В данной статья будет представлена история появления графического адаптера(видеокарта). Представлены данные об основных характеристиках этих модулей, их влияние на быстродействие работы графического адаптера. Затрону и тему применения графических адаптеров, их отличия в зависимости от задач которые ставятся.
Видеокарта - это устройство которое преобразует графический образ находящейся в памяти компьютера в видеосигнал, для последующего вывода на монитор.
История первой видеокарты.
В 1981 во время разработки первого персонального компьютера, фирма IBM решала вопрос как же будет реализован метод вывода текста вводимый пользователем на экран монитора. Решение было найдено путём разработки первого в истории графического адаптера получивший название — MDA(Monochrome Display Adapter). Адаптер был монохромным и поддерживал только текстовый режим(80 столбцов на 25 строк), и не имел графических режимов.
Текстовые видеорежимы с таким количеством символов в строке и строк на экране были популярны. Для изображения символа использовалась матрица 9×14 пикселей, из которых видимая часть символа составлялась как 7×11, а оставшиеся пикселы использовались для формирования пустого пространства между строками и столбцами.
Первой видеокартой позволявший выводить на экран цветное изображение стала CGA(Color Graphics Adapter ), выпущенная фирмой IBM в 1982 году. Адаптер позволял работать в текстовом режиме отображая 16 цветов символов, либо в графическом, выводя четырехцветные изображения в низком (320 × 200 пикселей) разрешении. Режим высокого разрешения 640×200 пикселей был монохромным. В последующим развитие серии этой карты появился EGA( Enhanced Graphics Adapter ) — улучшенный графический адаптер, с расширенной до 64 цветов палитрой. Разрешение было увеличено до 640 × 350 пикселей.
В последующих разработках компьютеров от IBM PS/2 был разработан новый графический адаптер MCGA (Multicolor Graphics Adapter — многоцветный графический адаптер). Режим текстового вывода был значительно улучшен разрешение было поднято до 640 x 400 пикселей, что позволило использовать режим 80x50 при матрице 8x8, а для режима 80x25 использовать матрицу 8x16. Количество цветов получилось увеличить до 262144 цветов (64 уровня яркости по каждому цвету).
Для реализации обратной совместимости с предыдущим поколением адаптеров EGA в текстовых режимах была введена таблица цветов, с помощью которой выполнялось преобразование 64-цветного пространства EGA в цветовое пространство MCGA. Появился режим
320 x 200 x 256 пиксель, где каждый пиксель на экране кодировался соответствующим байтом в видеопамяти, никаких битовых плоскостей не было, соответственно с EGA осталась совместимость только по текстовым режимам, совместимость с CGA была полная. Из-за огромного количества яркостей основных цветов возникла необходимость использования уже аналогового цветового сигнала, частота строчной развёртки составляла уже 31,5 кГц.
Дальнейшее развитие адаптеров в этом направление, привило к появлению технологии VGA (Video Graphics Array — графический видео-массив), это расширение MCGA, совместимое с EGA и введённое в средних моделях PS/2. Это технология разработанная фирмой IBM стала фактически основным стандартом видеоадаптеров с конца 80-х годов. В новом типе адаптеров были улучшены уже имеющиеся режимы, текстовое разрешение было увеличено до 720 x 400 пикселей, для эмуляции MDA и графический режим был улучшен до 640 x 480 пикселей с доступом через битовые плоскости. Графический режим 640 x 480 пикселей был особенен тем, что в нём используется квадратный пиксель, то есть соотношение числа пикселей по горизонтали и вертикали совпадает со стандартным соотношением сторон экрана — 4:3.
В 1991 году было введено понятие SVGA (Super VGA — «сверх» VGA) — это доработанное решение адаптеров VGA с добавлением более высоких режимов и дополнительного сервиса, например, возможности поставить произвольную частоту кадров. Число одновременно отображаемых цветов увеличивается до 65 536 (High Color, 16 бит) и 16 777 216 (True Color, 24 бита), появляются дополнительные текстовые режимы.
Появление и последующее развитие графических адаптеров, реализуемые во многих операционных системах , стимулировал новый этап развития видеоадаптеров. Было сформулировано новое понятие графический ускоритель(graphics accelerator). Видеоадаптеры, которые производят выполнение некоторых графических функций на аппаратном уровне. К числу этих функций относятся: перемещение больших блоков изображения из одного участка экрана в другой (например, при перемещении окна), заливка участков изображения, рисование линий, дуг, шрифтов, поддержка аппаратного курсора и т. п. Прямым толчком к развитию столь специализированного устройства явилось то, что графический пользовательский интерфейс, несомненно, удобен, но его использование требует от центрального процессора немалых вычислительных ресурсов, и современный графический ускоритель как раз и призван снять с него львиную долю вычислений по окончательному выводу изображения на экран.
Основные элементы устройства видеокарты.
Графический процессор.
Графическое устройство которое занимается расчётами выводимого изображения. В старых моделях видеоадаптеров нагрузка от вычислений ложилась на центральный процесор. Новое поколение видеоадаптеров производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики внутри видеопроцессора. Графический процессор является основой графической платы, именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства.
Особенностью и основным существенным отличием GPU(графического процессора) от центрального процессора(CPU), является отличие архитектур по которым строится их работа. GPU обладает более большим количеством ядер и повышенной частотой работы по сравнению с CPU. Основная работа GPU строится на обработке файлов изображения скорость которой в несколько раз больше чем у того же CPU.
Видеоконтроллер.
Специализированная микросхема, являющаяся главным компонентом схемы формирования видеоизображения в компьютерах. До появления микросхем видеоконтроллеров схемы формирования изображения полностью строились на дискретной логике. К середине 1970-х годов ЭЛТ-дисплеи стали популярным устройством вывода информации для микрокомпьютеров, а развитие технологии производства микросхем позволило реализовать основную часть схемы формирования изображения в виде отдельной микросхемы. Видеоконтроллер всегда является главным элементом в схеме формирования изображения, но кроме него могут быть использованы ОЗУ(оперативно запоминающие устройство) для хранения изображения, ПЗУ(постоянное запоминающие устройство) для хранения графиков символов.
Видео-память ПЗУ.
Постоянное запоминающие устройство в котором храниться информация о BIOS видеокарты, шрифтах, таблицах и других данных позволяющих исправно работать видеокарте. В 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.
Видео-ОЗУ.
видеопамять выполняет функцию 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. Видеопамять бывает нескольких типов, различающихся по скорости доступа и рабочей частоте. Современные видеокарты комплектуются памятью типа DDR, GDDR2, GDDR3, GDDR4, GDDR5, GDDR6 и HBM. Следует также иметь в виду, что, помимо видеопамяти, находящейся на видеокарте, современные графические процессоры обычно используют в своей работе часть общей системной памяти компьютера, прямой доступ к которой организуется драйвером видеоадаптера через шину AGP или PCIE.
Разъемы вывода видеосигнала.
Видеокарты более ранних поколений оснащались разъемами D-Sub. Это 9-ти контактный разъём применяемый в компьютерной технике. Своё название разъём получил из-за характерной формы в виде буквы «D», однозначно ориентирующей разъёмы в правильное положение при подключении. Изредка на первых видеокартах можно было увидеть коаксиальный разъём типа Composite Video который позволял выводить черно-белое изображение на телевизионный приемник, монитор(оснащенный НЧ-сигналов).
Более поздние видеокарты оснащались разъемами VGA. Изредка ранние версии VGA-адаптеров имели также разъём предыдущего поколения (9-контактный) для совместимости со старыми мониторами. Выбор рабочего выхода задавался переключателями на плате видеоадаптера.
Современные видеокарты оснащаются разъемами DVI или HDMI, либо DisplayPort в количестве от одного до трёх. Порты DVI и HDMI являются эволюционными стадиями развития стандарта передачи видеосигнала, поэтому для соединения устройств с этими типами портов возможно использование переходников (разъём DVI к гнезду D-Sub — аналоговый сигнал, разъём HDMI к гнезду DVI-D. Порт DVI-I также включает аналоговые сигналы, позволяющие подключить монитор через переходник на старый разъём D-SUB (DVI-D не позволяет этого сделать).
Система охлаждения.
Система охлаждения предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и (зачастую) видеопамяти в допустимых пределах. В спецификации видеокарты разработчик предусматривает возможности её кастомизации для производителей. Например, производители могут выбирать ёмкость и тип конденсаторов (POSCAP, SP-CAP, MLCC). Недостаточное тестирование или использование более дешевых компонентов может приводить к нестабильной работе видеокарт.
Видеокарты для компьютеров существуют в одном из двух размеров. Некоторые видеокарты нестандартного размера, и, таким образом, классифицированы как низкопрофильные. Профили видеокарт основаны только на ширине, низкопрофильные карты занимают меньше ширины щели PCIe. Длина и толщина может сильно варьироваться, с высокого класса карты, как правило, занимающего два или три слота расширения, до двухчиповой карты как Nvidia GeForce GTX 690 как правило, превышающей 10 дюймов в длину.
Интерфейс передачи данных.
Одной из проблем быстродействия видеокарты, это интерфейс через который она подключается. Как бы быстр не был процессор видеоадаптера, большая часть его возможностей останется не задействована если не будет обеспечен соответствующий канал передачи данных для обмена данными между процесором, оперативной памятью видеоустройствами. Основным каналом передачи данных является, конечно, интерфейсная шина материнской платы, через которую обеспечивается обмен данными с центральным процессором и оперативной памятью.
Первой шиной, использовавшейся в IBM PC, была XT-Bus, она имела разрядность 8 бит данных и 20 бит адреса и работала на частоте 4,77 МГц . Позже появилась шина ISA (Industry Standart Architecture — архитектура промышленного стандарта), она имела разрядность 8/16 бит и работала на частоте 8 МГц. Пиковая пропускная способность составляла чуть больше 5,5 МиБ/с. Этого более чем хватало для отображения текстовой информации и игр с 16-цветной графикой.
Типы систем охлаждения видеокарт.
В работе видеокарты происходит большое потреблением электроэнергии и с последующим выделением тепла на вычислительных узлах платы. В ходе большого и длительного перегрева, могут возникнуть сбои в работоспособности оборудования, влоть до полного выхода его из строя. Для уменьшения нагрева и снижения шанса перегрева, было принято решения разработки систем охлаждения.
Пассивная систем охлаждения.
Принцип работы заключается в непосредственной передаче тепла от нагревающегося компонента на радиатор за счёт теплопроводности материала или с помощью тепловых трубок. Радиатор излучает тепло в окружающее пространство тепловым излучением и передаёт тепло теплопроводностью окружающему воздуху, что вызывает естественную конвекцию окружающего воздуха. Для увеличения излучаемого радиатором тепла применяют чернение поверхности радиатора.
Наиболее распространенный тип систем охлаждения в настоящее время. Отличается высокой универсальностью — радиаторы устанавливаются на большинство компьютерных компонентов с высоким тепловыделением. Эффективность охлаждения зависит от эффективной площади рассеивания тепла радиатора, температуры и скорости проходящего через него воздушного потока.
Основным материалом при изготовление пассивных систем охлаждения является медь и алюминий. Эти два элемента обладают хорошими показателями теплопроводности. В последнее время все большую популярность обретает алюминий, за счет своей удельной плотности при изготовление из него продукции, а так же меньшей стоимости чем медь.
Активная система охлаждения.
Основными элементами таких систем являются вентиляторы. При этом во многих случаях устанавливаемые совместно с элементами пассивного охлаждения, таким образом осуществляя отток горячего воздуха из системы. На корпус видеокарты производитель устанавливает от 1 до 4 вентиляторов, при этом они могут быть как одного так и разного диметра.
На этом всё! Спасибо за ваше внимание!
Надеюсь статья помогла узнать новое для вас!
С вами был Эрудит_Бунворог, до скорой встречи!
#история появления #видеокарта #компьютерная графика #технологии #технические характеристики
