Grafična kartica

Iz MaFiRaWiki

Ta članek ali del članka je v delu. Veseli bomo, če ga boste dopolnili in popravili.

Kaj pomeni to opozorilo?

Vsebina


Grafična kartica je del računalnika, pogosto v obliki samostojne razširitvene kartice, ki upravlja digitalno sliko v svojem pomnilniku in jo pretvarja v analogni signal. Grafična kartica omogoča tako prikaz besedila kot tudi prikaz grafičnih podatkov. Sestavljena je iz namenskega grafičnega procesorja, pomnilnika, digitalno-analognega pretvornika in drugih elektronskih delov. Grafični procesor skrbi za prenos podatkov med računalnikom in grafičnim pomnilnikom ter pogosto za izračun pogostih slikovnih operacij. Količina vdelanega pomnilnika pogojuje največjo grafično ločljivost in število barv, hitrost prikaza slike pa je odvisna od vrste procesorja, podatkovnega vodila in vrste pomnilnika.

Slika:Grafična kartica.jpg

Večina grafičnih kartic uporablja posebni RAM - VRAM. Ta pomnilnik omogoča večje hitrosti kot navadni RAM. V njem se nahaja slika, ki gre na zaslon. Od količine VRAM je odvisana ločljivost slike in barvna globina.

Prvi je grafično kartico vpeljal proizvajalec Apple v modelu Apple II. Prvi IBM PC računalniki so imeli monokromatske (enobarvne) grafične kartice.

Grafične kartice so izključno izhode enote in imajo mnoge več možnih tipov izhida. Vse imajo osnovni monitorski izhod. nekatere imajo še dodatne video izhode, za priklop na TV sprejemnike. Nekatere imajo celo dva monitorska izhoda, kar omogoča ogledovanje na dveh različnih monitorjih.

Vrste grafičnih kartic

Poznamo različne vrste grafičnih kartic. predvsem se ločijo med seboj po zmogljivosti. Torej po VRAM-u., kartice, ki naimajo lastega delovnea spomina izkoriščajo lokalni delovni spomin, česar posledica je počasnejše delovanje računalnika. Glede na zmogljivost kartice, so omejene tudi možnosti ogledov zahtevnejših animacij, saj so mnoge novejše igre tako zahtevne, da se vse lastnosti animacij razvidijo šele pri zmogljivejših karticah.

Pomnilnik na grafični kartici

Pomnilnik na grafični kartici zajema celoten pomnilnik računalnika, ki ga uporablja grafična strojna oprema (grafična kartica in grafični čip na matični plošči). V vsakdanjem pogovoru pa s tem mislimo predvsem pomnilnik na sami grafični kartici, ki se je včasih imenoval Video RAM (VRAM).

Razvoj

Do 70-ih let nismo poznali posebne komponente, ki bi bila zadolžena za izris grafike. Vse operacije je izvajala neposredno centralna procesna enota, slika pa je bila shranjena v glavnem pomnilniku.

Prva generacija

Prva generacija grafičnih kartic (do 1990) je uporabljala lokalni grafični pomnilnik (izključno kot "framebuffer"), t.j. grafični pomnilnik sprejme podatke v obliki pikslov od centralno procesne enote in jih odloži v lokalnem grafičnem pomnilniku.

Windows pospeševalnik

Grafični pomnilniki te kategorije so znali izvajati nekaj ukazov (npr. nariši kvadrat). Lokalni grafični pomnilnik, največkrat med 1 MiB in 8 MiB, je bil implementiran predvsem s pomočjo DRAM, EDO RAM, VRAM ali MDRAM tehnologije. Zadnja dva sta narejena v tehnologiji, ki je bila razvita prav posebej za grafične kartice.

3D pospeševalnik

V sredini 90-ih let so prišli na trg prvi 3D pospeševalniki, ki so že samostojno izračunali tridimenzionalne transformacije in »Texture Mapping« (lepljenje tekstur). Prvi predstavnik te serije je bil leta 1996 Voodoo Graphics s 4 MiB ali 6 MiB EDO RAM-a.

Konec leta 1999 je izšel Nvidia GeForce256 z 32 MiB SGRAM-a; prva grafična kartica za široko potrošnjo z integrirano T&L enoto. Pred tem je bila taka enota vgrajena le v modele namenjene igričarskim navdušencem (cenovno zelo »drag špas«).

Sredi leta 2002 je izšel ATI-jev Radeon 9700 Pro s 128 MiB DDR-SDRAM-a – prva popolnoma DirectX 9.0 kompatibilna grafična kartica.

Trenutno stanje

Pri aktualnih sistemih je grafični pomnilnik na ločeni razširitveni kartici, ki je povezan s centralno procesno enoto in glavnim pomnilnikom preko vodila (ponavadi PCI-Express ali AGP). Na razširitveni kartici se nahaja določen pomnilnik, ki je namenjen posebno za grafične operacije in je na voljo posebno za grafični procesor. Količina grafičnega pomnilnika hitro narašča predvsem zaradi razvoja na področju »realtime-randering-a« in padanja cen na področju pomnilnikov. Tako imamo sedaj na trgu že grafične kartice z do 1024 MiB GDDR4 - SDRAM-a.

Alternativna možnost je grafični procesor integriran na matični plošči, ki se uporablja predvsem pri sistemih, kjer visoka 3D grafika ni pomembna (npr. računalniki v pisarnah). Cenovno ugodna in šibkejša varianta pa seveda ne vsebuje lastnega grafičnega pomnilnika, ampak uporablja del glavnega pomnilnika za začasno odlaganje podatkov.

Podtki v grafičnem pomnilniku

Framebuffer

V pomnilniku, ki ga običajno bere RAMDAC, se nahajajo predvsem izračuni slikovne sinteze. Velikost framebuffer-ja je odvisna od resolucuje (na primer 1024 x 768), barvne globine ( na primer 16 bit-ov na piksel), od tipa antialiasinga in od izbranega koncepta framebuffer-ja ( na primr double buffering).

z-Buffer

Za vsak piksel se shrani vrednost globinske informacije. Velikost pa je odvisna od izbrane natančnosti vrednosti, ki so običajno 24 ali 32 bitov.

Vertex-Shader- in Pixel-Shader programi

Od DirectX 8.0 dalje so na voljo računalniški kodi podobne operacije za oblikovanje objektov ali določenih grafičnih efektov (npr. senca, zrcaljenje). Pomebni so predvsem za razvijalce igric. Ti programi so običjano zelo majhni in so odloženi neposredno na grafičnem pomnilniku.

Geometrijski podatki

Od uvedbe DirectX-a je trikotnik standardni primitivni element za 3D predstavitve. Na ta način je vsaka predstavitev sestavljena iz objektov (poligonov), ti pa so sestavljeni iz trikotnikov. Geometrijski podatki dodelijo med drugim vsakemu trikotniku oglišča in pri vsakem oglišču še normalni vektor. Velikost pomnilnika je odvisna od kompleksnosti izračunane scene (trenutno do 500000 trikotnikov). To se pravi, čim več trikotnikov je potrebno obdelati, tem večja je količina geometrijskih podatkov.

Teksturni podatki

Vse teksture neke scene ponavadi začasno shranjujemo v grafičnem pomnilniku stisnjeno, da uporabimo čim manj prostora. Algoritmi za komprimiranje so na primer FXT1 in S3TC. To področje zavzame največ grafičnega pomnilnika in je odvisno od večih dejavnikov, na primer od števila, velikosti (tja do 2048 x 2048 pikslov) in barvne globine uporabljene teksture.

Grafični procesor

Grafični procesor (angl. Graphics Processing Unit, zato tudi GPE – po novem pa tudi vse pogosteje VPU Visual Processing Unit) – služi preračunavanju grafičnih informacij za grafični izhod. Nahaja se na grafični kartici ali na matični plošči računalnika. Proizvajalci grafičnih procesorjev so na primer ATI , NVidia ali 3DLabs , nato pa jih vgradijo različni proizvajalci grafičnih kartic na primer Asus, Gainward, MSI, Sapphire v grafične kartice.

Grafični procesor izvaja računsko intenzivne naloge 2D in 3D računalniške grafike in s tem razbremeni glavni procesor, centralno procesno enoto (CPE). Procesorski čas, ki bi ga tako prorabila grafika, je sedaj na voljo za druge naloge. Začetki grafičnih procesorjev segajo v 70. in 80. leta prejšnjega stoletja. Najprej so bili zadolženi predvsem za samostojne tekstovne in grafične izpise in so razbremenjevali na ta način centralni procesor. Da bi čim bolj omilili podatkovne transferje, so procesorji lahko predstavljali tudi »sprite« (grafična slika, ki se lahko premika v okviru večje grafike). Predvsem na grafičnem področju je moral opravljati centralni procesor celotno računsko moč. To se je spremnilo šele v osemdesetih letih pri računalnikih kot so Commodore Amiga ali pa Atari ST. Ta dva sta že imela blitting funkcije (blitting – ukaz za hitro kopiranje in premikanje delov pomnilnika), ki se uporabljajo za kombiniranje dveh delov rasterske grafike. S prehodom s tekstovnih DOS-ovskih programov na grafične Windows aplikacije so na področju X86PC pridobivali na veljavi razširjeni grafični čipi, znani kot »Windows pospeševalniki«. Kasneje so na trg prišli 3D pospeševalniki. V sredini devetdesetih let so uvedli predvsem čiste 3D pospeševalne kartice s čipi, ki so temljili na 3dfx naboru. Dandanes imajo vse običajne grafične kartice enega ali več zmogljivih procesorjev, kar pomeni da so pospeševalne kartice postale odveč.

V zadnjih letih je prišlo do velikega napredka pri razvoju grafičnih procesorjev. Na tem mestu je potrebno navesti tehnike kot so anti-Aliasing in anisotropni filter. S pomočjo NVidia Scalable Link Interface (na kratko: SLI) ali ATI Pendant Crossfire obstaja sedaj tudi možnost priključitve dveh grafičnih kartic na eno matično ploščo. Tako je možno delo z večimi grafičnimi procesorji naenkrat.

Iz tehničnega vidika definiramo grafični procesor kot procesor z integriranim Transform-, Lighting-, Triangle-Setup/Clipping- in Rendering-Engines. Za merjenje moči se upošteva število izračunanih poligonov na sekundo.

Slika: Geforce3.jpg Slika: GeForce6600GT.jpg

Grafični procesorji so pravi procesorji na nivoju centralno procesne. Nvidia Geforce3 ima na primer 57 Mio. tranzistorjev na 0,15 mikrometerski (µm) tehnologiji, medtem ko vsebuje Intel Pentium 4 z jedrom Willamette 42 Mio. tranzistorjev na 0,18 µm. Tehnologija z večjo gostoto omogoča hitrejše tranzistorje, zato je bil vsaj fizikalno gledano Geforce3 močnejši procesor.

Porast moči pri grafičnih procesorjih presega letni faktor 2,4, prav tako se je tudi funkcionalnost krepko povečala. Tako lahko na primer skoraj vsako komponento grafičnega procesorja na novo programiramo in izvajamo celotne izračune s polno 32 bitno vrednostjo s plavajočo vejico. Ker grafični ukaz dela z več podatki (z vektorjem) hkrati, lahko grafično procesno enoto imenujemo tudi kot SIMD (angl.: single instruction multiple data) paralelni procesor, kar postaja interesantno tudi za znanstvene aplikacije.

Proizvajalci grafičnih procesorjev

3DLabs, AMD, ATI Technologies, Intel, Matrox, NVIDIA, 3dfx, SiS, S3 Graphics, XGI
Zaradi močne borbe in s tem povezanimi visokimi razvojnimi stroški je bilo nekaj od teh proizvajalcev že prodanih / kupljenih (3dfx, 3DLabs) ali pa so se le ti koncentrirali na eno od niš. Tako je na primer pri integriranih grafičnih čipih na matičnih ploščah Intel vodilni na trgu, medtem ko si delita trg za grafične rešitve, ki temeljijo na razširitvenih karticah (te so zmogljivejše in zanimivejše za tiste, ki radi igrajo računalniške igrice), ATI und NVIDIA. Matrox se je po neuspešnih poskusih na širšem trgu specializiral na profesionalno področje CAD-a.

Vir

Osebna orodja