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显卡工作原理 作者：Tracy V. Wilson and Jeff Tyson（本文为博闻网版权所有, 未经许可禁止以任何形式转载或使用。违者必究。） 推荐到：本文包括：1. 1.引言 2. 2.显卡的基本原理 3. 3.处理器和显存 4. 4.显卡输入和输出 5. 5.什么样的是好显卡？ 6. 6.了解更多信息 7. 7.阅读所有硬件类文章显卡工作原理显卡，又称显示卡、显示适配器，它是计算机运行的重要部件；显卡负责将 CPU 传输的影像资料处理成显示器可以识别的格式，再发送到显示屏上形成影像。显卡的性能直接关系到电脑显示性能的好坏及图像表现力的优劣等，对于那些专业的图像处理工作，计算机对显卡的要求更高。显卡的运行非常复杂，但其工作原理和部件很容易理解。在本文中，我们先来了解显卡的基本部件和它们的作用。此外，我们还将考察那些共同发挥作用以使显卡能够快速、高效工作的因素。我们在监视器上看到的图像是由很多个小点组成的，这些小点称为“像素”。在最常用的分辨率设置下，屏幕显示一百多万个像素，电脑必须决定如何处理每个像素，以便生成图像。为此，它需要一位“翻译”，负责从CPU获得二进制数据，然后将这些数据转换成人眼可以看到的图像。除非电脑的主板内置了图形功能，否则这一转换是在显卡上进行的。 显卡的工作非常复杂，但其原理和部件很容易理解。在本文中，我们将了解显卡的基本部件和它们的作用。此外，我们还将考察那些共同发挥作用以使显卡能够快速、高效工作的因素。 显卡生成一幅线框图像，然后进行填充并添加纹理和阴影。我们可以把电脑想像成一家拥有独立美工部门的公司。当公司员工需要一件美术品时，便向美工部门提出申请。美工部门决定如何创作图像，然后在图纸上绘制出来。最终结果是，某人的想法变成真实而可见的图像。 HowStuffWorks Shopper 供图显卡的主要部件是:主板连接设备、监视器连接设备、处理器和内存。不同显卡的工作原理基本相同。CPU与软件应用程序协同工作，以便将有关图像的信息发送到显卡。显卡决定如何使用屏幕上的像素来生成图像。之后，它通过线缆将这些信息发送到监视器。 显卡处理图像数据的过程1、 CPU 显卡 CPU将有关作图的指令和数据通过总线传送给显卡。对于现代显卡，由于需要传送大量的图像数据，因而显卡接口在不断改进，从最早的ISA接口到PCI、流行的AGP接口，以及正在普及的PCI-E接口，其数据吞吐能力不断增强。 2、 显卡内部图像处理 GPU根据CPU的要求，完成图像处理过程，并将最终图像数据保存在显存中。 3、 最终图像输出 对于普通显卡 ，RAMDAC从显存中读取图像数据，转换成模拟信号传送给显示器。 对于具有数字输出接口的显卡，则直接将数据传递给数字显示器。 显卡的演变自从IBM于1981年推出第一块显卡以来，显卡已经有了很大改进。第一块显卡称为单色显示适配器（MDA），只能在黑色屏幕上显示绿色或白色文本。而现在，新型显卡的最低标准是视频图形阵列（VGA），它能显示256种颜色。通过像量子扩展图矩阵 （Quantum Extended Graphics Array, QXGA）这样的高性能标准，显卡可以在最高达2040x1536像素的分辨率下显示数百万种颜色。在2D时代向3D时代推进的过程中，有一款不能忽略的显卡就是Trident8900/9000显卡，它第一次使显卡成为一个独立的配件出现在电脑里，而不再是集成的一块芯片。而后其推出Trident9685更是第一代3D显卡的代表。不过真正称得上开启3D显卡大门的却应该是GLINT300SX， 虽然其3D功能极其简单，但却具有里程碑的意义。 根据二进制数据生成图像是一个很费力的过程。为了生成三维图像，显卡首先要用直线创建一个线框。然后，它对图像进行光栅化处理（填充剩余的像素）。此外，显卡还需添加明暗光线、纹理和颜色。对于快节奏的游戏，电脑每秒钟必须执行此过程约60次。如果没有显卡来执行必要的计算，则电脑将无法承担如此大的工作负荷。 每一块显示卡基本上都是由“显示主芯片”，“显示缓存”（简称显存），“BIOS”，数字模拟轉换器（RAMDAC），“显卡的接口”以及卡上的电容、电阻等组成。多功能显卡还配备了视频输出以及输入，供特殊需要。随著技术的发展，目前大多数显卡都将RAMDAC集成到了主芯片了。 显卡使用五个主要部件来完成此任务： 图形处理单元（GPU） 显卡BIOS 显示缓存（简称显存） 数字模拟轉换器（RAMDAC） 输出（显卡接口）下一节，您将了解到显卡的核心：图形处理器（GPU），请继续阅读。像主板一样，显卡也是装有处理器和RAM的印刷电路板。此外，它还具有输入/输出系统（BIOS）芯片，该芯片用于存储显卡的设置以及在启动时对内存、输入和输出执行诊断。显卡的处理器称为图形处理单元（GPU），它与电脑的CPU类似。但是，GPU是专为执行复杂的数学和几何计算而设计的，这些计算是图形渲染所必需的。某些最快速的GPU所具有的晶体管数甚至超过了普通CPU。GPU会产生大量热量，所以它的上方通常安装有散热器或风扇。由于在现代的计算机中（特别是家用系统，游戏的发烧友）图形的处理变得越来越重要，需要一个专门的图形的核心处理器，GPU便应运而生。GPU全称是Graphic Processing Unit，由NVIDIA公司在发布GeForce 256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。HowStuffWorks Shopper 供图散热器或风扇可以防止显卡的处理器过热。除了其处理能力以外，GPU还使用特殊的程序设计来帮助自己分析和使用数据。市场上的绝大多数GPU都是冶天和英伟达生产的，并且这两家公司都开发出了自己的GPU性能增强功能。为了提高图像质量，这些处理器使用以下技术： 全景抗锯齿（FSAA），它能让三维物体的边缘变得平滑 各向异性过滤（AF），它能使图像看上去更加鲜明 集成显卡许多主板都具有集成图形功能，而无需独立的显卡。这些主板能轻松地处理二维图像，因而能够提高工作效率，并且非常适合于互联网应用环境。如果在一块这样的主板上插入独立的显卡，则会覆盖板载图形功能。 上述每家公司还都另行开发出特定的技术，以帮助GPU应用颜色、阴影、纹理和图案。现在国内很多很火的游戏都是基于GPU计算开发的，而诸如地质勘探、生物科学、流体力学、金融建模、医疗成像等新兴应用领域，也都开始利用GPU强大的并行处理能力。现在世界上最主流的两种操作系统，即微软和苹果的OS都已经内置了GPU计算。微软最新发布的Windows 7第一次内置GPU计算，获得了明显的效能提升：第一是更快，大家最关心操作系统的速度问题，Win 7内置的GPU可以调动CPU的计算功能，所以它的处理速度很快；第二是整合了GPU的新功能，使Win 7无需第三方软件就可以实现多种媒体功能；第三是“真”，用户玩游戏时可以享受到三维立体效果，这些应用都是因为调动了GPU计算的加速功能才得以实现。而苹果最新的Mac OS X10.6 Snow Leopard(雪豹)操作系统，也通过OpenCL(Open Computing Language)支持GPU通用计算加速。OpenCL是由苹果公司发起，业界众多著名厂商共同制作的，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，能够让操作系统更好地利用GPU的性能。现在，GPU的快速发展演生出了一系列新的技术手段，比如NAVIDA公司所率先倡导的物理加速引擎技术，已经应用于计算机显卡当中，使不少游戏玩家享受到了更强大的三维立体显示功能。GPU在生成图像时，需要有个地方能存放信息和已完成的图像。这正是显卡RAM的用途所在，它用于存储有关每个像素的数据、每个像素的颜色及其在屏幕上的位置。有一部分RAM还可以起到帧缓冲器的作用，这意味着它将保存已完成的图像，直到显示它们。通常，显卡RAM以非常高的速度运行，且采取双端口设计，这意味着系统可以同时对其进行读取和写入操作。图形核心的性能愈强，需要的显存也就越多。以前的显存主要是SDR的，容量也不大。市面上的显卡大部分采用的是GDDR3显存，现在最新的显卡则采用了性能更为出色的GDDR4或GDDR5显存。显存的容量从128M到4G不等，但实际上一般的PC很少有超过1G的，其有效时钟频率从400HZ到3.8GHZ不等。显存也可以用于存储其他数据和屏幕图像，比如Z缓冲 ，它可以在电脑对物件进行着色时，执行“隐藏面消除”工作的一项技术，所以隐藏物件背后的部分就不会被显示出来。在3D环 境中每个像素中会利用一组数据资料来定义像素在显示时的纵深度（即Z轴座标值）。Z 缓存所用的位数越高，则代表该显示卡所提供的物件纵深感也越精确。显存直接连接到数模转换器，即DAC。这个转换器也称为RAMDAC，用于将图像转换成监视器可以使用的模拟信号。有些显卡具有多个RAMDAC，这可以提高性能及支持多台监视器。物理加速引擎NVIDIA PhysX是一种功能强大的物理加速引擎，可在顶级PC和游戏中实现实时的物理学计算。 PhysX软件被广泛应用于150多个游戏中，软件注册用户数量已超过10000名。索尼的Playstation 3、微软的Xbox 360、任天堂的Wii以及个人计算机均支持PhysX。 PhysX能利用具备数百个内核的强大处理器来进行硬件加速，加上GPU超强的并行处理能力，将使物理加速处理能力呈指数倍增长并将游戏体验提升至全新的水平，呈现丰富多彩、身临其境的物理学游戏环境。特色如下： 逼真表现爆炸引起的烟尘和随之产生的碎片 复杂、连贯的几何学计算使人物的动作和互动更加逼真 其视觉效果令人叹为观止的全新武器 布纹的编织和撕裂效果非常自然 运动物体周围烟雾翻腾RAMDAC通过线缆将最终图像发送到监视器。在下一节中，我们将考察该连接设备和其他接口。 显卡通过主板连接到电脑。主板为显卡供电，并使其可以与CPU通信。对于较新的显卡，主板所提供的电能往往不足，所以显卡还直接连接到电脑的电源。 与主板的连接通常是借助以下三种接口之一来实现的： 外设部件互连 （PCI） 高级图形端口 （AGP） PCI Express （PCIe） 在这三种接口中，PCI Express是最新型的接口，它能在显卡和主板之间提供最快的传输速率。此外，PCIe还支持在一台电脑中使用两块显卡。大多数显卡都具有两个监视器连接设备。通常，其中一个是支持LCD屏幕的DVI连接器，另一个是支持CRT屏幕的VGA连接器。有些显卡配备的是两个DVI连接器。但这并不意味着无法使用CRT屏幕；CRT屏幕可以通过适配器连接到DVI端口。大多数人仅使用他们具有的两种监视器连接设备中的一种。需要使用两台监视器的用户可以购买具有双头输出功能的显卡，它能将画面分割并显示到两个屏幕上。理论上，如果电脑配有两块具有双头输出功能且提供PCIe接口的显卡，则它能够支持四台监视器。HowStuffWorks Shopper供图这块Radeon X800XL显卡具有DVI、VGA和ViVo连接设备。除了用于主板和监视器的连接设备以外，有些显卡还具有用于以下用途的连接设备： 电视显示：电视输出或S-Video 模拟摄像机：ViVo（视频输入/视频输出） 数码相机：火线或USB 有些显卡还自带了电视调谐器。对于高清显示设备而言，其高清接口一般有DVI、色差及HDMI三种。 如果显卡只有DVI接口，而液晶显示器、液晶电视也提供了DVI接口，此时可以通过DVI线进行数字视频传输，DVI（即Digital Visual Interface）是一种纯数字视频连接标准，用来将数字代码信息流从机顶盒或计算机传送至视频显示器。对于PC用户而言，由于主流液晶显示器和PCI-E显卡都具有DVI接口，只要使用DVI连线将显卡与显示器连接，不用任何设置即可进行数字信号的传输，从而使用台式机来观看高清电影。如果用户觉得液晶显示器的屏幕太小，可以使用大屏幕液晶电视来显示高清电影，而液晶电视具有DVI接口的话，就可以像直接使用DVI线缆进行高清电影传输了。 值得一提的是，目前大多数液晶电视都没有提供DVI接口，而仅仅提供了HDMI或色差端子接口，如果用户的电脑只有DVI接口，此时需要使用DVI线缆传输高清视频，就必须使用视频转接的方法来实现，譬如使用HDMI转DVI转接头或色差端子转DVI转接头，以HDMI转DVI转接头为例，首先将转接头的HDMI端插入液晶电视的HDMI接口，然后将另一端与DVI线缆连接，最后将DVI线缆接入显卡的DVI接口即可。 接下来，我们将考察对显卡的速度和效率有影响的因素。 DirectX和Open GLDirectX和Open GL都是应用程序编程接口，简称API。API提供用于复杂任务（例如三维渲染）的指令，以此帮助软硬件更高效地通信。开发人员针对特定的API来优化大量使用图形的游戏。这就是最新的游戏通常需要DirectX或Open GL的更新版才能正确运行的原因。 API不同于驱动程序。驱动程序是使硬件可以与电脑的操作系统进行通信的程序。但如同更新版的API一样，更新版的设备驱动程序可以帮助程序正确运行。 顶级显卡很容易辨认，它应该具有大量内存和速度很快的处理器。此外，与其他任何要安装到电脑机箱中的部件相比，它通常是最令人关注的。很多高性能显卡都声称需要或直接配备了外形夸张的风扇或散热器。但高端显卡提供的功能超出了大多数人的真实需要。对于主要使用电脑来收发电子邮件、从事文字处理或上网冲浪的用户来说，带有集成显卡的主板便能够提供所有必要的图形功能。对于大多数偶尔玩游戏的用户来说，中端显卡已经足以满足需要。只有游戏迷和那些需要完成大量三维图形工作的用户才需要高端显卡。随着电脑技术的飞速发展，与显卡相关的新技术也层出不穷。下面我们将介绍几项显卡最新技术，作为用户选购显卡时的参考。1. 显卡交火技术：所谓显卡交火技术，简单地说就是多显卡协同工作技术。要实现多显卡技术，一般来说需要主板芯片组、显示芯片以及驱动程序这3者的支持。多显卡技术的出现，是为了有效解决日益增长的图形处理需求和现有显示芯片图形处理能力不足的矛盾。2. DirectX 10：DirectX并不是一个单纯的图形API，它是由微软公司开发的用途广泛的API，提供了一整套的多媒体接口方案。DirectX开发之初是为了弥补Windows 3.1系统对图形、声音处理能力的不足，如今已发展成对整个多媒体系统各个方面都有决定性影响的接口。3.HDMI技术：HDMI的中文名称是高清晰多媒体接口，使用该接口可以将显卡与显示器相连接。HDMI能高品质地传输未经压缩的高清视频和多声道音频数据。4. 热管散热技术：热管散热是目前中高端主流显卡普遍采用的一种散热方式。热管散热能力已远远超过任何已知金属的导