карты стал возможным только благодаря низкому энергопотреблению и тепловыделению, а также низкой себестоимости чипа. Карта состоит из базовой и дополнительной плат, занимает ширину двух слотов и при работе в режиме Quad-SLI связывается двумя каналами с соседней двухчиповой картой. Таким образом, получаем топологию квадрата — оба чипа карты связаны друг с другом и каждый связан с еще одним чипом соседней карты. Кроме того, на каждой двухчиповой карте установлен мост PCI-E х16, осуществляющий арбитраж и доступ к обоим ускорителям со стороны системы.

Режимы работы двух видеокарт аналогичны предыдущим. Есть три режима совместной работы: AFR (чередование расчета кадров между ускорителями), зональный рендеринг (разделение экрана на четыре зоны) и SLI-AA — использование ускорителей для расчета разных АА семплов в пределах одного пиксела. Кроме того, логичным становится комбинирование режимов, например, 2xAFR от двух двухзональных кадров (чередование кадров, каждый из которых построен SLI-методом разделения зон) или зональное разделение 2xSLI-AA и т. д. Комбинаций может быть много, никаких новых архитектурных изменений для этого не нужно, в технологии SLI уже заложены различные возможности, а сочетанием управляет драйвер.

Позднее аналогичная технология, получившая название CrossFire, была представлена и компанией ATI. В отличие от SLI, где обе видеокарты должны поддерживать технологию SLI, CrossFire позволяет объединять видеокарты, из которых только одна должна быть выполнена с поддержкой этой технологии,

117

2. Технические средства компьютерной графики

вторая же может быть любой. Кроме того, в технологии CrossFire применяется внешнее соединение видеокарт при помощи специального кабеля.

Помимо метода, аналогичного SMR, технология CrossFire предполагает применение еще трех способов рендеринга: SuperTiling, в котором экран делится на множество квадратов и каждая карта обсчитывает половину этих квадратов; чередование кадров (Alternate frame rendering), при котором одна карта отвечает за рендеринг одного кадра, а другая — за рендеринг следующего кадра; и наконец, так называемый Super AA (суперсглаживание), обеспечивающий полноэкранное сглаживание в режиме до 14х.

Основным достоинством технологий SLI и CrossFire является увеличение производительности в ЗБ-приложениях. Во многих играх увеличение производительности достигает 60...70 %. В тестовых приложениях это значение иногда доходит и до 100 %. Из недостатков рассматриваемых технологий следует выделить высокую стоимость видеосистемы, включая мощный блок питания (от 400 Вт) и системную плату на специальном чипсете.

Графические процессоры. Архитектура современных графических процессоров является многопроцессорной, она содержит набор относительно простых специализированных процессоров и АЛУ, ориентирована на полигональное представление трехмерной графики, используемой в современных компьютерных играх, и опирается на следующие основные свойства такого представления:

•значительная доля арифметических операций над векторными данными в графических алгоритмах с незначительным количеством логических операций;

•возможность эффективного распараллеливания процессов обработки графических объектов благодаря их взаимной независимости;

•потоковый характер построения изображения, что позволяет организовать графический конвейер.

Исходные данные, которыми оперируют современные графические процессоры (параметры вершин, матрицы преобразования, значения цвета и т. п.), организованы в виде векторов и соответственно большинство операций, выполняемых графическим процессором, являются векторными. Графические векторы, как правило, имеют четвертый порядок, т. е. содержат четыре числа, например три цветных компонента (R, G, В) и степень прозрачности (альфаканал). Поэтому графические процессоры содержат векторные АЛУ, исполняющие операции с четырьмя компонентами того или иного формата, с произвольной перестановкой компонентов перед вычислениями, с возможностью выполнять разные операции по схеме 3+1 компонентов или даже менее часто востребованной, но все равно потенциально выгодной — 2+2 (две операции над двумя компонентами).

Операции со значениями цвета и прозрачности — чисто арифметические. Логически данные друг от друга не зависят, поэтому их можно обрабатывать параллельно. Для этого достаточно иметь одно векторное АЛУ и общий блок управляющей логики, обеспечивающий произвольную перестановку компонентов перед вычислениями. В реальных задачах часто встречаются ситуации, когда

118

2.2. Графическая подсистема ЭВМ

необходимо обработать векторы второго порядка или скалярные величины (особенно это касается пиксельных конвейеров и пиксельных алгоритмов). В этом случае вычисления оптимизируются по схеме 2+2.

Особенность графических алгоритмов состоит в том, что объекты, обрабатываемые в графическом конвейере, как правило, не зависят друг от друга, при этом возможно распараллеливание обработки данных на нескольких уровнях. Например, при обработке вершин треугольника все три вершины будут обработаны по одному и тому же алгоритму, и более того, совершенно не важен порядок их обработки. Поэтому можно обрабатывать сразу несколько вершин параллельно, так как современные графические процессоры содержат группу вершинных процессоров (8 в nVidia GeForce 7800 GTX). Обработка пикселов еще лучше поддается распараллеливанию. Как следствие происходит рост числа пиксельных конвейеров в архитектуре графического процессора (48 в ATI RADEON XI900 ХТХ/ХТ (R580)), т. е. мощность графического процессора обычно наращивается путем увеличения числа вершинных и пиксельных конвейеров.

С внедрением DirectX 9.0с (пиксельные и вершинные шейдеры версии 3.0) в графических алгоритмах появилась возможность динамического управления вычислениями (циклы и ветвления, вызов подпрограмм, предикаты, возврат и другие операции). Характер и порядок обработки данных может зависеть от их исходных значений. Поэтому возникла необходимость создания полноценных параллельных конвейеров, каждый из которых оснащен управляющей логикой обработки динамических ветвлений. Все данные, поступающие в конвейеры графического процессора, организованы как однородные потоки данных. Следовательно, они могут быть предварительно подготовлены для обработки, т. е. выбраны из памяти, помещены в кэш-память и организованы в очереди. Первоначально эти возможности были реализованы в графических процессорах компании NVidia, а затем и в процессорах компании ATI.

Архитектура графического процессора (GPU). Структурная схема графического процессора GeForce 7800 GTX компании nVidia представлена на рис. 2.17.

ЦП компьютера, подготавливая полигональное описание трехмерной сцены, создает поток параметров вершин полигонов (треугольников), описывающих поверхности трехмерных объектов, присутствующих в кадре. Блок выборки геометрии графического процессора извлекает из ОП или видеопамяти геометрические данные и направляет их в кэш-память вершин. GPU поколения DirectX 9 поддерживают несколько вариантов структуры хранения геометрических данных в видеопамяти, учитывающих особенности полигональных моделей. Кроме того, аппаратно поддерживается гибкий формат данных: для каждой вершины могут храниться не только обычные параметры (координаты или вектор нормали), но и любые другие наборы допустимых скалярных или векторных величин.

Технологии памяти развиваются не так стремительно, однако потоковая природа графических алгоритмов позволяет обеспечить современные графические процессоры данными. В графический процессор поступает много разных данных, из него выходит только результирующее изображение. При этом все

119

2. Технические средства компьютерной графики

Локальная память ускорителя

Чипсет, CPU

и т. д. Буфер кадра, Z, Текстуры Геометрия Stencil

i>W> О О

Рис. 2.17. Структурная схема графического процессора GeForce 7800 GTX компании nVidia

поступающие данные по своей сути — потоки, они считываются последовательно или почти последовательно. Таким образом, потоки данных могут быть кэшированы, выбраны предварительно, помещены в очереди, для того чтобы подсистема памяти не простаивала и работала эффективно. В современных графических процессорах практически нет произвольного доступа к памяти, что существенно снижает эффективность кэширования. Поэтому в отличие от обычных процессоров кэш-памяти GPU относительно малы, раздельны и работают, как правило, только на чтение. Это позволяет сделать их особенно эффективными — даже кэш-память буфера кадра можно разбить на две части, одна из которых работает только на чтение, а вторая является обычной очередью записи. При этом поддерживается работа с несколькими потоками данных, когда часть атрибутов вершины хранится в одном массиве данных, а другая часть — в другом. Как правило, выборка из памяти происходит одновременно несколькими потоками (обычно по 4 каналам по 64 разряда в каждом). Далее каждая из вершин попадает в вершинный процессор.

120

2.2. Графическая подсистема ЭВМ

t

Выборка и кэш-память данных

Пост кэш-память данных и сборка треугольников

Отсечение вершин

_L

Установка треугольников

1

Рис. 2.18. Структурная схема вершинного процессора для GPU nVidia GeForce 7800 GTX

Вершинный процессор. В современных графических процессорах блоки обработки вершинных программ соответствуют спецификации Microsoft DirectX 9.0c, т. е. поддерживают вершинные шейдеры (Vertex Shader, VS) версии 3.0. Производительность и число вершинных блоков растут с развитием архитектуры графических процессоров. Структура вершинного процессора компании nVidia представлена на рис. 2.18.

Вершинные процессоры позволяют специальным программам (вершинным шейдерам) обрабатывать каждую вершину объекта, выполняя трансформации, расчет освещенности и другие операции. Собственно, графический процессор содержит восемь независимых вершинных процессоров, каждый из которых исполняет свои команды и имеет собственное устройство управления, т. е. разные процессоры могут одновременно исполнять различные участки программ над разными вершинами. За один такт вершинный процессор может выполнить одну векторную операцию (до четырех компонентов в формате с плавающей точкой FP32), одну скалярную операцию в формате FP32 и осуществить один доступ к текстуре (TMU). Поддерживаются целочисленные и плавающие форматы текстур и мип-мэппинг. Вершинные процессоры поддерживают статические ветвления, а также динамический контроль выполнения (Flow Control): циклы и ветвления, вызов подпрограмм, предикаты, возврат и другие операции.

Из вершинного процессора вершины, обработанные вершинным шейдером с учетом преобразований и освещения, передаются в небольшой промежуточный пост кэш-вершин. Далее осуществляется сборка примитивов, т. е. вершины группируются согласно с используемой топологией и отправляются в блок установки треугольников, где происходит предварительная подготовка данных, не-

121

2. Технические средства компьютерной графики

обходимых для закраски всего треугольника. Здесь же производится отбрасывание невидимых и повернутых к наблюдателю обратной стороной треугольников.

Затем треугольник разбивается на фрагменты, часть которых признается невидимыми и отбрасывается в ходе предварительного теста глубины (Z-теста) на уровне фрагментов (технология удаления невидимых поверхностей HSR (Hidden Surface Remove)). Как правило, конечным результатом этого процесса являются видимые (или частично видимые) фрагменты размером 2x2 пиксела, называемые квадами и подлежащие закраске. Именно такие фрагменты наиболее удобны для быстрой закраски пикселов (по нескольким, в основном математическим причинам, связанным с интерполяцией текстурных координат).

В современных процессорах закраска осуществляется в два этапа и на двух уровнях — блоков размером 4x4 пиксела (удобно для работы с буфером глубины — Z-буфером) и квадов размером 2x2 (квадами осуществляется закраска в пиксельном процессоре). Вначале треугольник полностью покрывается блоками и, если даже один пиксел блока принадлежит треугольнику, он считается кандидатом на закраску. Далее из рассмотрения удаляются все полностью невидимые блоки. Остальные блоки разбиваются на квады и для каждого из них вычисляются Z-координаты. Сравниваются значения глубины и отбрасываются полностью невидимые квады, а остальные отправляются на установку и закраску в пиксельный процессор. При этом квады дополняются вычисленными значениями глубины и специальной битовой маской, определяющей видимые и невидимые пикселы квада. В результате этого процесса в среднем половина пикселов будет отброшена еще до закраски.

Затем квады отправляются на установку фрагментов. Здесь для каждого из них вычисляются необходимые далее параметры: текстурные координаты, МГРуровень, векторы и установочные данные для анизотропной фильтрации и т. д. По мере роста сложности пиксельных шейдеров растет число передаваемых и интерполируемых для каждой точки параметров. Интерполяция требует сложных вычислительных операций, но использование квадов позволяет существенно повысить эффективность этого процесса за счет определения базовых параметров для одного пиксела, а для остальных — векторов преобразований. После установки и интерполяции параметров происходит закраска фрагментов в пиксельном процессоре.

Пиксельный процессор. После расчета значений цвета в пиксельном процессоре происходит смешивание значений с уже существующими в буфере кадра или блендинга (если включен соответствующий режим) или просто запись результирующих значений цвета и глубины в буфер кадра. На этом этапе возможно выполнение дополнительных операций: гамма-коррекция, вычисление самого дальнего значения глубины блока 4x4 для пересылки в иерархический буфер глубины, сжатие Z-координат и т. д.

Структура пиксельного процессора компании nVidia представлена на рис. 2.19. В пиксельном процессоре в обработке находится одновременно несколько сотен квадов. Для процессора квад представляет собой структуру данных, со-

держащую для каждого из четырех пикселов следующую информацию:

122

2.Технические средства компьютерной графики

•флаг активности данного пикселя (поскольку не все точки квада могут быть видимыми);

•флаг значения предиката для данного пиксела;

•значение Z и, возможно, значения буфера шаблонов;

•два векторных временных регистра FP32[4], которые могут быть разделены на четыре FP16[4].

Все обрабатываемые квады по очереди проходят через длинный пиксельный конвейер, состоящий из АЛУ, двух текстурных модулей и затем еще двух АЛУ. Длина конвейера составляет более двухсот тактов. Большая часть конвейера (около 170 тактов) приходится на операции выборки и фильтрации текстур, выполняемые в текстурных блоках. В нормальном режиме работы конвейер способен выдавать по кваду за один такт.

Всего в графическом процессоре содержится шесть независимых процессоров квадов. В каждом процессоре квадов содержится по два полных векторных ALU (способных выполнять две разные операции над четырьмя компонентами), дополненных двумя скалярными mini-ALU для параллельного исполнения простых операций. В результате ALU могут выполнять MAD-операции (одновременное умножение и сложение), часто встречающиеся в типовых пиксельных шейдерах. Кроме того, в каждом процессоре квадов содержится по четыре текстурных модуля (TMU) — по одному модулю на пиксел, собственная кэш-па- мять первого уровня, фильтрация текстур с целочисленным или FP16 форматом компонентов, до четырех компонентов включительно (FP16[4]). TMU поддерживают анизотропную фильтрацию с соотношением сторон до 16:1 включительно (так называемые 16х) и позволяют выполнять все виды фильтрации с плавающими форматами текстур. За массивом из шести процессоров квадов следует коммутатор, который перераспределяет рассчитанные квады по 16 блокам генерации глубины, сглаживания (АА — Antialiasing) и блендинга.

Встроенный ускоритель графики. Большинство пользователей знает, что неотъемлемой частью компьютерной системы служит графический адаптер (видеоадаптер). Традиционно считается, что графический адаптер должен быть представлен отдельной видеокартой, занимающей специальный слот. Необходимо отметить, что видеокарта начального уровня (не самого последнего поколения) имеет определенную стоимость. Видеоадаптер, встроенный в чипсет системной платы, традиционно рассматривается как неполноценное решение, уступающее даже самой дешевой видеокарте.

Однако возможности современных встроенных ускорителей графики непрерывно растут. В первую очередь следует обратить внимание на качество 2Б-графики. Именно оно в значительной мере влияет на удовлетворенность пользователя видеоподсистемой. Ведь и ОС, и основная доля деловых приложений работают в 2О-режиме. Только игры и специальные программы трехмерного моделирования реально используют ЗО-возможности видеокарты.

В современных чипсетах ситуация изменилась радикально. Например, чипсет Intel 945G содержит графическое ядро Intel Graphics Media Accelerator 950,

124