Медведев-Видеоадаптеры. Реферат по дисциплине (специализации) Аппаратные средства вычислительной техники

ВВЕДЕНИЕ ....4

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 5

1. ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ 5

Выводы по разделу один..........................................................................................5

2. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ВИДЕОАДАПТЕРОВ 6

2.1. Видеоадаптер MDA 6

2.2. Видеоадаптер CDA 6

2.3. Видеоадаптер EGA 7

2.4. Видеоадаптеры VGA, XGA и SVGA 7

2.5. Зарождение трехмерных видеокарт 9

Выводы по разделу два 11

3. ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО СОВРЕМЕННЫХ ВИДЕОАДАПТЕРОВ 13

3.1. Принцип работы 13

3.2. Устройство видеокарты 14

3.3. Разъемы для подключения видеокарты в компьютер 15

3.4. Разъемы видеокарты 15

Выводы по разделу три 16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 17

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 18

ВВЕДЕНИЕ

Ни для кого не секрет, что мы живем в веке быстроразвивающихся технологий. Компьютеры (особенно персональные) стремительно наращивают производительность, а количество данных, обрабатываемых ими, растет в геометрической прогрессии. Увеличение нагрузки на компьютеры и повышение разнообразия данных неуклонно привели к тому, что компьютер перестал быть монолитным устройством, построенным на единой текстолитовой основе. Сегодня разные функции выполняют разные устройства, что положительно сказывается на общей производительности ЭВМ. Одним из таких устройств, которые специализированы на выполнении одной конкретной задачи, является видеоадаптер, выполняющий функции обработки, главным образом, графических данных и отображения их на устройствах вывода.

Цель реферата – изучить историю возникновения и развития, устройство и принцип работы видеоадаптеров.

Для выполнения поставленной цели поставлены следующие задачи:

1. 
   Найти в различных источниках информацию об этапах развития видеоадаптеров и фирмах, специализирующихся на их выпуске.
   
2. 
   Изучить внутреннее строение современных видеоадаптеров и понять, каким образом ими осуществляется обработка данных.
   
3. 
   Сделать соответствующие выводы.
   

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Видеоадаптер (или видеокарта) в компьютере в общем смысле – электронная плата, предназначенная для хранения видеоинформации и ее отображения на экране монитора. Она непосредственно управляет монитором, а также процессом вывода информации на экран.  Компьютерные видеоподсистемы могут работать в одном из двух основных видеорежимов: текстовом или графическом. В текстовом режиме экран монитора разбивается на отдельные символьные позиции, в каждой из которых одновременно может выводиться только один символ. Текстовый режим в современных операционных системах используется только на этапе начальной загрузки.  В графическом режиме для каждой точки изображения, называемой пикселем, отводится от одного (монохромный режим) до 32 бит информации. Графический режим часто называют режимом с адресацией всех точек (All Points Addresable), поскольку только в этом случае имеется доступ к каждой точке изображения. Максимальное разрешение и количество воспроизводимых цветов конкретной видеоподсистемы в первую очередь зависят от общего объема видеопамяти и количества бит, приходящихся на один пиксель.  За время существования IBM PC-совместимых микрокомпьютеров сменилось несколько поколений видеоадаптеров и связанных с ними стандартов представления изображения. Основными параметрами этих стандартов являются разрешение (количество символов, или пикселей, размещающихся по горизонтали и вертикали экрана монитора), количество цветов и частота кадровой развертки (частота перерисовки изображения).

Современные видеоадаптеры постепенно расширяют свою функциональность и находят все новые области применения, удовлетворяя неограниченным потребностям конечных пользователей.

Выводы по разделу один

Видеоадаптер предназначен для хранения видеоинформации и ее отображения на экране монитора. Компьютерные видеоподсистемы могут работать в одном из двух основных видеорежимов: текстовом или графическом. За время существования IBM PC-совместимых микрокомпьютеров сменилось несколько поколений видеоадаптеров и связанных с ними стандартов представления изображения.

2. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ВИДЕОАДАПТЕРОВ

В 70-е годы прошлого столетия компьютеры нельзя было назвать роскошью, потому что они просто были недоступны массовому потребителю. Но именно в это время небезызвестная ныне компания IBM, которая успешно развивалась в данном направлении, приняла решение создать «массовый» компьютер. И уже в августе 1981 года она смогла похвастаться своим первым персональным компьютером – IBM PC с модельным номером 5150.

Примечательно, что в то время компания предпочитала использовать в своих разработках только комплектующие собственного производства, но, несмотря на это, новый компьютер был укомплектован практически полностью компонентами сторонних производителей. В базовой комплектации компьютер поставлялся без жесткого диска, флоппи-дисковода и монитора. Их нужно было покупать по отдельности. Также отдельно приходилось покупать и различные платы расширения, включая и графические адаптеры.

На тот момент покупатель мог выбрать один из двух адаптеров  – либо Monochrome Display Adapter (MDA) либо Color Graphics Adapter (CGA). Впоследствии видеоадаптер MDA оказался более популярным, нежели другой представитель – CGA. В будущем появилось множество усовершенствованных видеоадаптеров, речь о которых пойдет позже.

1. 
   Видеоадаптер MDA
   

Видеокарты стандарта MDA (Monochrome Display Adapter) использовались в IBM PC самыми первыми, они были представлены IBM в 1981 году и имели 4 КБ памяти на борту, частоту развертки 50 Гц и разрешение 720х350 точек(80х25 символов). MDA-адаптеры были монохромными и работали в текстовом режиме, не умея работать с отдельными пикселями. По сути, задача сводилась к тому, чтобы «распечатать» на мониторе текст, как на принтере. Однако, в отличие от принтера, на мониторе изображение необходимо регенерировать, поэтому программе постоянно приходилось посылать страницу «на печать» в порт монитора. Также адаптер умел работать с самим принтером посредством наличия на плате контроллера параллельного порта, отвечавшего за это.

2. 
   Видеоадаптер CDA
   

На смену MDA в 1982 году пришел стандарт CGA (Color Graphics Adapter) и привел за собой жесткую стандартизацию. Это была первая революция в видеоадаптерах. Видеоадаптеры CGA были цветными и графическими (если быть точнее, они поддерживали как символьный, так и графический вывод). Палитра CGA состояла из 16 цветов. При разработке CGA главной задачей была универсальность, а потому использовалась стандартная частота развертки – 60 Гц.

Камнем преткновения на этом этапе была видеопамять, точнее, ее объем. Дело в том, что модули памяти в то время были дико дорогими, поэтому CGA-адаптеры стандартно комплектовались 16 Кб видеопамяти. И если в текстовом режиме 80х25 символов (то есть 640х200 пикселей) видеокарта могла выводить все 16 цветов, то в графическом режиме в разрешении 320х200 памяти хватало лишь на то, чтобы одновременно выводить только 4 цвета, причем не любые, а только стандартные палитры. С этого момента все узлы адаптера стали работать на частоте кадровой развертки, так как возникали конфликты с видеопамятью, проявляющиеся в виде «снега» на экране (произвольные короткие горизонтальные линии). Их появление обуславливалось тем, что в CGA не поддерживалось одновременное чтение и запись в память.

В текстовом режиме размер матрицы символа был 9х14 точек, однако можно было установить размер матрицы 8х8, что хотя и ухудшало восприятие текста, но зато позволяло разместить на экране больше информации.

Несмотря на улучшенные объем памяти и наличие режима работы с графикой, адаптер CDA был неудобен в использовании из-за вышеизложенных проблем, а потому известности не сыскал.

На смену адаптерам MDA и CGA пришло решение Enhanced Graphics Adapter (EGA).

3. 
   Видеоадаптер EGA
   

EGA-адаптер, представленный IBM в 1984 году, был первой видеокартой, способной воспроизводить нормальное цветное изображение. EGA поддерживал 16 цветов и разрешение до 640х350 точек. Также поддерживались CGA режимы: 640х200 и 320х200. Первые карты могли работать с мониторами обоих типов. Переключение между режимами осуществлялось при помощи dip-переключателей на задней планке видеоадаптера. Также поддерживались и текстовые режимы. Стандартный объем видеопамяти составлял 64 Кб. В более поздних EGA-клонах фирм ATI Technologies и Paradise с объемом памяти 256 Кб были доступны режимы: 640х400, 640х480 и 720х540.

Видеопамять была разделена на четыре банка (четыре цветовых слоя). Таким образом, по одному адресу располагалось четыре байта. Процессор мог заполнять их одновременно. В результате скорость заполнения кадра значительно увеличилась.

Отличительной чертой от предыдущих видеоадаптеров было добавление в ПЗУ видеокарты не графических примитивов, а наборов инструкций для их построения, что ознаменовало зарождение ускорителей. Частота регенерации кадра осталась 60 Гц. Интерфейс с монитором по-прежнему цифровой.

В 1987 был осуществлен прорыв, как его называют многие люди, в индустрии видеоадаптеров – появление стандарта Video Graphics Array (VGA) и его производных – XGA и Super VGA (SVGA).

4. Видеоадаптеры VGA, XGA и SVGA

Стандарт VGA был представлен все той же IBM в 1987 году. Революцией являлось появление цифроаналогового преобразователя в VGA-адаптерах. Это было связано с переходом от цифрового управления монитором к аналоговому. Все дело в том, что VGA-видеокарта могла отображать значительно больше оттенков, чем видеоадаптеры всех предыдущих стандартов: теперь для кодирования каждого цвета требовалось не 2 бита, а целых 6, то есть 18 проводов на цвета, плюс один провод на сигнал синхронизации, что нецелесообразно. Поэтому в монитор стали передавать аналоговый сигнал, от уровня которого зависел уровень яркости соответствующей RGB-пушки. В связи с этим возникла необходимость установить на видеоадаптер цифро-аналоговый преобразователь. VGA-адаптеры комплектовались 256 Кб видеопамяти и поддерживали следующие режимы: 640х480 – 16 цветов, 640х400 – 16 цветов, 320х200 – 16 цветов и 320х200 – 256 цветов. Палитра VGA составляла 262144 оттенков (2^18, по 64 уровня яркости на каждый RGB-цвет). Начиная с этого адаптера, применяются разрешения с соотношением сторон 4:3.

VGA был одним из самых клонируемых стандартов и последней коммерчески успешной разработкой IBM в области видеокарт.

Цифро-аналоговый преобразователь служит для преобразования результирующего потока данных, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на монитор. Все современные мониторы используют аналоговый видеосигнал, поэтому возможный диапазон цветности изображения ограничен только соображениями целесообразности. Большинство ЦАП имеют разрядность по 8 бит на каждый из трех каналов основных цветов (красный, синий, зеленый – RGB), по 256 уровней яркости на каждый цвет, что в сумме дает 16.7 млн. цветов. Обычно ЦАП совмещен на одном кристалле с видеоконтроллером.

В конце октября 1990 года фирма IBM объявила о выпуске видеоадаптера XGA Display Adapter для системы PS/2, а в сентябре 1992 года – представила XGA-2. Оба устройства – 32-разрядные адаптеры. Один из недостатков реализаций XGA – использование развертки с чередованием в режимах высокого разрешения. Это позволяло снизить стоимость системы за счет более дешевого монитора, но на экране появлялось мерцание из-за снижения частоты регенерации. В стандарте XGA-2 чересстрочная развертка уже не применялась. В адаптерах XGA и XGA-2 использовалась видеопамять типа VRAM, что позволило увеличить производительность. XGA поддерживал следующие разрешения: 1024х768 – 256 цветов, 640х480 – high color (16-битный цвет, или 65536 оттенков). XGA-2 дополнительно поддерживал 1024х768, high color и высокую частоту регенерации, а также 1360х1024, 16 цветов.

С появлением видеоадаптеров XGA конкуренты IBM решили не копировать эти расширения VGA, а начать выпуск более дешевых видеоадаптеров с разрешением, которое выше разрешения IBM. Эти видеоадаптеры образовали категорию Super VGA (SVGA). Поскольку SVGA-карты не были так же хорошо стандартизированы, как VGA, они отличаются, мягко говоря, большим разнообразием. Чтобы использовать все возможности большинства плат, был необходим драйвер для конкретной видеоплаты. В октябре 1989 года ассоциация VESA (Video Electronic Standards Association), учитывая все сложности, предложила стандарт для единого программного интерфейса с этими платами. В эту ассоциацию вошли представители большинства компаний, выпускающих аппаратуру для ПК, в том числе и аппаратуру отображения. Новый стандарт был назван VESA BIOS Extension. Если видеоадаптер удовлетворяет этому стандарту, программно можно легко определить его специфические соответствия и использовать их в дальнейшем.

Итак, этим ознаменовалось появление первых 2D-ускорителей. Графические ускорители активно стали использоваться для обработки не только каких-то конкретных документов, но и для обработки графики в видеоиграх, постепенно получающих широчайшее распространение. Поскольку в конечном счете ресурс 2D-ускорителей был, грубо говоря, исчерпан, производители, большинство из которых были тогдашними новичками на рынке, начали к началу 1990-х гг. освоение новой ниши – 3D-видеоадаптеров – и борьбу за превосходство в этом сегменте. IBM теряет позиции, уступая место таким компаниям, как NVIDIA, ATI, 3Dfx и прочим.

5. Зарождение трехмерных видеокарт

Считается, что среди первопроходцев в области 3D-видеокарт для массового потребителя стало решение компании S3 – ViRGE (Virtual Reality Graphics Engine), выпущенное в 1995 году. ViRGE изначально был создан как 3D-ускоритель, однако в режиме 2D он работал куда лучше. При обработке трехмерного изображения его производительность моментально снижалась, в частности это наблюдалось при использовании билинейной фильтрации. Из-за скорости работы пользователи дали ему прозвище «деселератор» (от англ. decelerator – тормоз). Зато с двухмерной графикой он справлялся очень хорошо, например, обработка пользовательского интерфейса системы Windows была на высоте. Для комфортной игры пользователям приходилось использовать связку ViRGE и несколько позже вышедшую видеокарту Voodoo Graphics от компании 3Dfx.

В 1996 году канадский производитель ATI представил свое собственное решение – 3D-видеокарту Rage и несколько позже Rage II. Первое поколение этих ускорителей было основано на процессоре Mach64, который был разработан в основном для обработки двухмерной графики. Спустя некоторое время он был доработан и обзавелся поддержкой 3D и функции ускорения видео в формате MPEG-1.

Но наиболее яркий след в истории оставила именно видеокарта второго поколения – Rage II. Устройство оснащалось все тем же процессором Mach64, только немного переработанным, и способным работать с разными типами памяти: SDRAM, EDO и SGRAM. Объем памяти мог составлять 2, 4 и 8 Мб. Для памяти SGRAM частота составляла 83 МГц. При этом графический процессор работал на частоте 60 МГц.

В 1996 году появился легендарный ускоритель Voodoo Graphics (Voodoo 1) от компании 3Dfx Interactive, которая в то время была самым молодым участником рынка графических устройств. Компанию основали в 1994 году три выходца из компании Silicon Graphics. Сначала компания создавала процессоры для игровых автоматов, а первым устройством, где они были применены, стал бейсбольный симулятор ICE Home Run Derby. Позже были выпущены и другие игровые автоматы, среди которых можно отметить 3D Hockey и San Francisco Rush. Процессоры от компании 3Dfx отличались великолепной на то время 3D-графикой и поэтому разработками компании заинтересовались даже производители игровых приставок. Компания 3Dfx изначально не планировала выходить на рынок персональных компьютеров. Но в 1996 году стоимость производительной памяти типа EDO значительно снизилась, и по этой причине 3Dfx удалось наладить выпуск высокопроизводительных устройств по довольно низкой цене. Так появился на свет видеоускоритель Voodoo Graphics. Из недостатков Voodoo было то, что эта видеокарта могла работать только с трехмерным изображением. Поэтому, чтобы обрабатывать 2D графику, необходимо было добавлять в систему еще один видеоадаптер. Именно поэтому во второй половине 90-х годов распространение получила система из видеокарт ViRGE и Voodoo.

Компания NVIDIA ворвалась в рынок видеокарт, выпустив в 1997 году свое первое популярное решение - видеокарту RIVA 128. Основное отличие RIVA 128 заключалось в том, что эта видеокарта объединяла в себе функции 2D- и 3D-ускорителя. По производительности и качеству графики RIVA 128 уступала Voodoo, однако ее цена была меньше. Именно благодаря цене и поддержке 2D и 3D режимов большинство OEM-производителей стали отдавать предпочтение решениям компании NVIDIA.

В 1998 году на рынке появился новый ускоритель компании 3Dfx – Voodoo2, ставший логическим продолжением версии Voodoo Graphics. После неудачи Voodoo Rush в 3Dfx решили продолжить выбранное направление. Процессор в Voodoo2, как и в Voodoo, мог обрабатывать только трехмерное изображение, но при этом получил еще один дополнительный текстурный модуль, значительно увеличивший производительность видеокарты. Это было очень заметно в таких играх, как Quake 2 и Unreal. Важно, что вместе с ускорителем Voodoo2 компанией 3Dfx была представлена знакомая многим из нас и эффективная по сей день технология SLI (Scan-Line Interleave), которая обеспечивала работу в системе одновременно двух ускорителей Voodoo2. Но технология была сырой и работала с недочетами.

1998 год оказался урожайным для рынка видеокарт. Помимо 3Dfx и NVIDIA, свою 3D-видеокарту под названием G200 представил канадский производитель Matrox. Видеокарта Matrox G200 выдавала одно из самых качественных изображений. Но одной из проблем G200 было программное обеспечение. Впрочем это было характерно для многих видеокарт того времени. Для запуска большинства компьютерных игр видеокарта использовала специальный драйвер OpenGL-to-Direct3D, из-за которого значительно снижалась производительность устройства. При этом программисты обещали исправить ситуацию в кратчайшие сроки, но решить все проблемы удалось лишь уже в следующем поколении графических адаптеров, появившемся на рынке в 2000 году.

Пока NVIDIA и 3Dfx были заняты борьбой за лидирующие позиции, другие менее заметные производители тихо разрабатывали и выпускали собственные графические устройства, пытаясь противостоять топовым продуктам. Во втором квартале 1999 года компанией ATI на рынок были выпущены видеокарты ATI Rage Fury, ATI Rage Magnum и ATI Xpert 128 на базе нового чипа Rage 128, которые по предположениям разработчиков и маркетологов должны были составить конкуренцию RIVA TNT. Но, как ни старались канадские разработчики, видеокарты ATI все еще отличалась невысоким уровнем обработки трехмерного изображения, в первую очередь из-за ужасного качества драйверов. К другим недостаткам можно было отнести и низкий уровень сжатия текстур. В результате большинство пользователей отдавало свои предпочтения конкурентным решениям NVIDIA и 3Dfx, а ATI вновь пришлось довольствоваться на рынке видеокарт ролью второго плана.

В начале осени 1999 года произошло знаковое событие – вышла новая серия видеокарт компании NVIDIA – GeForce 256, в основе которой был положен чипсет с кодовым названием NV10. Таким образом, многими любимый бренд GeForce в 2014 году отмечает свое пятнадцатилетие. И несмотря на то что за все время существования этого бренда было выпущено множество удачных продуктов, одной из ключевых ролей в его становлении принадлежит именно первому поколению видеокарт с индексом 256.

NVIDIA объявила о выходе своего новейшего графического процессора, который был впервые назван ныне всем известной аббревиатурой – GPU (Graphics Processing Unit).

Выход в свет видеокарт на базе чипсета Rage 128 и впоследствии его улучшенной версии Rage128 Pro, не принес компании ATI практически никаких дивидендов. Ее решения так и не смогли составить конкуренцию продуктам NVIDIA и 3Dfx. Но канадцы решили не сдаваться и в начале 2000-ого года представили общественности технологию Multiple ASIC Technology (MAXX).

MAXX была чисто программным решением, позволяющим для выполнения одной задачи использовать одновременно сразу два графических процессора. Сама по себе эта идея была не нова, так как 3Dfx к тому моменту уже вовсю использовала собственную технологию SLI для объединения двух ускорителей, что позволяло поднимать производительность видеоподсистемы более чем в полтора раза. Правда в отличие от конкурента, ATI решила объединить мощь двух процессоров на одной плате, а воплощением этой инженерной мысли стала видеокарта ATI Rage Fury Maxx. Но как уже часто случалось, из-за извечных проблем с программным обеспечением производительность Fury Maxx все равно оставляла желать лучшего. Резкие перепады выдаваемой частоты кадров в высоких разрешениях, артефакты при прорисовке текстур и другие проблемы подпортили впечатление от новинки.

Тем временем компанией 3Dfx был подготовлен ответ на решения NVIDIA, которые все больше и больше завоевывали популярность среди геймеров – Voodoo5 с чипом VSA-100. Видеокарты Voodoo5 имели различные интерфейсы, среди которых были PCI AGP и версия для компьютеров Mac. По производительности они были впереди конкурирующих решений в лице ATI Rage 128 Fury MAXX и GeForce 256. Но, к огромному сожалению компании, успешным данный ускоритель не стал, так как 3Dfx банально опоздала с запуском новой серии. Несмотря на то, что анонс новых чипов VSA-100 состоялся осенью 99-ого года, платы на их основе добрались до реального потребителя лишь летом 2000-ого.

Выводы по разделу два

Начало массового развития видеоадаптеров датируется 1981 годом и выходом видеоадаптеров с интерфейсами MGA и CGA. Дальнейшее развитие их приводит к появлению по-настоящему революционного решения – VGA, XGA и SVGA-адаптеров, ознаменовавших кульминацию развития двумерных видеоадаптеров. Эта эпоха характеризуется господством компании IBM на рынке видеокарт.

Ближе к началу 1990-х годов двумерные видеокарты устаревают и производители устремляют взор на принципиально новый уровень развития видеоадаптеров – трехмерные адаптеры.

В 1990-ых множество производителей старалось найти свое место под солнцем и не упустить свой лакомый кусок пирога на стремительно развивающемся рынке графических решений для персональных компьютеров. Среди них были и 3Dfx, и ATI, и NVIDIA, и Intel, и многие другие. Но к началу нового века все они были буквально сметены двумя североамериканскими компаниями – ATI и NVIDIA. Стало ясно, что дальнейший раздел рынка, скорее всего, пойдет именно между этими игроками.

В конце концов, компания 3Dfx, попытавшаяся в начале 2000-х гг. выпустить конкурента картам от NVIDIA и провалившаяся, была куплена самой NVIDIA (по большому счету, ради разработок обанкротившейся компании, особенно технологии SLI, которую NVIDIA активно использует по сей день).

В связи с чудовищным развитием компьютерной игровой индустрии, производители видеоадаптеров бросили почти все усилия на разработку продуктов, обеспечивающих максимальное быстродействие в играх. В течение следующих 14 лет компании ATI (с 2006 года американская компания AMD, специализирующаяся на производстве микропроцессоров, купив ATI, выпускает видеокарты Radeon под своим именем) и NVIDIA, буквально столкнув всех конкурентов с гонки за лидерство, агрессивно борются между собой, пытаясь заполучить доверие пользователей ПК.

Как и компьютеры в целом, видеоадаптеры за относительно короткий промежуток времени прошли гигантский путь вперед. От 4 КБ до 6 с лишним ГБ, от 350 нм до 28 нм, от 50 Гц до 2000 с лишним МГц, от одного монитора с разрешением 320х200 до четырех объединенных мониторов с общим разрешением 4096x2160 – развитие видеоадаптеров не прекращается и по сей день, позволяя нам создавать удивительные по своей мощности настольные решения, позволяющие обрабатывать огромнейшие потоки данных.

3. ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО СОВРЕМЕННЫХ ВИДЕОАДАПТЕРОВ

   1. Принцип работы

Процесс обработки графических данных – это очень сложный процесс. Чтобы получить на экране монитора определенное изображение, видеокарта выполняет много различных операций. Она получает информацию о будущей картинке от центрального процессора, после этого строит ее каркас, состоящий из точек (их называют «вершинами»).

Затем на этот каркас помещаются плоские кусочки – «полигоны». Под конец специальные программы («шейдеры») сглаживают углы, а на последнем этапе полученная фигура покрывается цветовой текстурой.

Т.к. картинка постоянно изменяется (особенно в компьютерных играх), расчеты должны производиться с очень большой скоростью. Только так можно обеспечить формирование необходимого количества кадров за 1 секунду. Идеальным для человеческого глаза является частота, равная 25 кадров/сек. (англ. – FPS или Frames Per Second). Если количество кадров меньше, то будет заметно «торможение».

В трехмерной графике все объекты создаются как совокупность множества (счет идет на миллионы) треугольников, а треугольники затем образуют полигоны (но полигон, вообще говоря, любая плоская фигура с количеством углов >=3). Работа начинается с определения полигонов для каждого из объектов изображения. Далее выполняется анализ перемещения каждого из объектов относительно наблюдателя, включая и вращение относительно собственной оси. Кроме этого, определяется, как подсветка отражается на каждом объекте. Весь этот анализ исходит из отрисовки 30 кадров/с, хотя для терпимого качества достаточно иметь 10-15 кадров/с.

Так как весь объект состоит из треугольников, все операции выполняются с координатами вершин треугольников и при перемещении объекта координаты вершин пересчитываются. При освещении объекта определяется уровень освещенности каждой вершины треугольника, а уровень освещенности каждой точки внутри треугольника вычисляется как средневзвешенное значение относительно вершин.

Весь процесс создания трехмерной картинки состоит из двух частей: Сначала создается геометрия объекта из множества треугольников, а затем выполняется отображение объекта на экране или, как принято в 3D описаниях, рендеринг (от слова render - изображать). Большинство современных видеокарт с 3D ускорителями не занимаются обсчетом вершин (т.е. первой частью), а выполняют только рендеринг. Это объясняется тем, что первая часть работы требует чрезвычайно интенсивных вычислений и она, как правило, возлагается на центральный процессор. Именно поэтому результаты тестирования видеокарт существенно зависят от производительности процессора.

Собственно рендеринг состоит из четырех основных задач: растеризации, z-буферизации, затенения и нанесения текстур. "Правильная" 3D видеокарта аппаратно выполняет все эти операции.

Качество растеризации зависит от возможностей видеокарты – лучшие карты не выполняют цветовую обработку пикселей всего треугольника, если часть его выходит за границу видимости объекта. Обрабатываются только видимые пиксели. В не очень хороших картах весь треугольник, попадающий на край объекта, может быть обработан или весь не обработан. Поэтому в мощных картах край изображения выглядит намного ровнее. Этот механизм называют также anti-aliasing.

При z-буферизации определяется, какие треугольники частично или полностью видимы относительно других треугольников. Этот механизм называется z-буферизацией, так требуется сохранять третью координату для каждой вершины треугольника и анализировать ее. После этого процесса становится известно, что следует рисовать на переднем плане, а что на заднем.

Затенение формирует цвет каждого треугольника в зависимости от освещения или тени, падающей на объект. Самым популярным методом сейчас является затенением по Гуро – программа, в зависимости от света (тени) в каждой вершине треугольника, вычисляет среднее значение для всего треугольника.

Нанесение текстур приводит к формированию деталей на полигоне – например, ворса на ткани, колец на срезе дерева, цементной "шубы" на стене и т.п. Текстура является образом поверхности объекта. Обычно создается несколько текстур с различным разрешением. Для частей объекта, ближайших к наблюдателю, выбираются текстуры с более высоким разрешением, для удаленных – с более низким. Этот способ также называется mip mapping.

2. 
   Устройство видеокарты
   

Рассмотрим, из каких частей состоит видеоадаптер:

• 
  Графический процессор (от англ. GPU (Graphics processing unit) – графическое процессорное устройство, графическое ядро) – занимается расчетами и формированием графической информации, которая выводится на монитор компьютера. GPU – основа видеоадаптера и очень часто превосходит центральный процессор по своей сложности.
  
• 
  Видеопамять – является своеобразным буфером для временного помещения в него выводимых на монитор изображений, которые создаются и постоянно изменяются графическим ядром.
  
• 
  Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) (от англ. RAMDAC – (Random Access Memory Digital-to-Analog Converter)) – осуществляет преобразование цифровой информации в аналоговый сигнал, который отображается на мониторе ПК. От ЦАП зависит разрешение картинки, частота вертикальной развертки, количество отображаемых цветов. Цифровые мониторы или проекторы, которые подключаются к цифровому разъему видеокарты, используют свои собственные ЦАП и не зависят от ЦАП видеокарты.
  
• 
  Видеоконтроллер – устройство, которое отвечает за формирование и передачу на ЦАП необходимой информации из видеопамяти.
  
• 
  Видео-ПЗУ (Video ROM) – представляет собой микросхему, которая хранит базовую систему ввода-вывода данной видеокарты, другими словами, BIOS, и определяет алгоритмы и правила, заданные производителем, используя которые, между собой взаимодействуют различные составные части видеокарты.
  
• 
  Система охлаждения, которая осуществляет отвод тепла от видеопроцессора, видеопамяти и др. компонентов и его рассеивание для обеспечения рабочего температурного режима.
  

3. 
   Разъемы для подключения видеокарты в компьютер
   

Видеокарты бывают внешние и встроенные. Рассмотрим немного подробнее особенности внешних видеокарт.

Внешняя видеокарта представляет собой плату расширения и подключается в один из портов на материнской плате.

Наиболее старый разъем для подключения это AGP (от англ. - Accelerated Graphics Port или в переводе – ускоренный графический порт). Довольно редко, но всё-таки его ещё можно встретить на довольно старых компьютерах. Он был разработан компанией Intel сразу после появления процессоров Intel Pentium II и предназначался для соединения видеокарт и материнских плат с целью увеличения быстродействия видеосистемы.

Но сегодня они безнадежно устарели, т.к. имеют очень малую пропускную способность шины (всего до 2.1 Гбайт/сек), при возросших требованиях современных программ и игр. Современные видеоадаптеры используют другой интерфейс – PCI Express x16.

В современных материнских платах отсутствует слот AGP и все внешние видеокарты подключаются только через интерфейс PCI Express. Скорость шины данного интерфейса намного выше, чем у его предшественника. На сегодняшний день появилась уже третья версия интерфейса - PCI Express 3.0. С ним скорость передачи данных может достигать 16 Гбайт/сек.

4. 
   Разъемы видеокарты
   

Современные видеокарты обычно имеют по несколько разъемов, к которым можно подключить монитор (даже несколько мониторов одновременно), телевизор, проектор и т.д.

Наиболее старым выходным разъемом видеокарты является разъем VGA (от англ. Video Graphics Array). Появился данный разъем в далеком 1987 г. Как правило, при помощи него видеоплаты подключают к старым мониторам. Сигнал, выходящий через данный разъем, является аналоговым.

DVI (от англ. Digital Visual Interface) – цифровой выход. В основном используется для подключения современных ЖК-мониторов. В отличие от VGA может работать как с аналоговым, так и с цифровым видеосигналом.

HDMI (от англ. High-Definition Multimedia Interface)  – цифровой выход, используется для подключения ЖК-телевизоров и плазменных панелей. Основное отличие между HDMI и DVI в том, что разъём HDMI, кроме передачи видеосигнала, может передавать многоканальный цифровой аудиосигнал.

DisplayPort (DP) – также стандарт сигнального интерфейса, предназначенный для цифровых дисплеев. Рекомендуется к использованию в качестве самого современного интерфейса для соединения между собой аудио и видеоаппаратуры: компьютера с дисплеем или компьютера и домашнего кинотеатра.

Выводы по разделу три

Современные видеокарты при обработке трехмерной графики используют метод постепенного построения изображения: сначала строится его каркас, затем с помощью т.н. полигонов и шейдеров изображение получает конечные формы, на которые накладываются цветные текстуры. В зависимости от модели видеокарты выполняется сглаживание изображения, придающее ему более естественный вид. Современные видеоадаптеры состоят из графического процессора, видеопамяти, ЦАП, видеоконтроллера, видео-ПЗУ и, опционально, системы охлаждения. Подавляющее большинство современных видеокарт подключаются через интерфейс PCI Express x16 и имеют несколько разъемов для работы с разными типами сигналов и мониторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, видеоадаптеры появились сравнительно недавно, но совершили гигантский скачок в своем развитии. Сегодня они развиваются, опережая время и технологии, предоставляя вычислительную мощность, задействовать которую полностью сегодня пока что невозможно. Как и практически все разработки в области аппаратных средств вычислительной техники, видеоадаптеры ушли далеко вперед в своем развитии, однако потенциал их возможностей раскрыт не полностью, что дает почву для поиска принципиально новых устройств, способных обрабатывать данные, которые нынешние видеоадаптеры обрабатывать не могут.

Цель реферата выполнена путем последовательного выполнения поставленных задач: изучена история появления и развития видеоадаптеров, принцип работы современных видеоадаптеров и их общее устройство.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Компания Gameland. История развития видеокарт / гл.редактор Дмитрий Окунев // Журнал «Железо» . – 2004. – Вып. #10. – С. 76-82.

2. Скотт Мюллер. Модернизация и ремонт ПК = Upgrading and Repairing PCs. — 17 изд. — М.: Изд-во «Вильямс», 2007. — С. 889—970.

3. Николай Жогов. Цена фотореализма. Принципы работы видеокарт. Часть 2/ Андрей Ленский // Лучшие компьютерные игры. – 2008. – №8(81).

4. http://www.comprice.ru/articles/detail.php?ID=42468

5. Краткая история видеокарт. – http://accross.su/blog/view/108

6. Севостьянчук, Р.И. История появления и развития видеокарт. – http://videocard.tkat.ru/?mod=articles&act=full&id_article=6191&src=1

7. История развития видеокарт для настольных ПК. Часть 1: Эволюция двухмерной графики. – http://www.compbegin.ru/articles/view/_120

8. История развития видеокарт для настольных ПК. Часть 2: Зарождение и первые шаги 3D-ускорителей. – http://www.compbegin.ru/articles/view/_122

9. История развития видеокарт для настольных ПК. Часть 3: Начало противостояния ATI и NVIDIA (2000-2003 гг.). – http://www.compbegin.ru/articles/view/_124

10. http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/72408/ВИДЕОАДАПТЕР

11. www.nvidia.ru

12. http://www.amd.com/ru-ru

13. Принцип работы и устройство видеокарты. – http://www.avs-info.ru/rem_video/printsip-rabotyi-i-ustroystvo-videokartyi.html