顯卡工作原理是什么?

顯卡工作原理是什么?

我們在 監(jiān)視器上看到的圖像是由很多個小點(diǎn)組成的，這些小點(diǎn)稱為“像素”。在最常用的分辨率設(shè)置下，屏幕顯示一百多萬個像素，電腦必須決定如何處理每個像素，以便生成圖像。為此，它需要一位“翻譯”，負(fù)責(zé)從CPU獲得二進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成人眼可以看到的圖像。除非電腦的主板內(nèi)置了圖形功能，否則這一轉(zhuǎn)換是在顯卡上進(jìn)行的。

　　顯卡的工作非常復(fù)雜，但其原理和部件很容易理解。在本文中，我們將了解顯卡的基本部件和它們的作用。此外，我們還將考察那些共同發(fā)揮作用以使顯卡能夠快速、高效工作的因素。

　　

　　-->顯卡生成一幅線框圖像，然后進(jìn)行填充并添加紋理和陰影。

　　-->顯卡的基本原理

　　我們可以把電腦想像成一家擁有獨(dú)立美工部門的公司。當(dāng)公司員工需要一件美術(shù)品時，便向美工部門提出申請。美工部門決定如何創(chuàng)作圖像，然后在圖紙上繪制出來。最終結(jié)果是，某人的想法變成真實(shí)而可見的圖像。

　　

　　顯卡的主要部件是:主板連接設(shè)備、監(jiān)視器連接設(shè)備、處理器和內(nèi)存。不同顯卡的工作原理基本相同CPU與軟件應(yīng)用程序協(xié)同工作，以便將有關(guān)圖像的信息發(fā)送到顯卡。顯卡決定如何使用屏幕上的像素來生成圖像。之后，它通過線纜將這些信息發(fā)送到監(jiān)視器

　　顯卡的演變自從IBM于1981年推出第一塊顯卡以來，顯卡已經(jīng)有了很大改進(jìn)。第一塊顯卡稱為單色顯示適配器（MDA），只能在黑色屏幕上顯示綠色或白色文本。而現(xiàn)在，新型顯卡的最低標(biāo)準(zhǔn)是視頻圖形陣列（VGA），它能顯示256種顏色。通過像量子擴(kuò)展圖矩陣（QuantumExtendedGraphicsArray,QXGA）這樣的高性能標(biāo)準(zhǔn)，顯卡可以在最高達(dá)2040x1536像素的分辨率下顯示數(shù)百萬種顏色。

　　根據(jù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)生成圖像是一個很費(fèi)力的過程。為了生成三維圖像，顯卡首先要用直線創(chuàng)建一個線框。然后，它對圖像進(jìn)行光柵化處理（填充剩余的像素）。此外，顯卡還需添加明暗光線、紋理和顏色。對于快節(jié)奏的游戲，電腦每秒鐘必須執(zhí)行此過程約60次。如果沒有顯卡來執(zhí)行必要的計(jì)算，則電腦將無法承擔(dān)如此大的工作負(fù)荷。

　　顯卡使用四個主要部件來完成此任務(wù)：

　　主板連接設(shè)備，用于傳輸數(shù)據(jù)和供電

　　處理器，用于決定如何處理屏幕上的每個像素

　　內(nèi)存，用于存放有關(guān)每個像素的信息以及暫時存儲已完成的圖像

　　監(jiān)視器連接設(shè)備，便于我們查看最終結(jié)果

　　處理器和內(nèi)存

　　像主板一樣，顯卡也是裝有處理器和RAM的印刷電路板。此外，它還具有輸入/輸出系統(tǒng)（BIOS）芯片，該芯片用于存儲顯卡的設(shè)置以及在啟動時對內(nèi)存、輸入和輸出執(zhí)行診斷。顯卡的處理器稱為圖形處理單元（GPU），它與電腦的CPU類似。但是，GPU是專為執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)和幾何計(jì)算而設(shè)計(jì)的，這些計(jì)算是圖形渲染所必需的。某些最快速的GPU所具有的晶體管數(shù)甚至超過了普通CPU。GPU會產(chǎn)生大量熱量，所以它的上方通常安裝有散熱器或風(fēng)扇。

　　

　　散熱器或風(fēng)扇可以防止顯卡的處理器過熱。

　　除了其處理能力以外，GPU還使用特殊的程序設(shè)計(jì)來幫助自己分析和使用數(shù)據(jù)。市場上的絕大多數(shù)GPU都是冶天和英偉達(dá)生產(chǎn)的，并且這兩家公司都開發(fā)出了自己的GPU性能增強(qiáng)功能。為了提高圖像質(zhì)量，這些處理器使用以下技術(shù)：

　　全景抗鋸齒（FSAA），它能讓三維物體的邊緣變得平滑

　　各向異性過濾（AF），它能使圖像看上去更加鮮明

　　集成顯卡許多主板都具有集成圖形功能，而無需獨(dú)立的顯卡。這些主板能輕松地處理二維圖像，因而能夠提高工作效率，并且非常適合于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境。如果在一塊這樣的主板上插入獨(dú)立的顯卡，則會覆蓋板載圖形功能。

　　很多廠商還都另行開發(fā)出特定的技術(shù)，以幫助GPU應(yīng)用顏色、陰影、紋理和圖案。

　　GPU在生成圖像時，需要有個地方能存放信息和已完成的圖像。這正是顯卡RAM用途所在，它用于存儲有關(guān)每個像素的數(shù)據(jù)、每個像素的顏色及其在屏幕上的位置。有一部分RAM還可以起到幀緩沖器的作用，這意味著它將保存已完成的圖像，直到顯示它們。通常，顯卡RAM以非常高的速度運(yùn)行，且采取雙端口設(shè)計(jì)，這意味著系統(tǒng)可以同時對其進(jìn)行讀取和寫入操作。

　　RAM直接連接到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，即DAC。這個轉(zhuǎn)換器也稱為RAMDAC，用于將圖像轉(zhuǎn)換成監(jiān)視器可以使用的模擬信號。有些顯卡具有多個RAMDAC，這可以提高性能及支持多臺監(jiān)視器。

　　RAMDAC通過線纜將最終圖像發(fā)送到監(jiān)視器。

　　顯卡輸入和輸出

　　ADC連接器蘋果公司曾經(jīng)制造過使用專利產(chǎn)品AppleDisplayConnector（ADC）的監(jiān)視器。盡管這些監(jiān)視器目前仍在使用，但蘋果公司新出的監(jiān)視器已改為使用DVI連接設(shè)備。顯卡通過主板連接到電腦主板為顯卡供電，并使其可以與CPU通信。對于較新的顯卡，主板所提供的電能往往不足，所以顯卡還直接連接到電腦的電源。

　　與主板的連接通常是借助以下三種接口之一來實(shí)現(xiàn)的：

　　外設(shè)部件互連（PCI）

　　高級圖形端口（AGP）

　　PCIExpress（PCIe）

　　在這三種接口中，PCIExpress是最新型的接口，它能在顯卡和主板之間提供最快的傳輸速率。此外，PCIe還支持在一臺電腦中使用兩塊顯卡。

　　大多數(shù)顯卡都具有兩個監(jiān)視器連接設(shè)備。通常，其中一個是支持LCD屏幕的DVI連接器，另一個是支持CRT屏幕的VGA連接器。有些顯卡配備的是兩個DVI連接器。但這并不意味著無法使用CRT屏幕；CRT屏幕可以通過適配器連接到DVI端口。

　　大多數(shù)人僅使用他們具有的兩種監(jiān)視器連接設(shè)備中的一種。需要使用兩臺監(jiān)視器的用戶可以購買具有雙頭輸出功能的顯卡，它能將畫面分割并顯示到兩個屏幕上。理論上，如果電腦配有兩塊具有雙頭輸出功能且提供PCIe接口的顯卡，則它能夠支持四臺監(jiān)視器。

　　

　　這塊RadeonX800XL顯卡具有DVI、VGA和ViVo連接設(shè)備。

　　除了用于主板和監(jiān)視器的連接設(shè)備以外，有些顯卡還具有用于以下用途的連接設(shè)備：

　　電視顯示：電視輸出或S-Video

　　模擬攝像機(jī)：ViVo（視頻輸入/視頻輸出）

　　數(shù)碼相機(jī)：火線或USB有些顯卡還自帶了電視調(diào)諧器。

　　接下來，我們將考察對顯卡的速度和效率有影響的因素。

　　DirectX和OpenGLDirectX和OpenGL都是應(yīng)用程序編程接口，簡稱API。API提供用于復(fù)雜任務(wù)（例如三維渲染）的指令，以此幫助軟硬件更高效地通信。開發(fā)人員針對特定的API來優(yōu)化大量使用圖形的游戲。這就是最新的游戲通常需要DirectX或OpenGL的更新版才能正確運(yùn)行的原因。

　　API不同于驅(qū)動程序。驅(qū)動程序是使硬件可以與電腦的操作系統(tǒng)進(jìn)行通信的程序。但如同更新版的API一樣，更新版的設(shè)備驅(qū)動程序可以幫助程序正確運(yùn)行。

　　什么樣的是好顯卡？

　　頂級顯卡很容易辨認(rèn)，它應(yīng)該具有大量內(nèi)存和速度很快的處理器。此外，與其他任何要安裝到電腦機(jī)箱中的部件相比，它通常是最令人關(guān)注的。很多高性能顯卡都聲稱需要或直接配備了外形夸張的風(fēng)扇或散熱器。

　　但高端顯卡提供的功能超出了大多數(shù)人的真實(shí)需要。對于主要使用電腦來收發(fā)電子郵件、從事文字處理或上網(wǎng)沖浪的用戶來說，帶有集成顯卡的主板便能夠提供所有必要的圖形功能。對于大多數(shù)偶爾玩游戲的用戶來說，中端顯卡已經(jīng)足以滿足需要。只有游戲迷和那些需要完成大量三維圖形工作的用戶才需要高端顯卡。

　　

　　有些顯卡帶有用于電視和視頻的連接設(shè)備以及電視調(diào)諧器，例如ATI的All-in-Wonder顯卡。

　　顯卡性能的一個很好的整體衡量標(biāo)準(zhǔn)是它的幀速，它是以每秒的幀數(shù)（FPS）為單位加以衡量的。幀速說明了顯卡每秒鐘能顯示多少幅完整的圖像。人眼的處理能力約為每秒25幀，而動感快速的游戲至少需要60FPS的幀速才能提供平滑的動畫和滾動。影響幀速的因素包括：

　　每秒生成的三角形數(shù)或頂點(diǎn)數(shù)三維圖像是由三角形或多邊形組成的。這項(xiàng)指標(biāo)說明了GPU能夠以多快的速度計(jì)算整個多邊形或?qū)υ摱噙呅芜M(jìn)行定義的頂點(diǎn)。一般而言，它說明了顯卡能以多快的速度生成線框圖像。

　　像素填充速率：這項(xiàng)指標(biāo)說明了GPU一秒鐘內(nèi)能處理多少個像素，從而也就說明了顯卡能以多快的速度對圖像進(jìn)行光柵化處理。顯卡的硬件對其速度具有直接影響。以下是對顯卡速度影響最大的硬件性能指標(biāo)及其衡量單位：

　　GPU時鐘速度（MHz）

　　內(nèi)存總線的容量（位）

　　可用內(nèi)存的數(shù)量（MB）

　　內(nèi)存時鐘速率（MHz）

　　內(nèi)存帶寬（GB/s）

　　RAMDAC速度（MHz）

　　電腦的CPU和主板也對顯卡速度有一定影響，因?yàn)榉浅？焖俚娘@卡并不能彌補(bǔ)主板在快速傳輸數(shù)據(jù)方面的能力的不足。同樣，顯卡與主板之間的連接以及它從CPU獲取指令的速度都會影響其性能。

　　超頻有些用戶選擇將自己顯卡的時鐘速度手動設(shè)置為更高的速率，以此來提高顯卡的性能，這稱為超頻。人們通常選擇對顯卡的內(nèi)存進(jìn)行超頻，因?yàn)閷PU進(jìn)行超頻可能會導(dǎo)致過熱。雖然超頻可以獲得更好的性能，但它也會使制造商的質(zhì)保失效。