显卡的工作原理与作用

显卡的工作原理与作用1.显卡在电脑系统中的作用 显卡在电脑中的主要作用就是在程序运行时根据CPU提供的指令和有关数据，将程序运行过程和结果进行相应的处理并转换成显示器能够接受的文字和图形显示信号后通过屏幕显示出来，以便为用户提供继续或中止程序运行的判断依据。换句话说，显示器必须依靠显卡提供的显示信号才能显示出各种字符和图像。 2.什么是2D和3D图形卡 电脑中显示的图形实际上分为2D（2维/Two Dimensional）和3D（3维）两种，其中2D图形只涉及所显示景物的表面形态和其平面（水平和垂直）方向运行情况。如果将物体上任何一点引入直角坐标系，那么只需“X、Y”两个参数就能表示其在水平和上下的具体方位。3D图像景物的描述与2D相比增加了“纵深”或“远近”的描述。如果同样引入直角坐标系来描述景物上某一点在空间的位置时，就必须使用“X、Y、Z”三个参数来表示，其中“Z”就是代表该点与图像观察者之间的“距离”或“远近”。 电脑平常显示的Windows窗口中各种菜单（包括运行的Word等Ofiice软件）和部分游戏如仙剑奇侠或帝国时代等都是2D图形显示，而3D Studio MAX的图形制作和游戏雷神之槌、极品飞车等显示的则都是3D画面。由于早期显示芯片技术性能的限制，电脑显示2D/3D图形时所须处理的数据全部由CPU承担，所以对CPU规格要求较高，图形显示速度也很慢。随着图形芯片技术的逐步发展，显卡开始承担了所有2D图形的显示处理，因此大大减轻了CPU的负担，自然也提高了图形显示速度，也因此有了2D图形加速卡一说。但由于显示3D图形时所须处理的数据量和各种计算远远超过2D图形显示，所以在3D图形处理芯片出现前显卡还无法承担3D图形显示数据的处理，因此为完成3D图形显示的数据计算和处理仍须由CPU完成。1997年美国S3公司开发出S3 Virge/DX芯片，开创了由显卡图形处理芯片完成（部分）3D显示数据的处理的先河，从此人们也开始将具有3D图形显示处理芯片的显卡称为3D图形（加速）卡。当然随着图形芯片技术的不断发展，当今市场上几乎所有显卡所使用的图形芯片全部都算3D芯片了，特别是nVidia公司的GeForce芯片几乎能完成所有的3D图形处理（包括原来必须由电脑CPU所承担的几何转换和光线渲染处理），因此被冠以GPU的桂冠。 3.常用显卡分类 虽然目前各种品牌的通用3D显卡规格、型号较多，但按其主要应用范围则基本上可分为三类:一类是以nVidia公司的TNT2和Matrox公司的G400为代表的通用型，主要用于办公处理和一般娱乐（游戏）;第二类侧重娱乐，其代表芯片当仁不让的是3dfx公司的Voodoo系列;第三类侧重专业应用，主要用于2D或3D图形的CAD（电脑辅助设计）或图片专业处理等，这类显卡中使用较多的是3Dlabs公司生产的Permedia系列芯片。 4.显示“子卡” 在3D显卡发展初期，3dfx公司生产了使用Voodoo 和Voodoo2图形芯片的3D显卡，这类显卡以其专用的3D图形接口获得了比较优秀的3D画面和流畅的游戏速度，至今仍然被爱好电脑游戏的用户们所喜爱，但这类显卡却没有2D显示功能，即不能显示电脑运行时所必须的各种字符和程序菜单等，因此这类3D显卡在使用时必须用一根专用连接线与普通的2D显卡配合使用。在电脑显示一般画面时，显示信号通过3D卡（不作任何处理）直接提供给显示器，当显示的图形需要3D处理时，子卡将自动接替2D显卡来完成所需要的3D图形显示处理工作。由于这类3D显卡只能在2D显示卡的配合下来进行3D图形显示，所以它们被称为“子卡”。二、显卡的基本结构和主要器件 几乎所有的显卡都是由图形处理芯片、RAMDAC（数模转换器/Random Access Memory Digital-to-Analog Converter）芯片、显卡BIOS芯片、显存、主板安装接口、显示信号和功能扩展接口（也叫特性连接端口）所组成。 1.显卡BIOS芯片 显卡BIOS芯片主要用于保存VGA BIOS程序。VGA BIOS是视频图形卡基本输入、输出系统（Video Graphics Adapter Basic Input and Output System），它的功能与主板BIOS功能相似，主要用于显卡上各器件之间正常运行时的控制和管理，所以BIOS程序的技术质量（合理性和功能）必将影响显卡最终的产品技术特性。显卡BIOS芯片在大多数显卡上比较容易区分，因为这类芯片上通常都贴有标签，但在个别显卡如Matrox公司的MGA G200上就看不见，原因是它与图形处理芯片集成在一起了。另外在显卡BIOS芯片中还保存了所在显卡的主要技术信息，如图形处理芯片的型号规格、VGA BIOS版本和编制日期等。由于目前显卡上的图形处理芯片表面都已被安装的散热片所遮盖，用户根本无法看到芯片的具体型号，但能通过VGA BIOS显示的相关信息来了解有关图形处理芯片的技术规格或型号。 通常电脑在加电后首先显示显卡BIOS中所保存的相关信息，然后显示主板BIOS版本信息以及主板BIOS对硬件系统配置进行检测的结果等，由于显示BIOS信息的时间很短，所以必须注意观察才能看清显示的内容。VGA BIOS与主板BIOS一样具有版本，一般情况下版本高的BIOS功能强于低版本，也解决了版本升级前所存在的某些具体问题（BUG）。VGA BIOS目前基本上都使用快闪ROM保存，因此可以由用户根据需要使用特定工具软件进行版本升级，就像升级主板BIOS程序一样。升级显卡BIOS的原则与升级主板BIOS的相同，就是如果没有使用上的需要，就不必进行BIOS版本升级。即使确实须要升级VGA BIOS，也一定要使用原显卡生产厂家所提供或指定的升级工具软件和BIOS文件，这类资料一般由显卡生产厂家通过其在互联网上的主页提供。尽管有媒体曾报道个别发烧友采用不同厂家显卡BIOS文件升级获得成功，但我们最好不要尝试这样做，因为使用型号不同的显卡BIOS文件来升级自己的显卡BIOS版本风险很大，极有可能出现升级后显卡反而无法运行的严重后果。 2.图形处理芯片 图形处理芯片是显卡的核心，显卡的主要技术规格和性能基本上取决于图形处理芯片的技术类型和性能。 衡量显示处理芯片的技术先进性主要是看其所具有的2D/3D图形处理能力、芯片图形处理引擎的数据位宽度、与显存之间数据总线宽度和所支持的显存类型容量、内部RAMDAC的工作时钟频率、具备几条像素渲染处理流水线、所支持的图形应用程序接口（API）种类以及芯片生产工艺技术水平等。 由于表达显示芯片技术性能涉及的一些具体内容较复杂，所以在许多媒体中所列出的显示芯片技术参数中只强调了单位时间内每秒的像素填充率、生成三角形数量以及内核和显存的工作时钟频率、最大图像分辨率（水平点数垂直点数）和刷新率（帧/秒）等。总之以图形芯片能独立、全部、快速完成所有显示2D/3D图形时所需的信息为最好。 根据以上标准，目前通用型和娱乐型图形芯片比较有代表性的应该算nVidia公司的GeForce 256（厂家代号NV10）和TNT2系列、Matrox公司的MGA G400系列和3dfx公司的Voodoo系列。其中目前最先进的图形芯片是GeForce 256，它在芯片中增加了以往各类图形芯片都不具备的T&L引擎（几何）转换和光照处理/Transform & Lightning），因此它基本上可以脱离CPU的帮助独立处理所有2D/3D图形显示数据，所以成为第一块GPU（英语“图形处理器”的缩写）。nVidia公司的TNT2芯片中按性能分为4个等级，能适合不同的用户需求;Matorx公司的G400芯片，由于其特有的凹凸纹理贴图和双屏显示技术在重现图形精美的同时可联接两个显示器（或一个显示器和一个电视机）来分屏幕显示不同内容。相比之下3dfx公司的Voodoo系列则历来以流畅的3D游戏速度和还算精美的画面而为广大喜爱3D游戏的用户所拥戴。当然另外还有不少在性能上与TNT2等相差无几的图形芯片，如S3公司的Savage4和3Dlabs公司的Permedia3等。 3.显存 显卡中显存的用途主要是用来保存由图形芯片处理好的各帧图形显示数据，然后由数模转换器读取并逐帧（可以理解为一幅完整的图像）转换为模拟视频信号再提供给传统的显示器使用，所以显存也被称为“帧缓存”。衡量显存的技术性能有数据存取速度（可通过工作时钟频率体现）和显存容量。存取速度通常用纳秒（ns）表示，数值越小越快。显存容量使用MB表示，数值则是越大越好。 2D显卡中一般安装EDO DRAM显存，其数据存取速度在4060ns之间，容量一般在14MB，部分2D显卡上预留有显存扩容插座可供用户对显存自行扩容;虽然不少速度更快的显存也能应用于显卡，如个别高档显卡中开始使用的DDR（双倍速率SDRAM）和RDRAM（由Rambus公司开发的一种新型高速DRAM），但由于其成本问题（如RDRAM的售价是普通SDRAM的810倍）一时难为多数用户所接受。所以除制图等专业性显卡外，一般通用3D显卡中广泛使用的显存仍然以SDRAM和SGRAM为主，这两种显存的数据存取速度在515ns之间，显存容量理论上越大越好，但由于显卡生产成本和图形芯片支持能力所限，一般显卡上显存配置容量为432MB，极个别显卡配置容量高达64MB。由于SGRAM的存取速度高于SDRAM，所以使用SGRAM显存的显卡在技术性能上比使用同等容量的SDRAM显存的显卡略有提高，但由于SGRAM芯片的生产成本高于SDRAM，所以售价也高于使用SDRAM的显卡。 EDO RAM、SDRAM和SGRAM这三种常用显存可以根据它们的外观区别，EDO RAM和SDRAM安装在显卡电路板上时只是芯片两边有引脚须要焊接，而SGRAM则在芯片四边都有引脚须要焊接在电路板上（具体参考图2）。 4.RAMDAC 由于目前大部分电脑所配置的显示器仍然是传统的模拟CRT（阴极射线管）显示器，这种显示器只能接受用信号电压幅度来控制显像管的发光亮暗程度，所以显卡中的RAMDAC必须将显示图形芯片处理后并存储在显存中的数字显示信号逐帧转换为由三种彩色亮度和行、帧同步信号所共同组成的视频信号，然后通过15针的D型插座输出供显示器使用。 RAMDAC的技术特性主要是工作时钟频率，只有足够高的工作频率RAMDAC才能在单位时间内转换更多帧的显示信号，而显卡的帧刷新率指标（帧/秒）的基本保证条件就是RAMDAC必须在单位时间内转换足够的帧显示信号。 目前有些主流显卡上并不存在独立安装的RAMDAC芯片，这是因为厂家在生产图形处理芯片时已经将RAMDAC集成在其中了。三、显卡的各种接口 显卡虽是一个独立的图形信息处理单元，但必须通过主板安装（总线）接口接受CPU提供的指令和处理信息，在处理完成后再通过视频显示信号接口将有关信息传送给显示设备。以下是显卡常用的各种接口类型和功能。 1.安装（总线）接口 由于电脑的更新换代，使用ISA接口的显卡已经基本淘汰了，目前电脑中常用的显卡与主板安装的接口只有PCI总线和AGP端口两种。这两种接口中PCI接口的显卡所占比例也已不多了，除了以前生产的2D图形卡外就是3dfx公司的部分Voodoo系列芯片还继续使用PCI接口。例如除原来的Voodoo和Voodoo2子卡外，3dfx公司最近又推出了使用PCI接口的Voodoo4和Voodoo5显卡。尽管如此目前显卡中使用最多的还是AGP端口。AGP是英语“加速图形端口”的缩写，是Intel公司专门为图形卡而开发设计的，AGP端口标准目前有AGP 1.0(AGP 1X、AGP 2X)和AGP 2.0（AGP 4X）两种。由于AGP接口使用66MHz的工作时钟频率，所以在理论上AGP 1X也比时钟频率为33MHz的PCI接口数据传输带宽高了一倍（达266MB/s），当接口标准分别为AGP 2X和AGP 4X时，数据带宽可高达540MB/s和1GB/s。另外AGP显卡还支持AGP纹理（即系统内存直接存取）技术，具备此项技术的AGP显卡在需要更大容量显存来处理大量的纹理贴图时，可以通过AGP接口直接利用系统主内存来模拟显存（AGP显卡中3dfx公司的Voodoo3则不具备这一功能）。接口标准不同的AGP显卡的金手指有所不同（见图3），对应电脑主板上的AGP安装插槽也有所不同。根据目前个别厂家所推出的支持AGP4X标准主板上的AGP安装槽看，与原AGP2X标准插槽相比外观上只少了槽中的定位坎，看来AGP2X的显卡仍然可以安装在AGP4X的插槽使用。 2.显示信号接口 一般显卡上的VGA视频信号接口通常只有一个15针的D型插座，供用户联接显示器使用，但有些具备电视信号输出的显卡除了15针D型插座外，还具有DIN型视频信号插座或者5针的S端子视频信号插座（见图4）。另外像Matrox G400MAX一类支持双显示器的显卡通常还提供两个15针的D型显示器插座，支持3D眼镜的显卡也具有相应的连接端口。 3.VGA功能扩展接口 VGA功能插座也叫特性连接端口，是显卡生产厂家预留的(见图1)，这个端口通常是为了使显卡能配合特制的子卡来完成MPEG视频图像解压或视频图像采集等特殊功能而预留的，但一般情况下极少有用户真正能用上。四、显卡的主要技术规格和性能测试 1.技术规格 厂家为显卡提供的技术规格内容主要有: 图形处理芯片型号 表明图形芯片品牌、技术规格等级。 内核2D/3D引擎和时钟频率和数据位宽度 说明芯片内部图形处理引擎的数据总线宽度（如64位、128位或256位等）和内核运行的具体时钟频率。 支持显存类型、容量、数据总线宽度和工作时钟频率 表明显卡使用的显存类型（如是SDRAM或SGRAM等）、容量（实际安装容量多少）。 RAMDAC运行时钟频率 说明RAMDAC的实际运行时钟频率，一般越高越好。 像素填充率 表明显卡处理纹理贴图的速度，通常用tex/s单位计量，意思为每秒处理多少个像素，数值越大越好。 三角形处理速率 意思为每秒处理的三角形数量，速率越高其3D图形显示速度越快。 各种3D图形处理能力 3D显卡对3D图形的处理具体内容很多，所以厂家通常会列出各种3D图形处理专业术语，如单周期多重贴图、雾化、双线性和三线性 过滤等等。 最大纹理贴图分辨率 通常用“多少多少”表示，如“20482948”，此项指标可以反映图形再现的精美程度，因为纹理贴图的分辨率越高，所能处理的3D图形中物体表面的贴图越精细。 32彩色渲染 表示显卡可以对所显示的图形中的景物采用32位真彩（24位就是16.8M种颜色）进行光线和纹理贴图处理，位数越大表明渲染时所使用的颜色数量越多。 32位Z缓冲 在3D图形处理中，Z参数用于表示景物在空间的纵深位置，Z缓冲位数越大表明处理时景物定位越精细、准确。 最大显示分辨率和帧刷率 表明显卡在规定的帧刷新率下所能支持的最大图像显示分辨率，同样采用“水平像素垂直像素”形式表示，如“20481536”，而且必须表明所支持最大分辨率显示的是2D或3D图形。 支持AGP接口标准类型和AGP纹理情况 此项指标可以表示出显卡与CPU和系统内存交换数据时所能达到的最大带宽（根据AGP端口标准确定），是否支持系统内存直接存取或最新的“AGP快取”技术。 支持哪些3D API（应用图形接口标准） 列出显卡所支持的3D图形应用程序接口标准种类，根据显卡所使用的图形芯片而定，但一般都能支持Direct 3D、部分显卡还同时支持OpenGL，而Voodoo系列显卡则支持特有的Glide，同时支持Driect 3D和OpenGL，侧重专业应用的显卡除了支持Driect 3D 和OpenGL外，普遍还能支持Heide。 信号输入/输出接口具体内容就是所提供的显示信号插座种类和数量，除了传统的显示器接口外，部分显卡还开始提供DFP（数字平面显示屏）插座以支持数字接口的液晶或等离子型显示器。 2.显卡的性能测试 除了厂家提供的技术规格和特性参数外，我们还可以根据有关单位对某种显卡的实际测试数据来了解其技术性能。目前非严格条件下对显卡的测试通常是采用专用测试软件和游戏软件进行。其中对显卡的标准测试一般采用美国ZD试验室开发的ZD Winbench99和3Dmark99进行，而实用模拟情况测试通常按惯例选择几个典型的游戏软件进行，如采用“兵人（Expen-dable）”（也可以通过区格3D测试软件测试）对显卡支持Driect 3D情况进行测试，目的主要是看运行“兵人”程序时所能达到的显示结果（如画面流畅程度，以（帧/秒）表示）;使用“雷神之槌/”测试显卡对OpenGL 3D API的支持情况，具体测试时是运行游戏中的两个演示（Demo）程序，测试数据同样是游戏运行时所显示画面的刷新率（帧/秒），自然也是帧数越多越好。 由于通过测试特别是游戏测试所得数据比较直观，因此当我们不能从厂家提供的具体技术参数清楚地了解具体显卡的性能时，也可以通过各种显卡的测试数据来相对了解和比较各种显卡的技术性能。显示接口 显示接口是指显卡与显示器、电视机等图像输出设备连接的接口。例如下图的显卡有三个显示接口，从左到右依次是S端子、VGA接口和DVI接口。 显卡上常见的显示接口有DVI接口、HDMI接口、VGA接口、S端子和其他电视接口。从功能上看，S端子和其他电视接口主要用于TV-out（也叫VIDEO-OUT）和VIDEO-IN功能，VIDEO-IN和VIDEO-OUT合称VIVO。此外，显卡上的DVI接口都是DVI-I接口，包含数字信号和模拟信号两部分。因此很多没有VGA接口的显卡，可以通过一个简单的转接头，将显卡的DVI接口转成VGA接口。DVI和HDMI接口都是数字接口，尤其是带有HDMI接口的显卡，支持HDCP协议，为观看带有版权的高清节目打下基础，而不支持HDCP协议的显卡，不论连接显示器还是电视，都无法正常观看有版权的高清电影、电视节目。 显卡又称显示器适配卡，现在的显卡都是3D图形加速卡。它是是连接主机与显示器的接口卡。其作用是将主机的输出信息转换成字符、图形和颜色等信息，传送到显示器上显示。显卡作为电脑主机里的一个重要组成部分，对于喜欢玩游戏和从事专业图形设计的人来说显得非常重要。目前民用显卡图形芯片供应商主要包括ATI和nVIDIA两家。 显卡的基本构成 GPU 全称是Graphic Processing Unit，中文翻译为图形处理器。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、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。 显示卡 显示卡（Display Card）的基本作用就是控制计算机的图形输出，由显示卡连接显示器，我们才能够在显示屏幕上看到图象，显示卡有显示芯片、显示内存、RAMDAC等组成，这些组件决定了计算机屏幕上的输出，包括屏幕画面显示的速度、颜色，以及显示分辨率。显示卡从早期的单色显示卡、彩色显示卡、加强型绘图显示卡，一直到VGA(Video Graphic Array)显示绘图数组，都是由IBM主导显示卡的规格。VGA在文字模式下为720*400分辨率，在绘图模式下为640*480*16色，或320*200*256色，而此256色显示模式即成为后来显示卡的共同标准，因此我们通称显示卡为VGA。而后来各家显示芯片厂商更致力将VGA的显示能力再提升，而有SVGA（SuperVGA）、XGA（eXtended Graphic Array）等名词出现，近年来显示芯片厂商更将3D功能与VGA整合在一起， 即成为我们目前所贯称的3D加速卡，3D绘图显示卡。 显卡上常见的显示接口有DVI接口、HDMI接口、VGA接口、S端子接口. 像素填充率 像素填充率的最大值为3D时钟乘以渲染途径的数量。如NVIDIA的GeForce 2 GTS芯片，核心频率为200 MHz，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4x2像素x2亿/秒=16亿像素/秒。这里的像素组成了我们在显示屏上看到的画面，在800x600分辨率下一共就有800x600=480，000个像素，以此类推1024x768分辨率就有1024x768=786，432个像素。我们在玩游戏和用一些图形软件常设置分辨率，当分辨率越高时显示芯片就会渲染更多的像素，因此填充率的大小对衡量一块显卡的性能有重要的意义。刚才我们计算了GTS的填充率为16亿像素/秒，下面我们看看MX200。它的标准核心频率为175，渲染管道只有2条，那么它的填充率为2x2 像素x1.75亿/秒=7亿像素/秒，这是它比GTS的性能相差一半的一个重要原因。 显存 显示内存的简称。顾名思义，其主要功能就是暂时将储存显示芯片要处理的数据和处理完毕的数据。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。而现在市面上基本采用的都是DDR规格的，在某些高端卡上更是采用了性能更为出色的DDRII或DDRIII代内存。 两大接口技术 AGP接口 Accelerate Graphical Port是Intel公司开发的一个视频接口技术标准, 是为了解决PCI总线的低带宽而开发的接口技术。它通过将图形卡与系统主内存连接起来，在CPU和图形处理器之间直接开辟了更快的总线。其发展经历了AGP1.0(AGP1X/2X)、AGP2.0(AGP4X)、AGP3.0(AGP8X)。最新的AGP8X其理论带宽为2.1Gbit/秒。 PCI Express接口 PCI Express是新一代的总线接口，而采用此类接口的显卡产品，已经在2004年正式面世。早在2001年的春季“英特尔开发者论坛”上，英特尔公司就提出了要用新一代的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接，并称之为第三代I/O总线技术。随后在2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM在内的20多家业界主导公司开始起草新技术的规范，并在2002年完成，对其正式命名为PCI Express。 现在最热的双卡技术 SLI Scan Line Interlace（扫描线交错）技术是3dfx公司应用于Voodoo 上的技术，它通过把2块Voodoo卡用SLI线物理连接起来，工作的时候一块Voodoo卡负责渲染屏幕奇数行扫描，另一块负责渲染偶数行扫描，从而达到将两块显卡“连接”在一起获得“双倍”的性能。 主流软件特效 DirectX 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，它包含有Direct Graphics(Direct 3D+Direct Draw)、Direct Input、Direct Play、Direct Sound、Direct Show、Direct Setup、Direct Media Objects等多个组件，它提供了一整套的多媒体接口方案。只是其在3D图形方面的优秀表现，让它的其它方面显得暗淡无光。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，而今已发展成为对整个多媒体系统的各个方面都有决定性影响的接口。 Direct3D 要讲Direct3D不能不讲DirectX, DirectX是微软开发并发布的多媒体开发软件包，其中有一部分叫做DirectDraw是图形绘演API，提供对图形的强大的访问处理能力，而在DirectDraw中集成了一些三维图形相关的功能，叫做Direct3D。大概因为是微软的手笔，有的人就说它将成为3D图形的标准。