第7章 显卡和显示器

7.17.27.37.47.5显卡概述显卡的技术参数显卡技术的最新发展显示器高清显示7.1.1分类认识显卡1．按是否整合芯片分类——集成显卡和独立显卡带有显卡功能的主板称为集成主板（Allinone）。集成显卡一般整合在主板的北桥芯片中，也有采用第三方单独芯片的。由于主板芯片组厂商一般也生产显示芯片，所以他们生产的主板上往往集成自己的显示芯片，例如，Intel在其G45主板芯片组上集成了IntelGMA（图形媒体加速器）X4500HD显示芯片，AMD则在它的AMD790GX主板芯片组上集成了ATIRadeonHD3300显示芯片（见图7.1）。图7.1AMD790GX主板芯片组集成了HD3300显示芯片2．按显示芯片分类——品牌和档次不同的显卡就像主板芯片组代表主板的档次和性能一样，显示芯片决定显卡的档次和性能。显示芯片和主板芯片组一样，主要由世界上最先进的几家厂商研发，并被应用于不同品牌的显卡中。目前，主流显示芯片生产商主要有NVIDIA、ATI（AMD）、XGI、SiS、VIA（S3）等。其中以NVIDIA和ATI（见图7.2）实力最强，后者被AMD收购后成为旗下的子品牌。（a）（b）图7.2NVIDIA（a）和ATI（b）显卡的Logo3．按显卡的总线接口类型分类——PCIExpress显卡和AGP显卡总线接口类型是指显卡与主板连接所采用的总线接口种类。不同的接口能为显卡带来不同的性能，也决定着主板是否能够使用此显卡。显卡接口包括早期的PCI接口、AGP接口（见图7.3（a））和当前主流的PCIExpress接口（见图7.3（b）），前两种显卡已经逐渐淡出市场。图7.3AGP接口（a）和PCIExpress接口（b）的显卡4．按显卡的应用领域分类——普通显卡和专业显卡普通显卡注重民用级应用，强调在用户能接受的价位下提供更强大的娱乐、办公、游戏、多媒体等性能。目前设计制造普通显卡的显示芯片厂商主要有nVIDIA、ATI、SiS等。专业显卡（见图7.4）是指应用于图形工作站的显卡。在图形工作站上，它的重要性甚至超过了CPU。图7.4NVIDIAQuadro高端专业显卡5．按显卡的加速功能分类——2D显卡和3D显卡2D图形加速卡拥有自己的图形函数加速器和显存，专门用来执行图形加速任务，因此可以大大减少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显卡或2D图形加速卡。3D显卡具备3D处理能力，它大大解放了CPU，为提高图形质量提供了条件。新一代3D加速芯片大量采用新技术，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3D显示芯片被称为GPU（GraphicsProcessingUnit）。现在主流的显卡都是3D显卡。显卡上主要的部件有：显示芯片、显示内存、显卡BIOS、PCI-E接口、VGA插座、S-Video端子、DVI插座等。可以将显卡比喻成一台图形专用主机，那么显示芯片就是“处理器”，显存就是“内存”，显卡线路板就是“主板”，显卡BIOS就是“基本输入/输出系统”，显卡输出端口是与外部设备的接口。现在主流的显卡由于运算速度快、发热量大，需要在显示芯片上安装散热风扇（有的仅有散热片），在显卡上有一个二芯或三芯插座为其供电。如图7.5所示是一块PCIExpress×16显卡的结构图（已经去掉散热器）。图7.5去掉散热器后的PCIExpress显卡1．PCB电路板显卡的线路板是显卡的母体。目前它一般采用4层或6层PCB电路板，如果再薄，显卡的性能及稳定性将大打折扣，一些高档显卡甚至采用8层板。与主板相似，显卡板载的电容类型有电解电容、钽电容等，但更多采用小巧的钽电容来获得性能上的提升，并且摒弃了高温易爆浆的液态电容，高档显卡更是采用全固态电容（见图7.6）。图7.6采用全固态电容供电设计的显卡2．显示芯片显示芯片又叫GPU（GraphicsProcessingUnit，图形处理单元，或图形处理器），是显卡的核心芯片，其主要任务是把通过总线传输过来的数据在GPU中进行构建、渲染，最后通过显卡的输出接口送达显示器。显示芯片（见图7.7）通常是显卡上最大的芯片，中高档芯片一般都有散热片或散热风扇。显示芯片上有商标、生产日期、编号和厂商名称，如NVDIA、ATI、SiS等，每个厂商都有不同档次的芯片。图7.7GPU核心的尺寸相当于一枚硬币3．显示内存显示内存（VideoRAM，或显卡缓冲存储器，见图7.8），简称显存，用于存放数据，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。高速显存发热量大，其上附有散热片或导热硅脂，它被覆盖在散热器下。图7.8显卡的显存（方形，涂有硅脂）分布在GPU周围4．显卡BIOS芯片显卡BIOS芯片又称VGABIOS，用于存放显示芯片与驱动程序之间的控制程序，还存放显卡型号、规格、生产厂商、出厂时间等信息。启动PC时，在屏幕上首先显示VGABIOS的内容。前些年生产的显卡BIOS芯片的大小与主板BIOS相当。现在显卡的BIOS，大小与内存条上的SPD芯片相近，如图7.9所示，它可以通过专用程序改写和升级。图7.9显卡BIOS芯片5．总线接口当前最主要的显卡总线接口是PCIExpress×16，早期还有PCI、AGP接口。2003年以后，由于显示带宽要求的不断提升，PCIExpress显卡逐渐成为市场主流。（1）AGP接口AGP接口是一种专用的显示接口标准，它可以解决低带宽的PCI总线对显卡性能的制约。它以独占通道的方式与主板芯片组联系，直接在CPU和显示芯片之间开辟了一条更快的通道，提高了显卡的工作效率。AGP接口技术经历了AGPl.0（AGP1×/2×）、AGP2.0（AGP4×）和AGP3.0（AGP8×）3个版本。其传输速率也从最早AGP1×的266MB/s发展到了AGP8×的2.1GB/s。AGP2.0采用了双信号、双缘触发，AGP3.0采用双信号的同时将触发频率提高到266MHz，实现了单信号4次触发，等效频率增加到533MHz。AGP各版本的比较如表7.1所示。版本比较项AGP1.0AGP2.0（AGP4X）AGP3.0（AGP8X）AGP1XAGP2X工作频率/MHz66666666传输带宽/MB/s26653310662132工作电压/V3.33.31.51.5单信号触发次数/次4（×2）4（×2）4（×2）4（×2）数据传输位宽/b32323232表7.1AGP各种版本比较（2）PCIExpress×16接口PCIExpress（PCI-E）是一种新的总线接口标准，是AGP和PCI总线标准的继任者。它采用目前流行的点对点串行连接方式，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，大大提高了数据传输速率。6．输出接口显卡通过输出接口与显示设备连接，最常见的是VGA和DVI接口（见图7.10）。图7.10显卡上的输出接口（1）VGA接口VGA（视频图形阵列）接口是一个有15个插孔的D形插座（也称D-Sub模拟接口，见图7.11），VGA插座的插孔分为3排，每排5个孔。VGA插座与显示器的D形插头相连，用于模拟信号的输出。图7.11D-Sub接口（2）DVI接口DVI（DigitalVisualInterface，数字显示接口），是近年来随着数字化显示设备而发展起来的一种显示接口。目前的DVI接口分为两种，一种是DVI-D接口（见图7.12），只能接收数字信号，接口上只有3排8列共24个针脚，其中右上角的一个针脚为空，不兼容模拟信号。另一种是DVI-I接口（见图7.13），可同时兼容模拟和数字信号。兼容模拟信号并不意味着D-Sub模拟信号接口可以连接在DVI-I接口上，而必须通过一个转换接头才能使用。图7.12DVI-D接口图7.13DVI-I接口有些显卡同时配备两个DVI-I接口，称为双DVI接口（见图7.14），可以直接连接两个显示器。显卡中的数字信号经过D/A（数字/模拟）转换装置，转换为模拟信号送至VGA等模拟显示接口，模拟显示设备（如CRT）可以直接接收该模拟信号并显示图像；而在数字显示设备（如LCD）中，又要经A/D（模拟/数字）转换将该模拟信号转换成数字信号，然后显示。经过两次转换后，不可避免地会造成一些信息丢失，对图像质量也有一定影响。图7.14显卡的双DVI接口现在大多数液晶显示器都具备D-Sub和DVI双接口，而较早的液晶显示器或CRT显示器还利用D-Sub来传递数据，由于DVI-I接口可以兼容模拟信号，所以也可通过DVI-DSub转接器来连接老式显示器，如图7.15所示。图7.15DVI转VGA可以引出VGA插座（3）S端子显卡通过S-Video端子（简称S端子）向电视机（或其他显示设备）输出显示信号。标准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，目前电视机、影碟机、投影仪配接的都是5针接口，较早一些的显卡如GeForceMX440，FX5200等也附带5针的S-Video，其外观如图7.16所示。图7.16电视机背后的S端子输入接口S端子也叫二分量视频接口，是用来将亮度和色度分离输出的设备，主要功能是克服视频节目复合输出时的亮度与色度的互相干扰。它可以将PC上显示的内容较清晰地输出到电视机等显示设备上,提高了画面质量。S端子输出接口支持设备的最大显示分辨率为1024×768。目前市场上常见的显卡S端子还有7针和9针的，但是各厂商对针脚的定义有所不同。常见的5针S端子使用4针插头，另一针不使用，所以也称为4针S端子，其定义如图7.17所示。图7.174针S端子定义（4）HDMI接口HDMI（HighDefinitionMultimediaInterface，高清晰度多媒体接口，见图7.18），它提供高达5Gb/s的数据传输带宽，同时无须在信号传送前进行D/A或A/D转换，可以传送无压缩的音频信号及高分辨率视频信号，而且只需一条HDMI线便可以同时传送影音信号。图7.18高清电视机的HDMI输入接口7．RAMDAC和TMDSRAMDAC（随机存储器数字/模拟转换器）可将显存中的数字信号转换为CRT显示器能够接收的模拟信号。RAMDAC就是显卡中将数字信号转换为模拟信号的装置。RAMDAC的转换频率用MHz表示，它决定在足够的显存下，显卡最高支持的分辨率和刷新频率。8．散热器随着显示核心频率的增加，显卡的高功耗导致的高发热已经成为不可忽视的问题，显卡上都带有散热器，常见的显卡散热器如图7.19所示。图7.19显卡风扇散热器（a）和可以覆盖整块显卡的热管散热器（b）显卡的工作原理比较复杂，如图7.20所示是显卡的简单工作过程。图7.20显卡的简单工作过程大多数显卡以“品牌+GPU名称+显存容量、类型”来命名，包含了显卡的主要参数，即与GPU和显存相关的数据。为了给读者以直观的感受，这里摘录某品牌“9800GTX+GD3512M”显卡参数资料（见表7.2）加以阐述。项目参数项目参数显示核心NVIDIAGeForce9800GTX+流处理单元128个显卡属性桌面计算机用晶体管数目7.54亿个核心代号G92接口类型PCIExpress×162.0核心数量单核心最大分辨率2560×1600显卡核心频率740MHz外接供电接口有显卡核心工艺55nm散热方式风扇+散热片+热管RAMDAC频率400MHz散热方式描述四热管双风扇散热显存类型GDDR3视频输出（TV-Out）分量YPbPr显存封装FBGA显示器接口双DVI显存速度0.8nsHDMI接口有显存频率2200MHz3DAPIDirectX10.0，ShaderModel4.0，OpenGL2.0显卡显存容量512MB多卡技术SLI显存位宽256b特色功能支持Phsyx物理引擎，CUDA并行运算表7.2某品牌9800GTX+GD3512M显卡参数表1．核心频率显卡的核心频率指GPU的工作频率，该频率在一定程度上反映出显示核心的性能，但显卡的性能是由核心频率、显存、像素管线、像素填充率等多方面因素