计算机硬件 - 显卡

第5章显卡本章要点具体要求本章导读本章要点显卡的结构显卡的接口显卡的性能指标主流显示芯片具体要求了解显卡的结构掌握显卡的接口掌握显卡的性能指标了解主流显示芯片了解显卡的选购本章导读显卡是计算机中处理图像的设备，显卡负责将计算机系统中所有的图像信息进行处理，然后从显示器输出。如今显卡的性能越来越强劲，显示效果也越来越逼真。本课将介绍显卡的相关知识，包括显卡的结构、显卡接口的作用、影响显卡性能的指标以及市场上主流显示芯片的不同特点，另外还将介绍如何选购显卡。5.1显卡概述显卡是计算机运行的必备部件之一，主要负责图像的处理，并把处理的结果通过显示器输出。下面将讲解显卡的相关知识。5.1显卡概述5.1.1显卡的作用5.1.2显卡的结构5.1.3显卡的接口5.1.4显卡的性能指标5.1.1显卡的作用显卡拥有独立的图形处理芯片（GPU）和显存，专门用来执行图像加速和处理任务，因此就可以大大减少CPU所必须处理的图形函数的数量，从而提高了计算机的整体性能。显卡工作的步骤为：CPU将数据通过总线传送到显示芯片，显示芯片对数据进行处理，并将处理的结果存放在显存中，显存将数据传送到数/模转换器（RAMDAC）并进行数/模转换，RAMDAC将模拟信号通过专用接口输送到显示器。5.1.2显卡的结构显卡主要由显示芯片、显存和显示输出接口（VGA接口，DVI接口）等几部分组成。显卡的结构显存显示芯片VGA接口DVI接口显卡BIOS金手指5.1.2显卡的结构显示芯片：显示芯片又称图形处理芯片（GPU），它是显卡中最重要的部分，它直接决定了显卡的性能好坏。显示芯片的主要作用是处理软件指令，让显卡能完成某些特定的绘图功能。由于显示芯片发热量巨大，因此往往在其上都会覆盖散热片并通过散热风扇进行散热。5.1.2显卡的结构显存：是显卡中用来临时存储显示数据的地方，其位宽与存取速度对显卡的整体性能有着非常大的影响，而且还将直接影响显示的分辨率及色彩位数，其容量越大，所能显示的分辨率及色彩位数就越高。显存容量通常有128MB，256MB，512MB甚至1GB。显示芯片和显存5.1.2显卡的结构VGA接口：大部分显卡都采用这种信号的输出接口，其外形为15针D型结构，它与CRT显示器直接相连。DVI接口：DVI（DigitalVisualInterface）接口的名字为数字视频接口。通过DVI接口，显卡中的数字信号直接到达LCD，不会出现失真的现象，从而使显示出来的画面更加真实、自然。VGA接口和DVI接口HDMI接口HDMI，英文全称是HighDefinitionMultimediaInterface，中文名称是高清晰多媒体接口的缩写。2002年4月，日立、松下、飞利浦、索尼、汤姆逊、东芝和SiliconImage七家公司联合组成HDMI组织。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，最高数据传输速度为5Gbps。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。5.1.2显卡的结构金手指：是显卡用来连接到主板的通道。显卡BIOS：在显卡的BIOS芯片内存储了显卡的一些相关信息，如显卡采用的显示芯片参数、显存的默认工作频率等。显卡BIOS和主板BIOS具有类似的作用。5.1.3显卡的接口显卡的接口主要有ISA接口、PCI接口、AGP接口和PCIExpressx16接口等，下面将分别进行介绍。5.1.3显卡的接口1．ISA接口2．PCI接口3．AGP接口4．PCIExpressx16接口1．ISA接口ISA（IndustryStandardArchitecture，工业标准结构）接口是由Intel公司、IEEE协会和EISA集团为了能够更合理地开发外插接口而联合开发的一种总线接口。ISA接口的主要性能指标有：可直接寻址的容量为16MB、8/16位数据线、62/36引脚、最大位宽为16bit、最高时钟频率为8MHz、最大稳定传输速率为16MB/s、允许多个物理设备共享系统资源ISA插槽，但是ISA接口传输速率过低、CPU占用率高，所以采用ISA接口的显卡已经被淘汰了。2．PCI接口PCI接口的工作频率为33MHz，最大数据传输速率可达133MB/s，同时具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力。由于PCI显卡不能适应显卡高速带宽的传输需求，因此逐渐被AGP显卡所替代。ISA接口的显卡和PCI接口的显卡3．AGP接口AGP（AcceleratedGraphicsPort）为加速图形端口，是一种为了提高视频带宽而设计的总线标准。AGP标准在使用32位总线时，其工作频率为66MHz，最高数据传输率为533MB/s，而PCI总线理论上的最大传输率仅为133MB/s。目前在最高规格的AGP8X模式下，数据传输速度达到了2.1GB/s。AGP接口的发展经历了AGP1.0标准、AGP2.0标准、AGPPro标准和AGP3.0标准等阶段，其传输速度也从最早的AGP1X的266MB/s带宽发展到了AGP8X的2.1GB/s。AGP接口的显卡1）AGP1.0AGP1.0标准于1996年7月问世，分为1X和2X两种模式，数据传输带宽分别为266MB/s和533MB/s。AGP1.0标准是在66MHzPCI2.1标准的基础上经过扩充而形成的，其工作频率为66MHz，工作电压为3.3V，基本满足显示设备与系统交换数据的需要。2）AGP2.0AGP2.0标准于1998年5月正式发布，工作频率依然是66MHz，增加了4X模式，并将工作电压降低到了1.5V，这样它的数据传输带宽达到了1066MB/s，数据传输能力大大增强。3）AGPProAGPPro接口与AGP2.0同时推出，这是一种为了满足显示设备功耗日益加大的现实而研发的图形接口标准，应用该技术的图形接口的主要特点是比AGP4X略长一些，其加长部分可容纳更多的电源引脚，使得这种接口可以驱动功耗更大（25W～110W）或者处理能力更强大的AGP显卡。这种标准其实是专为高端图形工作站而设计的，不过AGP4X的显卡也可以插在这种插槽中正常使用。4）AGP3.02000年8月Intel推出AGP3.0标准，增加了8X模式，并将工作电压降到0.8V，这样它的数据传输带宽达到了2.1GB/s，数据传输能力相对于AGP4X成倍增长，能较好地满足当前显示设备的带宽需求。AGP8X向下兼容AGP4X，但不兼容AGP1X和AGP2X。4．PCIExpressx16接口PCIExpress是现在主流的总线接口，点对点串行连接，不需向整个总线请求带宽，就可把数据传输率提高到一个很高的级别，达到PCI不能提供的高带宽。与传统PCI总线相比，PCIExpress的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。PCIExpress接口中的PCIExpressx16接口用来取代AGP接口作为新一代显卡接口，PCIExpressx16接口能够提供8GB/s的带宽，即使编码上有损耗仍能提供约为4GB/s左右的实际带宽，远远超过AGP8X的2.1GB/s的带宽。PCIExpressx16显卡PCISIG组织今日宣布，从今天开始PCIExpress标准将采用2.0的规格参数。PCIExpress2.0与PCIe1.1规格的产品100％完全兼容，并且可以将速率从2.5GT/s提升至5GT/s(GigaTransferspersecond)。每条通道的带宽由原来的500MB/s提升至1GB/s，整整翻了一倍，这样支持PCIe2.0x16插口最终的整体带宽将为16GB/s。除了带宽,PCIe2.0还带来更多的细节参数，可以更加方面的开发其他PCIe产品，诸如：PCIex1卡。由于在主板业界并没有生产很多兼容PCIex1插口的产品，所以PCIex1卡也就被众多商家所摒弃。5.1.4显卡的性能指标显卡的性能高低取决于显示芯片和显存，显示芯片将在5.2节进行介绍，这里将介绍显存的性能指标，显存的性能指标主要有显存速度、显存位宽和显存容量。5.1.4显卡的性能指标1．显存速度2．显存位宽和带宽3．显存容量4．像素渲染管线5．顶点渲染管线6．光栅引擎7．流处理器8．DirectX1．显存速度显存速度是显存非常重要的一个性能指标，显存速度决定于显存的时钟周期和运行频率，它们影响显存每次处理数据需要的时间。显存芯片速度越快，单位时间交换的数据量也就越大，在同等条件下，显卡性能也将会得到明显的提升。显存的时钟周期以ns（纳秒）为单位，运行频率则以MHz为单位。它们之间的关系为：运行频率＝1/时钟周期×1000。2．显存位宽显存位宽是显存也是显卡的一个重要性能指标。显存位宽可理解为数据进出通道的大小，在运行频率和显存容量相同的情况下，显存位宽越大，数据的吞吐量就越大，性能也就越好。现在常见的显存位宽有64bit，128bit和256bit，在运行频率相同的情况下，128bit显存位宽的数据吞吐量是64bit显存位宽的两倍；256bit显存位宽的数据吞吐量是128bit显存位宽的两倍。显存带宽就是显存每秒钟提供最大的数据交换量。我们知道，显卡GPU计算后的数据要和显存之间做数据交换，因此如果显存带宽不够高，就会严重影响显卡的性能。而显存带宽由显存位宽和显存频率以及显存颗粒数共同决定，即显存带宽=显存位宽X显存频率X显存颗粒数/8。3．显存容量显存担负着系统与显卡之间数据交换以及显示芯片运算3D图形时的数据缓存，因此显存容量的大小决定了显示芯片处理的数据量。理论上讲，显存容量越大，显卡性能就越好。而实际上，在普通应用中，显存容量大小并不是显卡性能高低的决定因素，而显存速度和显存位宽才是影响显卡性能的关键指标。4．像素渲染管线渲染管线的数量一般是以像素渲染流水线的数量×每管线的纹理单元数量来表示。例如，GeForce6800Ultra的渲染管线是16×1，就表示其具有16条像素渲染流水线，每管线具有1个纹理单元；GeForce4MX440的渲染管线是2×2，就表示其具有2条像素渲染流水线，每管线具有2个纹理单元等等，其余表示方式以此类推。5．顶点渲染管线顶点着色单元是显示芯片内部用来处理顶点(Vertex)信息并完成着色工作的并行处理单元。顶点着色单元决定了显卡的三角形处理和生成能力，所以也是衡量显示芯片性能特别是3D性能的重要参数。顶点(Vertex)是图形学中的最基本元素，在三维空间中，每个顶点都拥有自己的坐标和颜色值等参数，三个顶点可以构成成一个三角形，而显卡所最终生成的立体画面则是由数量繁多的三角形构成的，而三角形数量的多少就决定了画面质量的高低，画面越真实越精美，就越需要数量更多的三角形来构成。顶点着色单元就是处理着些信息然后再送给像素渲染单元完成最后的贴图工作，最后再输出到显示器就成为我们所看到的3D画面。而显卡的顶点处理能力不足，就会导致要么降低画质，要么降低速度。在相同的显示核心下，顶点着色单元的数量就决定了显卡的性能高低，数量越多也就意味着性能越高6．光栅引擎光栅处理器：在顶点处理器转换完顶点之后，每三个一组的顶点就用来计算一个三角形。从这个三角形出发，光栅处理器生成一个像素流。该光栅处理器的功能非常专一，就是表现这些三角形，因而不是用户可编程的，但可将它看成是一个地址内插器和一个数据放大器(因为它根据几个三角顶就可生成许多像素)。7、流处理器流处理器是直接将多媒体的图形数据流映射到流处理器上进行处理的,有可编程和不可编程两种。1995年公布的名为Cheops中的流处理器,是针对某一个特定的视频处理功能而设计的一种不可编程的流处理器。但为了得到一定的灵活性,系统中也包含一个通用的可编程处理器。8.DirextXDirextX是一种应用程序接口（API），它可让以windows为平台的游戏或多媒体程序获得更高的执行效率，加强3d图形和声音效果，并提供设计人员一个共同的硬件驱动标准