第5章 显示卡.ppt

第5章显示卡 显示卡简称显卡 又称为视频卡 视频适配器 图形卡 图形适配器或显示适配器等 显示卡工作在主板与显示器之间 其基本作用是控制图像的输出 负责把CPU送来的图像数据处理成显示器接收的格式 再送到显示器形成图像 目前 显示卡已经成为继CPU之后发展最快的部件 微机的图像性能已经成为决定微机整体性能的一个重要因素 5 1显示卡的分类 结构 工作原理和主要参数 5 1 1显示卡的分类1 按显示卡的应用领域分类显示卡的应用领域可分为两大类 一类是普通家庭用户 游戏发烧友和商业用户 另一类是专业图形工作者 因此 显示卡也就分为普通显示卡和专业显示卡 2 按显示卡的总线接口类型分类总线接口类型是指显示卡与主板连接所采用的总线接口种类 不同的接口能为显示卡带来不同的性能 而且也决定着主板是否能够使用此显示卡 显示卡发展至今主要经历了ISA EISA VESA PCI AGP PCIExpress等几种接口 现在常见的是PCI接口 如图5 1所示 AGP接口 如图5 2所示 和PCIExpress 16接口 如图5 3所示 3 按显示卡的标准分类根据显示卡的标准 显示卡一共经历了4代 MDA CGA EGA VGA SVGA 目前几乎所有显示卡都满足SVGA接口标准 4 按显示卡的2D 3D加速功能分类2D图形加速卡拥有自己的图形函数加速器和显存 并且都是专门用来执行图形加速任务的 因此大大减少了CPU必须处理的图形函数 由于它们只能处理二维图形 因此又叫2D显示卡或2D图形加速卡 3D显示卡具备一些3D处理能力 它大大解放了CPU 为提高图形质量提供了条件 3D加速芯片已经经历了5代 新一代3D加速芯片采用了大量的新技术 其强大的浮点运算能力承担起了以前由CPU完成的几何转换和光源计算 因此显示芯片被称为GPU GraphicsProcessingUnit 5 按显示芯片分类就像主板控制芯片组代表主板的档次和性能一样 显示芯片决定了显示卡的性能和档次 目前 芯片制造商主要有NVIDIA AMD ATI SIS VIA S3 等 目前主流的显示芯片有AMD ATI的AMDRadeonHD3800系列和NVIDIA的Geforce8800系列等 6 按是否是整合芯片分类带有显示卡功能的主板称为集成主板 Allinone 由于其价格低 兼容性好等特点 在低端市场 集成主板成为发展的一种主流 集成显示卡一般集成在主板的北桥芯片中 也有采用单片芯片的 常见的集成芯片组有IntelG33芯片组集成了GMA3100显示核心 NVIDIAMCP73芯片组集成了GeForce7150显示核心 AMD690G集成ATIRadeonX1250显示核心 5 1 2显示卡的结构显示卡的主要部件有显示芯片 显示内存 VGA插座 S Video端子 DVI插座等 现在主流的显示卡由于运算速度快 发热量大 需要在显示芯片上安装一个散热风扇 有的是散热片 在显示卡上有一个2芯或3芯插座为其供电 如图5 4所示是一块PCIExpress 16显示卡的结构图 已经去掉散热器 1 显示芯片显示芯片又叫GPU GraphicProcessingUnit 图形处理单元或图形处理器 是显示卡的核心芯片 它的性能直接决定了显示卡的性能 它的主要任务是把通过总线传输过来的显示数据在GPU中进行构建 渲染等工作 最后通过显示卡的输出接口显示在屏幕上 2 显示内存与主板上的主存功能一样 显示卡缓冲存储器又称为显示内存 VideoRAM 简称显存 也是用于存放数据的 只不过它存放的是显示芯片处理后的数据 在屏幕上看到的图像数据都存放在显示内存中 3 显示卡BIOS显示卡BIOS又称VGABIOS 主要用于存放显示芯片与驱动程序之间的控制程序 还存放显示卡型号 规格 生产厂家 出厂时间等信息 启动微机时 在屏幕上首先显示BIOS的内容 前几年生产的显示卡的BIOS芯片大小与主板BIOS一样 如图5 6所示 4 总线接口目前显示卡总线接口主要是PCI AGP和PCIExpress 16接口 5 输出接口显示卡把处理好的图像数据通过输出接口与显示设备连接 最常见的输出接口是VGA和DVI接口 1 VGA VideoGraphicsArray 视频图形阵列 接口VGA接口是一个有15个插孔的D形插座 称为D SUB模拟接口 VGA插座的插孔分为3排 每排5个孔 VGA插座是显示卡的输出接口 与显示器的D形插头相连 用于模拟信号的输出 VGA插座的外观如图5 8所示 2 DVI DigitalVisualInterface 数字视频接口 DVI接口使用3行8列共24个引脚 用于连接LCD等数字显示器 3 S Video SeparateVideo 端子显示卡通过S Video端子 简称S端子 向电视机 或监视器 输出显示信号 S端子的5个插孔呈半圆分布 与电视机上的S端子完全相同 其外观如图5 8所示 4 HDMI HighDefinitionMultimediaInterFace 高清晰多媒体接口 最新的主板和显示卡上已经开始配备HDMI接口插座 如图5 9所示 5 1 3显示卡的基本工作原理显示卡的工作原理比较复杂 如图5 10所示是显卡进行工作处理的全过程 首先由CPU向图形处理器发布指令 当图形处理器处理完成后 将数据传输至显示缓存 显示缓存读取数据后将数据传送至GPU 然后经GPU处理后输出 5 1 4显示卡的主要参数1 显示芯片显示芯片也就是GPU 主要负责处理视频信息和3D渲染 GPU决定显示卡的性能 1 芯片厂商研发显卡芯片的厂商主要有NVIDIA ATI Intel SIS Matrox和3DLabs 目前主流的独立显卡芯片厂商主要是NVIDIA和ATI 其中ATI已经被AMD收购 Intel和SIS主要生产集成显示芯片 Matrox和3DLabs的主要用户为专业图形领域 2 核心代号核心代号就是芯片厂商在设计显示芯片时 为了方便生产 销售 管理以及驱动程序的统一 对一个系列的显示芯片给出的代号 芯片厂商可以对相同核心代号的GPU做一些改动 如核心频率 搭配的显存颗粒 从而推出该核心代号的系列产品 3 芯片型号相同核心代号的GUP也会有不同的芯片型号 如NVIDIA的GeForce7300GT和7600GT 它们都采用代号为G73的显示核心 型号却不同 4 核心频率GPU的核心频率是指显示核心的工作频率 5 制造工艺显示芯片的制造工艺与CPU一样 也是用纳米来衡量其加工精度的 6 显示芯片位宽显示芯片位宽是指显示芯片内部数据总线的宽度 也就是显示芯片内部所采用的数据传输位数 7 管线管线在显示卡中分为两种 一种是顶点管线 一种是像素渲染管线 它们处于生成3D图形的过程中的两个阶段 1 像素渲染管线2 顶点着色管线 8 像素填充率像素填充率即每秒钟显示芯片 卡能在显示器上画出的点的数量 像素填充率的最大值为3D时钟频率乘以渲染途径的数量 如NVIDIA的GeForce2GTS芯片 核心频率为200MHz 4条渲染管道 每条渲染管道包含2个纹理单元 那么它的填充率就为4 2Pixel 200MHz 1 6GPixel s 9 刷新频率刷新频率 单位为Hz 是GPU向显示器传送信号 使其每秒刷新屏幕的次数 影响刷新频率的因素有两个 一是显卡每秒可以产生的图像数目 二是显示器每秒能够接收并显示的图像数目 刷新频率可以分为56 120Hz等许多档次 过低的刷新频率会使用户感到屏幕闪烁 容易导致眼睛疲劳 刷新频率越高 屏幕的闪烁就越小 图像也就越稳定 即使长时间使用也不容易感觉眼睛疲劳 建议使用85Hz以上的刷新频率 10 最大分辨率分辨率是指显示卡在显示器上所能描绘的像素数量 分为水平行点数和垂直行点数 例如 分辨率为1024 768 即水平由1024个点组成 垂直由768个点组成 典型的分辨率有640 480 800 600 1024 768 1280 1024 1600 1200或更高 最大分辨率表示显示卡输出给显示器并在显示器上描绘像素点的最大数量 目前的显示芯片都能提供2048 1536的最大分辨率 但绝大多数显示器并不能提供这样高的显示分辨率 11 色深色深也叫颜色数 是指显示卡在一定分辨率下可以同屏显示的色彩数量 一般以多少色或多少bit 位 色来表示 例如标准VGA显示卡在640 480分辨率下的颜色数为16色或4bit色 通常色深可以设定为16bit 24bit 当色深为24bit时 称之为真彩色 此时可以显示出224 16777216种颜色 色深的位数越高 所能同屏显示的颜色就越多 相应的屏幕上所显示的图像质量就越好 12 3DAPI在计算机中 所有软件的程序接口 包括3D图形程序接口在内 统称为API ApplicationProgramInterface 应用程序接口 使用API 程序员无需关心硬件的具体性能和参数 只需要编写符合接口的程序代码 让设计的软件调用其API程序 其API就会自动调用与硬件有关的底层数据 大大提高了程序开发的效率 在图形图像行业里 三维图形的API有许多种 1 DirectX图形接口程序2 OpenGL3 Heidi 2 显存颗粒显示卡上的显示缓存对发挥GPU的性能起到决定性的作用 1 显存位宽显存位宽是显存在一个时钟周期内所能传送数据的位数 位数越大则瞬间所能传输的数据量越大 2 显存时钟周期 显存速度 显存时钟周期就是显存时钟脉冲的重复周期 它是衡量显存速度的重要指标 3 显存频率显存频率是指默认情况下该显存在显示卡上工作时的频率 以MHz为单位 显存频率一定程度上反应着该显存的速度 4 显存带宽显存带宽是指显示芯片与显存之间的数据传输速率 它以GB s为单位 显存带宽是决定显示卡性能和速度最重要的因素之一 5 显存类型显存是显示卡上的关键部件之一 它的优劣和容量会直接关系到显示卡的最终性能 可以说 显示芯片决定了显示卡所能提供的功能及其基本性能 而显示卡性能的发挥则很大程度上取决于显存 6 显存容量显存容量是显示卡上显存的容量 显存容量决定着显存临时存储数据的多少 目前显卡主流容量是128MB 256MB等 当显存到达一定容量后 再增加内存对显卡的性能已经没有影响了 7 显存封装显存封装是指显存颗粒采用的封装技术类型 不同的封装技术在制造工序和工艺方面差异很大 封装后对显存芯片自身性能的发挥也起到至关重要的作用 现在常见的封装类型有TSOP ThinSmallOut LinePackage 薄型小尺寸封装 和MicroBGA MicroBallGridArray 微型球闸阵列封装 又称FBGA Fine pitchBallGridArray TSOP封装类型的显存颗粒两侧有针脚裸露在外 形状一般呈长方形 如图5 12所示 TSOP封装现在的制造工艺比较成熟 可靠性也比较高 同时这类封装显存具有成品率高 价格便宜等优势 mBGA封装类型的显存在厚度和重量上都比TSOP封装有所改善 因此产品的性能有了显著的提高 在mBGA FBGA封装芯片旁看不到针脚 形状也没有TSOP封装类型那么长 如图5 13所示 3 接口等部件 1 PCB层数PCB一般可分为信号层 Signal 电源层 Power 或是地线层 Ground 每一层PCB上的电路是相互独立的 目前常见的PCB都是采用4层 6层 8层板路设计 2 显卡供电显卡的频率越高 对显卡的供电要求也越高 因此常采用显示核心芯片与显存分开独立供电的设计 3 显卡接口类型显示卡的总线接口决定着显示卡与系统之间数据传输的最大带宽 不同的接口能为显示卡带来不同的性能 显示卡发展至今共出现了ISA PCI AGP PCIExpress等几种接口 所能提供的数据带宽依次增加 4 显卡散热装置显卡散热装置的散热性能直接影响显卡的运行稳定性 显卡上都会带有散热器 常见的散热装置为风冷散热和被动式散热 风冷散热是在散热片上加装了风扇 提高散热效能 是目前最多采用的散热方式 被动式散热是在显卡核心上安装铝合金或铜合金散热片 这种散热装置不发出噪音 是应用的首选 而高端的显卡大多采用了涡轮式风冷散热系统 配合热管或铜底来进行散热 常见的显卡散热器有散热片 风扇 热管 涡轮式风冷等几种 如图5 14所示 5 输出接口现在最为常见的视频输出接口有VGA VideoGraphicsArray 视频图形阵列 接口 DVI DigitalVisualInterface 数字视频接口 S VIDEO SeparateVideo 二分量视频 接口 HDMI HighDefinitionMultimediaInterface 高清晰多媒体接口 VGA接口用来将模拟信号输出到CRT或LCD显示器中 是目前主流的输出接口之一 DVI的视频信号无需经过转换 信号无衰减或失真 是目前主流的输出接口之一 S VIDEO一般采用五线接头 它是用来将亮度和色度分离输出的设备 主要功能是为了克服视频节目复合输出时的亮度跟色度的互相干扰 HDMI是基于DVI制定的 两者可以兼容 HDMI可以看作是强化的DVI接口和多声道音频的结合 5 2主流显示芯片 5 2 1NVIDIA显示芯片一般来说 NVIDIA公司都会很明确地针对市场的高 中 低端用户推出一个系列产品 主要从图形芯片命名来区分 例如 Geforce8系列分为Geforce8800Ultra Geforce8800GTX Geforce8800GTS Geforce8800GT等 其中 Ultra 后缀的型号都是该系列中性能最好的型号 称为加强版 其他后缀的都是简化版 一般同系列的几个版本只是核心 显存频率 着色器数量等几个参数有差别 它们的内在特性还是很类似的 1 GeForce9系列2008年2月NVIDIA发布了首款9系列的显卡GeForce9600GT 基于G94核心 G94核心采用65nm工艺 核心拥有64个StreamProcessor 根据NVIDIA的市场策略 GeForce9600GT将是一款取代GeForce8600GTS的产品 与ATI的RadeonHD3850对抗 G94同样支持256bit的显存位宽 支持第二代的PureVideoHD技术 支持H 264的硬件解码 支持DirectX10和ShaderModel4 0 2 GeForce8系列2006年11月NVIDIA发布了Geforce8系列 性能由高到底包括Geforce8800Ultra Geforce8800GTX Geforce8800GTS Geforce8800GT Geforce8600GTS 其具体规格见表5 1 外观如图5 15所示 3 GeForce7系列NVIDIA在2006年8月发布的Geforce7900系列 性能由高到低包括GeForce7900GTX GeForce7900GT GeForce7900GS 采用PCI E接口 SLi双卡互联技术 其规格见表5 2 其外观如图5 16所示 5 2 2ATI显示芯片ATI公司创立于1985年 是全球著名的3D图形及多媒体技术供应商 专门设计 制造和销售适用于微机的多媒体解决方案和图形芯片 RADEON系列显示芯片为其代表 ATI在为显示芯片命名时 型号后一般有 XT Pro SE 等后缀 其中 XT 代表该系列性能最好的型号 Pro 为加强版 没有后缀为标准版 SE 为简化版 一般是显存位宽减半 例如 RADEONX700系列分为三个版本 X700XT X700Pro X700 它们的性能排序是 X700XT X700Pro X700 主要是核心和显存频率的差别 2006年ATI公司被AMD收购 1 RadeonHD3800系列2007年11月AMD公司发布了RadeonHD3800系列 是AMD 蜘蛛 平台的成员之一 包括RadeonHD3850 3870等 采用RV670显示核心 2 RadeonX1900系列2005年10月ATI发布全新架构的RadeonX1000系列 代号为R520的旗舰产品RadeonX1800XT将图形显示卡的性能提升一个档次 2006年1月ATI发布新旗舰代表RadeonX1900 RadeonX1900系列包括RadeonX1900XTX RadeonX1900GT RadeonX1950Pro 其规格见表5 4 其外观如图5 18所示 5 3显示卡中的新技术 5 3 1高清视频解码技术1 高清数字电视的概念HDTV HighDefinitionTelevision 高清晰度电视 技术源之于DTV DigitalTelevision 数字电视 技术 HDTV技术和DTV技术都采用数字信号 而HDTV技术则属于DTV的最高标准 2 高清标准格式所谓高清数字电视标准 就是高清视频信号的压缩编码 传输 解码和重现的标准 3 高清视频的3种编码常用的高清视频编码格式有3种 MPEG 2TS WMA HD和H 264 不同的编码技术在压缩比和画质方面有区别 4 高清设备接口 1 HDMIHDMI High definitionDigitalMultimediaInterface 高清晰数字多媒体接口 是2002年4月由索尼 日立 松下 飞利浦 东芝 Siliconimage Thomson RCA 共7家公司制定的专用于数字视频和音频的传输标准 其目的是为了取代传统的DVD碟机 电视及其他视频输出设备的已有接口 统一并简化用户终端接线 并提供更高带宽的数据传输速度和数字化无损传送音视频信号 2006年5月22日 制定HDMI标准的7家公司共同宣布了HDMI1 3 新标准达到了340MHz的带宽和10 2Gbit s的数据传输速率 以满足最新的1440p WAXGA分辨率的要求 HDMI可以传送无压缩的音频信号及高分辨率视频信号 同时无需在信号传送前进行数 模或者模 数转换 可以保证最高质量的影音信号传送 在使用HDMI接口互接时 只需要一条HDMI线 便可以同时传送影音信号 大大简化了家庭影院系统的安装 如图5 19所示 HDMI接口插孔及连接线插头如图5 20所示 HDCP High bandwidthDigitalContentProtection 高带宽数字内容保护 是Intel公司为HDMI开发的 防止具有著作权的影音内容遭到未经授权的复制的加密技术 如果软件和硬件其中之一不支持HDCP 就无法读取数字内容 因此 除了配备HDMI接口之外 还得集成一块取得HDCP认证的ROM芯片 否则经过加密的高清电影依然无法播放 HDCP的工作过程是 当DVD与投影机通过HDMI端子线连接时 DVD就会送出一组HDCP认证码给投影机认证 在经过确认之后投影机才能正常地显示影像信号 2 DisplayPort接口目前 HDMI接口技术凭借支持音视频输出 提供足以播放高清节目的带宽等优势 正向家电和PC领域扩展 不过 现在有一种功能更强 带宽更大的新型接口DisplayPort正在同HDMI竞争 由于HDMI接口最初是基于家电领域的 而DisplayPort接口是基于IT领域的 所以DisplayPort接口更具竞争力 DisplayPort接口的外观如图5 21所示 其中左图为公口 右图为母口 5 3 2多显示卡技术NVIDIA的多显示卡技术称为SLI AMD ATI的多显示卡技术称为CorssFire 1 NVIDIA的SLI技术2004年9月 NVIDIA推出了SLI ScalableLinkInterface 可升级连接界面 技术 SLI就是通过两块PCIExpress显示卡的协同工作来提升整个系统的显示效能的技术 2 AMD ATI的CrossFire技