Изображение на экране дисплея состоит из мельчайших точек, называемых пикселями. При наиболее распространенном разрешении Full HD их количество превышает 2 млн, и ПК должен решить, что делать с каждым из них. Для этого нужен посредник, который мог бы преобразовать двоичные данные в видимое изображение. Если компьютер не справляется с этой задачей с помощью аппаратного обеспечения материнской платы, ее выполнение берет на себя графическая карта.
Производимые вычисления сложны, но устройство и принцип работы видеокарты понять легко. В данной статье рассмотрены ее основные компоненты, их функции, а также факторы, сочетание которых обеспечивает высокую производительность и эффективность ПК.
Как работает видеокарта?
Компьютер можно представить в виде организации с собственным художественным отделом, в который направляется запрос нарисовать картину. Отдел решает, каким должен быть рисунок, а затем наносит его на бумагу. В конце концов, чья-то идея реализуется в видимое изображение.
Принцип работы видеокарты такой же. Процессор и программное обеспечение передают информацию на графическую карту, которая решает, какими должны быть пиксели на экране, чтобы получилось требуемое изображение. Затем эти данные направляются по кабелю на монитор.
Создавать изображение из двоичных чисел сложно. Чтобы вывести на экран трехмерную картинку, графическая карта сначала должна рассчитать каркас из прямых линий. Затем она заполняет его пикселями. После этого добавляются цвет, освещение и текстура. В высокоскоростных компьютерных играх графический процессор должен выполнять все эти расчеты не менее 60 раз в секунду. Без него нагрузка на ЦПУ была бы слишком велика.
Работа видеокарты компьютера, в принципе, зависит от следующих 4-х основных составных частей:
- соединения с материнской платой, через которое поступают питание и данные;
- процессора, который занимается обработкой каждого экранного пикселя;
- графической памяти, хранящей данные о каждом пикселе и завершенных изображениях;
- системы вывода на дисплей конечного результата.
Графический процессор
Принцип работы видеокарт основан на получении данных из ГПУ и преобразовании их в изображения.
Подобно материнской плате, графическая карта – это печатная плата с процессором и ОЗУ. Она также оборудуется микросхемой системы ввода-вывода (БИОС), в которой хранятся настройки и которая при запуске диагностирует работу памяти, системы ввода и вывода.
Графическое процессорное устройство похоже на ЦПУ компьютера. Однако ГПУ специально спроектировано для проведения сложных геометрических и математических вычислений, которые нужны для рендеринга изображения. В некоторых наиболее быстрых процессорах транзисторов больше, чем в среднем ЦПУ. ГПУ выделяет много тепла, поэтому обычно охлаждается радиатором или кулером с вентилятором.
Помимо огромной вычислительной мощности, графические процессоры для анализа и использования данных взаимодействуют со специальным программным обеспечением. Компании nVidia и ATI выпускают подавляющее большинство чипов для видеокарт. Они разрабатывают собственные средства повышения производительности. Чтобы достичь более высокого качества изображения, в графических процессорах используются:
- полноэкранное сглаживание краев 3D-объектов;
- анизотропная фильтрация, повышающая четкость видео.
При сохранении общего принципа работы видеокарт каждый производитель разрабатывает собственные техники окрашивания, наложения оттенков, текстур и шаблонов.
Поскольку ГПУ создает изображения, оно должно их где-то хранить. Для этого служит оперативное запоминающее устройство. Оно хранит информацию о всех пикселях, их цвете и местоположении. Часть ОЗУ также может выполнять функцию буфера кадров с завершенными изображениями, пока не придет время их отобразить. Как правило, память работает с очень высокой скоростью и является двунаправленной, т. е. система может считывать и записывать данные одновременно.
Графическое ОЗУ непосредственно подключено к цифро-аналоговому преобразователю ЦАП, который преобразует изображение в сигнал, используемый дисплеем. В некоторых видеокартах есть несколько таких модулей, что повышает производительность и позволяет поддерживать больше одного монитора.
ЦАП направляет окончательное изображение по кабелю. Подробно принцип работы видеокарты с интерфейсами описан ниже.
Разъем PCI
Графические карты соединяются с компьютером через разъем на материнской плате. По нему подается питание и происходит обмен данными с процессором. Мощные видеокарты часто используют больше энергии, чем позволяет системная плата, поэтому они снабжаются разъемом для прямого соединения с блоком питания.
Подключение обычно производится через интерфейсы PCI, AGP и PCI Express (PCIe). Последний является наиболее современным и обеспечивает наибольшую скорость передачи данных между картой и материнской платой. PCIe поддерживает использование нескольких ускорителей графики одновременно.
Принцип работы видеокарты: подключение монитора
Большинство графических карт позволяют вывести изображение на 2 дисплея. Соединение производится через порты DVI, HDMI, DisplayPort, поддерживающие ЖК-мониторы, и VGA, к которому подключаются экраны ЭЛТ-типа. На некоторых картах есть 2 DVI-порта. Но это не исключает возможность использование электронно-лучевых трубок, поскольку они могут подключаться через адаптер. Компания Apple ранее производила мониторы с фирменным разъемом ADC, который был заменен портом DVI, а затем – Thunderbolt на основе USB-C, обратно совместимый с HDMI и DisplayPort.
Большинство пользуется только одним дисплеем. Тем, кому необходимо 2 монитора, могут приобрести графическую карту с возможностью вывода изображения два экрана. Такие ПК могут поддерживать 4 и более дисплеев.
Другие соединения
В дополнение к материнской плате и монитору некоторые графические карты позволяют подключиться к:
- телевизионному дисплею (через выход TV-out либо S-video);
- аналоговым видеокамерам (посредством ViVo и видеовхода);
- цифровым камерам (через USB или FireWire).
Отдельные видеокарты снабжаются телетюнерами.
DirectX и Open GL
Интерфейсы прикладного программирования API обеспечивают эффективное взаимодействие программ и аппаратных средств, предоставляя простые средства выполнения сложных задач (например, трехмерной визуализации). Разработчики оптимизируют графические игры для конкретных API. Вот почему новейшие игры часто требуют обновить версию Open GL и DirectX.
АРІ отличаются от драйверов, являющихся программами, которые дают возможность аппаратным средствам работать с ОС компьютера. Однако обновление драйверов также может обеспечить корректное функционирование приложений.
Эволюция
С тех пор, как IBM произвела первый образец в 1981 г., принцип работы видеокарт не изменился. Тогда их называли монохромными адаптерами дисплея. С их помощью можно было вывести на черно-белый экран только текст. Минимальным стандартом для видеокарт является VGA, поддерживающий 256 цветов. А благодаря таким высокопроизводительным стандартам, как 4К UHD, на экран можно выводить миллионы цветов с разрешением 3840 x 2160 пикселей.
Выбор видеокарты
Хорошая графическая карта имеет быстрый процессор и большой объем оперативной памяти. Часто она выглядит очень привлекательно. Высокопроизводительные модели отличаются ярким дизайном с декоративными вентиляторами и радиаторами.
Высокопроизводительные видеокарты предлагают гораздо большую мощность, чем необходимо большинству пользователей. Те, кто использует свои ПК для чтения электронной почты, обработки текста и веб-серфинга, найдут все необходимое в материнской плате со встроенной графикой. Большинству непостоянных геймеров достаточно видеокарты среднего уровня. Мощные графические ускорители нужны только любителям компьютерных игр и дизайнерам, которые занимаются 3D-моделированием.
Принцип работы видеокарты в ноутбуке и ПК одинаковый, хотя из-за дефицита свободного пространства первые внешне отличаются от вторых. Хорошим параметром оценки производительности графических карт является частота кадров. Человеческий глаз воспринимает около 25 к/с, но для плавной анимации в некоторых играх нужна скорость более 60 к/с. Частота кадров определяется:
- Числом треугольников или вершин в секунду, составляющих трехмерные изображения. Этот параметр описывает скорость расчета всего полигона или вершин, которые его определяют.
- Пиксельной скоростью заполнения, которая указывает на то, ка быстро ГПУ способно растрировать изображение.
Быстродействие
Скорость работы видеокарты прямо зависит от аппаратного обеспечения. На ее быстродействие больше всего влияют следующие технические характеристики:
- тактовая частота;
- ширина шины памяти;
- пропускная способность ОЗУ;
- объем оперативной памяти и ее частота;
- частота ЦАП.
ЦПУ и материнская плата ПК также играют определенную роль, поскольку даже очень быстрая видеокарта не способна компенсировать плохую работу системы.
Интегрированная графика
Многие ПК оборудованы интегрированными в процессор видеокартами. Принцип работы таких графических ускорителей отличается от дискретных карт тем, что они разделяют оперативную память с ЦПУ. Они легко справляются с двумерными изображениями, поэтому идеально подходят для офисных и интернет-приложений. Установка дискретной карты к таким материнским платам отключает встроенные графические функции.
