Принцип роботи відеокарти: опис системи, поняття, пристрій

Зображення на екрані дисплея складається з найдрібніших точок, званих пікселями. При найбільш поширеному дозволі Full HD їх кількість перевищує 2 млн, і ПК повинен вирішити, що робити з кожним з них. Для цього потрібен посередник, який міг би перетворити двійкові дані у видиме зображення. Якщо комп'ютер не справляється з цим завданням за допомогою апаратного забезпечення материнської плати, її виконання бере на себе графічна карта. Вироблені складні обчислення, але і пристрій принцип роботи відеокарти зрозуміти легко. В даній статті розглянуто її основні компоненти, їх функції, а також фактори, поєднання яких забезпечує високу продуктивність і ефективність ПК.

Як працює відеокарта?

Комп'ютер можна представити у вигляді організації з власним художнім відділом, в який направляється запит намалювати картину. Відділ вирішує, яким має бути малюнок, а потім наносить його на папір. Зрештою, чиясь ідея реалізується в видиме зображення.


Принцип роботи відеокарти такий же. Процесор і програмне забезпечення передають інформацію на графічну карту, яка вирішує, якими повинні бути пікселі на екрані, щоб вийшло потрібне зображення. Потім ці дані направляються по кабелю на монітор. Створювати зображення з двійкових чисел складно. Щоб вивести на екран тривимірну картинку, графічна карта спочатку повинна розрахувати каркас з прямих ліній. Потім вона заповнює його пікселями. Після цього додаються колір, освітлення і текстура. У високошвидкісних комп'ютерних іграх графічний процесор повинен виконувати всі ці розрахунки не менше 60 разів в секунду. Без нього навантаження на ЦП була б занадто велика. Робота відеокарти комп'ютера, в принципі, залежить від наступних 4-х основних складових частин: з'єднання з материнською платою, через який надходять харчування і дані; процесора, який займається обробкою кожного екранного пікселя; графічної пам'яті, що зберігає дані про кожному пікселі і завершених зображеннях; системи виводу на дисплей кінцевого результату.

Графічний процесор

Принцип роботи відеокарт заснований на отриманні даних з ГПУ і перетворення їх у зображення.


Подібно материнській платі, графічна карта – це друкована плата з процесором та пам'яттю. Вона також обладнується мікросхемою системи вводу-виводу (BIOS), в якій зберігаються настройки і яка при запуску діагностує роботу пам'яті, системи введення і виведення. Графічне процесорний пристрій схоже на ЦПУ комп'ютера. Однак ГПУ спеціально спроектовано для проведення складних геометричних та математичних обчислень, які потрібні для візуалізації зображення. У деяких найбільш швидких процесорах транзисторів більше, ніж в середньому ЦПУ. ГПУ виділяє багато тепла, тому зазвичай охолоджується радіатором або кулером з вентилятором. Крім величезної обчислювальної потужності, графічні процесори для аналізу та використання даних взаємодіють зі спеціальним програмним забезпеченням. Компанії nVidia і ATI випускають переважна більшість чіпів для відеокарт. Вони розробляють власні засоби підвищення продуктивності. Щоб досягти більш високої якості зображення в графічних процесорах використовуються:
повноекранне згладжування країв 3D-об'єктів; анізотропна фільтрація, підвищує чіткість відео. При збереженні загального принципу роботи відеокарт кожен виробник розробляє власні техніки фарбування, накладання кольорів, текстур і шаблонів. Оскільки ГПУ створює зображення, воно повинно їх десь зберігати. Для цього служить оперативне запам'ятовуючий пристрій. Воно зберігає інформацію про всіх точках, їх колір і розташування. Частина ОЗП також може виконувати функцію буфера кадрів з завершеними зображеннями, поки не прийде час їх відобразити. Як правило, пам'ять працює з дуже високою швидкістю і є двонаправленою, тобто система може зчитувати і записувати дані одночасно. Графічне ОЗП безпосередньо підключено до цифро-аналогового перетворювача ЦАП, який перетворює зображення в сигнал, що використовується дисплеєм. У деяких відеокартах є декілька таких модулів, що підвищує продуктивність і дозволяє підтримувати більше одного монітора. ЦАП направляє остаточне зображення по кабелю. Докладно принцип роботи відеокарти з інтерфейсами описаний нижче.

Роз'єм PCI

Графічні карти з'єднуються з комп'ютером через роз'єм на материнській платі. За нього подається живлення і відбувається обмін даними з процесором. Потужні відеокарти часто використовують більше енергії, ніж дозволяє системна плата, тому вони забезпечуються роз'ємом для прямого з'єднання з блоком живлення.
Підключення зазвичай проводиться через інтерфейси PCI, AGP і PCI Express (PCIe). Останній є найбільш сучасним і забезпечує найбільшу швидкість передачі даних між картою і материнської платою. PCIe підтримує використання декількох прискорювачів графіки одночасно.

Принцип роботи відеокарти: підключення монітора

Більшість графічних карт дозволяють вивести зображення на 2 дисплея. З'єднання здійснюється через порти DVI, HDMI, DisplayPort, підтримують РК-монітори, і VGA, до якого підключаються екрани ЕПТ-типу. На деяких картах є 2 DVI-порту. Але це не виключає можливість використання електронно-променевих трубок, оскільки вони можуть підключатися через адаптер. Компанія Apple раніше виробляла монітори з фірмовим роз'ємом ADC, який був замінений портом DVI, а потім – Thunderbolt на основі USB-C, назад сумісний з HDMI і DisplayPort. Більшість користується тільки одним дисплеєм. Тим, кому необхідно 2 монітори, можуть придбати графічну карту з можливістю виведення зображення два екрани. Такі ПК можуть підтримувати 4 і більше дисплеїв.

Інші сполуки

На додаток до материнської плати і монітора деякі графічні карти дозволяють підключитися до: телевізійного дисплея (через вихід TV-out або S-video); аналогових відеокамер (за допомогою ViVo та відеовходу); цифровим камерам (через USB або FireWire). Окремі відеокарти забезпечуються телетюнерами.

DirectX і opengl

Інтерфейси прикладного програмування (API забезпечують ефективну взаємодію програм і апаратних засобів, надаючи прості засоби виконання складних завдань (наприклад, тривимірної візуалізації). Розробники оптимізують графічні ігри для конкретних API. Ось чому новітні ігри часто вимагають поновити версію opengl і DirectX. АРІ відрізняються від драйверів, які є програмами, які дають змогу апаратним засобам працювати з ОС комп'ютера. Проте оновлення драйверів також може забезпечити коректне функціонування додатків.

Еволюція

З тих пір, як IBM зробила перший зразок у 1981 р., принцип роботи відеокарт не змінився. Тоді їх називали монохромними адаптерами дисплея. З їх допомогою можна було вивести на чорно-білий екран тільки текст. Мінімальним стандартом для відеокарт є VGA, підтримує 256 кольорів. А завдяки таким високопродуктивним стандартам, як 4К UHD, на екран можна виводити мільйони квітів з роздільною здатністю 3840 x 2160 пікселів.

Вибір відеокарти

Хороша графічна карта має швидкий процесор і великий об'єм оперативної пам'яті. Часто вона виглядає дуже привабливо. Високопродуктивні моделі відрізняються яскравим дизайном з декоративними вентиляторами і радіаторами. Високопродуктивні відеокарти пропонують набагато більшу потужність, ніж необхідно більшості користувачів. Ті, хто використовує свої ПК для читання електронної пошти, обробки тексту і веб-серфінгу, знайдуть все необхідне в материнській платі з вбудованою графікою. Більшості непостійних геймерів досить відеокарти середнього рівня. Потужні графічні прискорювачі потрібні тільки любителям комп'ютерних ігор і дизайнерам, які займаються 3D-моделюванням.
Принцип роботи відеокарти в ноутбуці і ПК однаковий, хоча із-за дефіциту вільного простору перші зовні відрізняються від других. Гарним параметром оцінки продуктивності графічних карт є частота кадрів. Людське око сприймає близько 25 к/с, але для плавної анімації в деяких іграх потрібна швидкість більше 60 к/с Частота кадрів визначається: Числом вершин трикутників або в секунду, складових тривимірні зображення. Цей параметр описує швидкість розрахунку всього полігону або вершин, які його визначають. Піксельної швидкістю заповнення, яка вказує на те, як швидко ГПУ здатне растеризувати зображення.

Швидкодія

Швидкість роботи відеокарти прямо залежить від апаратного забезпечення. На її швидкодію найбільше впливають наступні технічні характеристики: тактова частота; ширина шини пам'яті; пропускна здатність ОЗУ; обсяг оперативної пам'яті і її частота; частота ЦАП. ЦПУ і материнська плата ПК також відіграють певну роль, оскільки навіть дуже швидка відеокарта не здатна компенсувати погану роботу системи.

Інтегрована графіка

Багато ПК обладнані інтегроване в процесор відеокартами. Принцип роботи таких графічних прискорювачів відрізняється від дискретних карт тим, що вони поділяють оперативну пам'ять з ЦПУ. Вони легко справляються з двомірними зображеннями, тому ідеально підходять для офісних і інтернет-додатків. Установка дискретної карти таких материнських плат відключає вбудовані графічні функції.