显卡的硬件知识

初识计算机硬件系统——显卡的硬件知识主讲：刘亚琦《办公自动化》PC机或者计算机的显示系统主要包括两个部分——显卡和显示器。CPU处理计算机内部所有的数据后最终都要通过这两个设备由显示系统输出才能呈现在使用着眼前，实现人机对话。显示系统在需要多点或大面积输出的特殊的场合还包括投影机、分屏器、电视墙等，在移动互联设备中显示系统比较强调显示屏的性能。但显卡和显示器仍然包含着显示系统最基础的原理和结构。图5-1显卡与显示器的连接5.1显卡显卡又叫做显示卡、绘图卡、图形卡或者适配器，是计算机中进行图像渲染与视频数字转换为模拟信号的设备。对于喜欢玩游戏和从事专业图形设计的人来说显卡非常重要。1.按是否与主板集成，可分为集成显卡与独立显卡。集成显卡是在主板上集成了显示芯片GPU，使用这种芯片组的主板就可以不需要独立显卡实现普通的显示功能，满足一般的家庭娱乐和商业应用，节省用户购买显卡的开支。独立显卡是指成独立的板卡存在，是将显示芯片与显存单独的做在一个PCB板上，需要插在主板的相应接口上的显卡。独立显卡具备单独的显存，不占用系统内存，而且技术上领先于集成显卡，能够提供更好的显示效果和运行性能。独立显卡显卡作为电脑主机里的一个重要组成部分，对于喜欢玩游戏和从事专业图形设计的人来说显得非常重要。2.按照显示芯片的厂家分类，可将显卡分为A卡和N卡。目前民用显示芯片有两大领军制造商——ATI（已被AMD收购）和nVIDIA。采用这两家的显示芯片生产出的显卡就被相应的称为A卡和N卡。但是生产显卡的厂家却有很多，如七彩虹、蓝宝石、技嘉、华硕、影驰等等。

5.1.1显卡的分类5.1.2显卡的结构图5-2显卡结构图

1.GPU（类似于主板的CPU）全称是GraphicProcessingUnit，中文翻译为"图形处理器"。NVIDIA公司在发布GeForce256图形处理芯片时首先提出的概念。GPU使显卡减少了对CPU的依赖，并进行部分原本CPU的工作，尤其是在3D图形处理时。GPU所采用的核心技术有硬件T&L(几何转换和光照处理)、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等，而硬件T&L技术可以说是GPU的标志。GPU的生产主要由nVidia与ATI两家厂商生产。图形处理器可以集成在显卡上，或者直接集成到主板和CPU中。现在，90%以上的新型台式电脑和笔记本型电脑拥有集成图形处理器，AMD推出了带有显示核心的CPU——APU，Intel则在i系列CPU中集成了显示核心。但是这些集成显示设备在性能上往往低于那些独立显卡。当前GPU已经不再局限于3D图形处理了，GPU通用计算技术发展已经被用于专门的计算工作中，在浮点运算、并行计算等部分计算方面，GPU可以提供数十倍乃至于上百倍于CPU的性能。密码破译机等设备往往配备个显示核心。GPU也有类似于CPU指令集的编程语言和程序，叫做叫做应用程序编程接口。通用计算方面的标准目前有OPENCL、CUDA、ATISTREAM。其中，OpenCL(全称OpenComputingLanguage，开放运算语言)是第一个面向异构系统通用目的并行编程的开放式、免费标准，也是一个统一的编程环境，便于软件开发人员为高性能计算服务器、桌面计算系统、手持设备编写高效轻便的代码，而且广泛适用于多核心处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、Cell类型架构以及数字信号处理器(DSP)等其他并行处理器，在游戏、娱乐、科研、医疗等各种领域都有广阔的发展前景，AMD-ATI、NVIDIA现在的产品都支持OPENCL。2.显存（类似于主板的内存）显存也被叫做显示内存、帧缓存，它是用来存储显示芯片处理过或者即将读取的渲染数据。如同计算机的内存一样，显存是用来存储图形数据的硬件。在显示器上显示出的画面是由一个个的像素点构成的，而每个像素点都以4至64位的数据来控制它的亮度和色彩，这些点构成一帧的图形画面。为了保持画面流畅，要输出和要处理的多幅帧的像素数据必须通过显存来保存，达到缓冲效果，再交由显示芯片和CPU调配，最后把运算结果转化为图形输出到显示器上。当前的显卡已全面采用512MB或1024MB甚至更高的GDDR5类型的显存。显示图像的分辨率与显存容量有很大关系，使用高分辨率和开启全屏抗锯齿、各向异性过滤、物理效果模拟、多边形顶点数据运算、海量三维函数运算等高级画面效果后，计算速度较慢的显示芯片需要更多的显存空间才能流畅显示。早期显卡的显存容量只具有512KB、1MB、2MB等极小容量时，显存容量成为最大分辨率的一个瓶颈；但目前主流显卡已经淘汰256MB的显存容量，主流中低端级显卡的显存容量是512MB或1024MB，某些高端显卡甚至已经具有2GB或4GB的显存，在这样的情况下，显存容量已经不再是影响最大分辨率的因素。3.总线接口这里指的是独立显卡的总线接口，接口类型是指显卡与主板连接所采用的接口种类。显卡的接口决定着显卡与系统之间数据传输的最大带宽，也就是周期内所能传输的最大数据量。不同的接口能为显卡带来不同的性能，而且也决定着主板是否能够使用此显卡。只有在主板上有相应接口的情况下，显卡才能使用。在经历了PCI接口、AGP接口后，显卡总线接口现已全面进入PCI-E接口时代。PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到133MB/s(33MHz*32bit/s)，基本上满足了当时处理器的发展需要。随着对更高性能的要求，1993年又提出了64bit的PCI总线，后来又提出把PCI总线的频率提升到66MHz。PCI接口的速率最高只有266MB/S，1998年之后便被AGP接口代替。AGP(AccelerateGraphicalPort，加速图像处理端口)接口是Intel公司开发的一个视频接口技术标准，是为了解决PCI总线的低带宽而开发的接口技术。它通过将图形卡与系统主内存连接起来，在CPU和图形处理器之间直接开辟了更快的总线。其发展经历了AGP1.0(AGP1X/2X)、AGP2.0(AGP4X)、AGP3.0(AGP8X)。最新的AGP8X其理论带宽为2.1Gbit/秒。到2009年，已经被PCI-E接口基本取代（2006年大部分厂家已经停止生产）。PCIExpress是新一代的总线接口，而采用此类接口的显卡产品，已经在2004年正式面世。PCIExpress的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括X1、X4、X8以及X16（X2模式将用于内部接口而非插槽模式）。较短的PCIExpress卡可以插入较长的PCIExpress插槽中使用。PCIExpress接口能够支持热拔插，这也是个不小的飞跃。PCIExpress卡支持的三种电压分别为+3.3V、3.3Vaux以及+12V。用于取代AGP接口的PCIExpress接口位宽为X16，将能够提供5GB/s的带宽，即便有编码上的损耗但仍能够提供约为4GB/s左右的实际带宽，远远超过AGP8X的2.1GB/s的带宽。图5-3三种类型的显卡总线接口4.显卡bios（类似于主板的bios）显卡BIOS主要用于存放显示芯片与驱动程序之间的控制程序，另外还存有显示卡的型号、规格、生产厂家及出厂时间等信息。打开计算机时，通过显示BIOS内的一段控制程序，将这些信息反馈到屏幕上。早期显示BIOS是固化在ROM中的，不可以修改，而现在的多数显示卡则采用了大容量的EPROM，即所谓的FlashBIOS，可以通过专用的程序进行改写或升级。5.RAMDAC数模转换单元RAMDAC(RandomAccessMemoryDigital-to-AnalogConverter随机数模转换记忆体)。其作用是把数字图像数据转换成计算机显示器需要的模拟数据。显示器收到的是RAMDAC处理过后的模拟型号。由于RAMDAC是一块单项不可逆电路，故经过RAMDAC处理过后的模拟信号不可能再被转换成数字信号。计算机中处理数据都是将所有的事物变化成0和1两个数，然后不断的进行累加而计算出来的，图形加速卡也是靠这些0和1对每一个象素进行颜色、深度、亮度等各种处理。但是要想显示出来就比较难了，因为人们所使用的显示器可全部都是以模拟方式工作的，所以这就需要D/A转换器，RAMDAC的作用正是如此，它将图形加速芯片处理后的数据从数字方式转换为模拟方式，这样显示器才可以显示出图像。不过如今RAMDAC早已不是显卡中的重点，而且今后其地位也将越来越低。随着LCD显示器的普及，用户渴望使用DVI数字接口，此时显卡传输的数据信号将由专业的芯片或是GPU内部的TMDS电路来实现，对于RAMDAC转换速率已经没有要求。即便是采用D-Sub接口的LCD显示器，由于刷新率在60Hz时就已经能够满足用户的需求，因此也并未随着分辨率的提高而对RAMDAC转换速率提出更高的要求。6.显卡PCB板（类似于主板）就是显卡的电路板，它把显卡上的其它部件连接起来。功能类似主板。7.散热机构包括GPU的风扇、散热片。中高端的显卡的散热机构制作精良，面积几乎占据了显卡的大部分或者全部。8.输出接口显卡提供的输出接口常见的主要有VGA（VideoGraphicsArray）、DVI、HDMI、DP四种，如下图所示。除了这四种之外还有S-Video口等。图5-4常见显卡视频信号输出接口（1）VGA接口视频图形阵列（英语：VideoGraphicsArray，简称VGA）也叫D-Sub接口，是15针的梯形插头，分成3排，每排5个，传输模拟信号。VGA接口采用非对称分布的15针连接方式，其工作原理：是将显存内以数字格式存储的图像（帧）信号在RAMDAC里经过模拟调制成模拟高频信号，然后再输出到显示设备成像。这个标准已对于现今的个人电脑市场已经十分过时。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同支持的一个标准，个人电脑在加载自己的独特驱动程序之前，都必须支持VGA的标准。例如，微软Windows系列产品的开机画面仍然使用VGA显示模式，这也说明其分辨率和载色数的不足。图5-5是VGA接口和其信号线：图5-5VGA数据线和显卡上的VGA接口（2）DVI接口DVI的英文全名为DigitalVisualInterface，中文称为“数字视频接口”。是一种视频接口标准，设计的目标是通过数字化的传送来强化个人电脑显示屏的画面品质。目前广泛应用于LCD、数字投影机等显示设备上。此标准由显示业界数家领导厂商所组成的论坛：“数字显示工作小组”（DigitalDisplayWorkingGroup，DDWG）制订。DVI接口可以传送未压缩的数字视频数据到显示设备。本规格部分兼容于HDMI标准。DVI又分为DVI-A、DVI-D和DVI-I三种不同的接口形式。DVI-D只有数字接口，DVI-A为模拟信号接口，DVI-I有数字和模拟接口，目前应用主要以DVI-D为主。三种接口的针数是不同的。图5-6DVI-D24+1针（3）HDMI接口DVI标准在数字多媒体整个行业发展中逐渐显示出不足，包括如下几个方面：DVI接口考虑的对象是PC，对于平板电视的兼容能力一般。*DVI接口对影像版权保护缺乏支持。*DVI接口只支持8bit的RGB信号传输，不能让广色域的显示终端发挥最佳性能。*DVI接口预留了不少引脚以支持模拟设备，造成接口体积较大，效率很低。*DVI接口只能传输图像信号，对于数字音频信号的支持完全没有考虑。接替DVI的下一代接口标准就是“高清晰度多媒体接口（英语：HighDefinitionMultimediaInterface，简称HDMI）”，这一种全数字化图像和声音传送接口，可以传送无压缩的音频信号及视频信号。HDMI可用于机顶盒、DVD播放机、个人电脑、电视游乐器、综合扩大机、数字音响与电视机。HDMI可以同时传送音频和影音信号，由于音频和视频信号采用同一条电缆，大大简化了系统的安装。该接口最高数据传输速度为625MB/s，同DVI-D一样无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换。HDMI可搭配宽带数字内容保护（HDCP），以防止具有著作权的影音内容遭到未经授权的复制。HDMI所具备的额外空间可应用在日后升级的音视频格式中。而因为一个1080p的视频和一个8声道的音频信号需求少于500MB/s，因此HDMI还有很大余量。5.1.3显卡的工作原理数据(data)一旦离开CPU，必须通过4个步骤，最后才会到达显示屏：1、从总线