Видеоадаптер. 
Контроллеры и их назначение

Основные сведения и возможности

Видеокамрта (также видеоадамптер, графический адамптер, графимческая пламта, графимческая камрта, графимческий ускоримтель) — электронное устройство, преобразующее графический образ, хранящийся, как содержимое памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора. Первые мониторы, построенные на электронно-лучевых трубках, работали по телевизионному принципу сканирования экрана электронным лучом, и для отображения требовался видеосигнал, генерируемый видеокартой.

В настоящее время, однако, эта базовая функция, оставаясь нужной и востребованной, ушла в тень, перестав определять уровень возможностей формирования изображения — качество видеосигнала (чёткость изображения) очень мало связано с ценой и техническим уровнем современной видеокарты. В первую очередь, сейчас под графическим адаптером понимают устройство с графическим процессором — графический ускоритель, который и занимается формированием самого графического образа. Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический процессор, который может производить дополнительную обработку, снимая эту задачу с центрального процессора компьютера. Например, все современные видеокарты Nvidia и AMD (ATi) осуществляют рендеринг графического конвейера OpenGL и DirectX на аппаратном уровне. В последнее время также имеет место тенденция использовать вычислительные возможности графического процессора для решения неграфических задач.

Обычно видеокарта выполнена в виде печатной платы (плата расширения) и вставляется в разъём расширения, универсальный либо специализированный (AGP, PCI Express). Также широко распространены и встроенные (интегрированные) в системную плату видеокарты — как в виде отдельного чипа, так и в качестве составляющей части северного моста чипсета или ЦПУ); в этом случае устройство, строго говоря, не может быть названо видеокартой.

В первую очередь видеоадаптер используется для отображения на дисплее интерфейса пользователя и прочей визуальной информации. Наверное верно будет сказать, что графический адаптер используется для обработки данных связанных с визуализацией, а не только для передачи картинки, обработанной ЦПУ, на монитор. На первых видеоадаптерах дело примерно так и обстояло, но с развитием операционных систем и появлением в них элементов графического интерфейса, а также ростом разрешающей способности дисплеев и количеством отображаемых цветов, нагрузка на процессор сильно возрастала. Решение этой проблемы явилось в том, что в видеоадаптерах стали устанавливать графические 2D ускорители, позволяющие часть вычислений по обработке графики перекладывать с процессора на видеоадаптер, который, ввиду своей архитектуры, был более адаптирован для обработки графики.

Дальнейшим развитием видеокарт стало интегрирование в него ускорителей трехмерной графики, для ускорения работы приложений ориентированных на обработку 3D графики, а так же трехмерных игр.

В настоящее время видеокарты верхнего ценового сегмента представляют собой очень сложную и мощную систему, имеющим на борту собственный графический процессор (по производительности в операциях с плавающей запятой, сильно превосходящие самые мощные процессоры), собственную память, BIOS, внутреннюю системную шину, и внешнюю шину взаимодействия с другими видеокартами (nVidia SLI и ATI Crossfire).

История Одним из первых графических адаптеров для IBM PC стал MDA (Monochrome Display Adapter) в 1981 году. Он работал только в текстовом режиме с разрешением 80Ч25 символов (физически 720Ч350 точек) и поддерживал пять атрибутов текста: обычный, яркий, инверсный, подчёркнутый и мигающий. Никакой цветовой или графической информации он передавать не мог, и то, какого цвета будут буквы, определялось моделью использовавшегося монитора. Обычно они были белыми, янтарными или изумрудными на чёрном фоне. Фирма Hercules в 1982 году выпустила дальнейшее развитие адаптера MDA, видеоадаптер HGC (Hercules Graphics Controller — графический адаптер Геркулес), который имел графическое разрешение 720Ч348 точек и поддерживал две графические страницы. Но он всё ещё не позволял работать с цветом.

Первой цветной видеокартой стала CGA (Color Graphics Adapter), выпущенная IBM и ставшая основой для последующих стандартов видеокарт. Она могла работать либо в текстовом режиме с разрешениями 40Ч25 знакомест и 80Ч25 знакомест (матрица символа — 8Ч8), либо в графическом с разрешениями 320Ч200 точек или 640Ч200 точек. В текстовых режимах доступно 256 атрибутов символа — 16 цветов символа и 16 цветов фона (либо 8 цветов фона и атрибут мигания), в графическом режиме 320Ч200 было доступно четыре палитры по четыре цвета каждая, режим высокого разрешения 640Ч200 был монохромным. В развитие этой карты появился EGA (Enhanced Graphics Adapter) — улучшенный графический адаптер, с расширенной до 64 цветов палитрой, и промежуточным буфером. Было улучшено разрешение до 640Ч350, в результате добавился текстовый режим 80Ч43 при матрице символа 8Ч8. Для режима 80Ч25 использовалась большая матрица — 8Ч14, одновременно можно было использовать 16 цветов, цветовая палитра была расширена до 64 цветов. Графический режим также позволял использовать при разрешении 640Ч350 16 цветов из палитры в 64 цвета. Был совместим с CGA и MDA.

Стоит заметить, что интерфейсы с монитором всех этих типов видеоадаптеров были цифровые, MDA и HGC передавали только светится или не светится точка и дополнительный сигнал яркости для атрибута текста «яркий», аналогично CGA по трём каналам (красный, зелёный, синий) передавал основной видеосигнал, и мог дополнительно передавать сигнал яркости (всего получалось 16 цветов), EGA имел по две линии передачи на каждый из основных цветов, то есть каждый основной цвет мог отображаться с полной яркостью, 2/3 или 1/3 от полной яркости, что и давало в сумме максимум 64 цвета.

В ранних моделях компьютеров от IBM PS/2, появляется новый графический адаптер MCGA (Multicolor Graphics Adapter — многоцветный графический адаптер). Текстовое разрешение было поднято до 640×400, что позволило использовать режим 80×50 при матрице 8×8, а для режима 80×25 использовать матрицу 8×16. Количество цветов увеличено до 262 144 (64 уровня яркости по каждому цвету), для совместимости с EGA в текстовых режимах была введена таблица цветов, через которую выполнялось преобразование 64-цветного пространства EGA в цветовое пространство MCGA. Появился режим 320×200×256, где каждый пиксел на экране кодировался соответствующим байтом в видеопамяти, никаких битовых плоскостей не было, соответственно с EGA осталась совместимость только по текстовым режимам, совместимость с CGA была полная. Из-за огромного количества яркостей основных цветов возникла необходимость использования уже аналогового цветового сигнала, частота строчной развертки составляла уже 31,5 кГц.

Потом IBM пошла ещё дальше и сделала VGA (Video Graphics Array — графический видео массив), это расширение MCGA, совместимое с EGA и введённое в средних моделях PS/2. Это фактический стандарт видеоадаптера с конца 80-х годов. Добавлены: текстовое разрешение 720×400 для эмуляции MDA и графический режим 640×480 с доступом через битовые плоскости. Режим 640×480 замечателен тем, что в нём используется квадратный пиксел, то есть соотношение числа пикселов по горизонтали и вертикали совпадает со стандартным соотношением сторон экрана — 4:3. Дальше появился IBM 8514/a с разрешениями 640×480×256 и 1024×768×256, и IBM XGA с текстовым режимом 132×25 (1056×400) и увеличенной глубиной цвета (640×480×65K).

С 1991 года появилось понятие SVGA (Super VGA — «сверх» VGA) — расширение VGA с добавлением более высоких режимов и дополнительного сервиса, например возможности поставить произвольную частоту кадров. Число одновременно отображаемых цветов увеличивается до 65 536 (High Color, 16 бит) и 16 777 216 (True Color, 24 бита), появляются дополнительные текстовые режимы. Из сервисных функций появляется поддержка VBE (VESA BIOS Extention — расширение BIOS стандарта VESA). SVGA воспринимается как фактический стандарт видеоадаптера где-то с середины 1992 года, после принятия ассоциацией VESA стандарта VBE версии 1.0. До того момента практически все видеоадаптеры SVGA были несовместимы между собой.

Графический пользовательский интерфейс, появившийся во многих операционных системах, стимулировал новый этап развития видеоадаптеров. Появляется понятие «графический ускоритель» (graphics accelerator). Это видеоадаптеры, которые производят выполнение некоторых графических функций на аппаратном уровне. К числу этих функций относятся: перемещение больших блоков изображения из одного участка экрана в другой (например, при перемещении окна), заливка участков изображения, рисование линий, дуг, шрифтов, поддержка аппаратного курсора и т. п. Прямым толчком к развитию столь специализированного устройства явилось то, что графический пользовательский интерфейс, несомненно, удобен, но его использование требует от центрального процессора немалых вычислительных ресурсов, и современный графический ускоритель как раз и призван снять с него львиную долю вычислений по окончательному выводу изображения на экран.

Пример домашнего компьютера не-IBM — ZX Spectrum, имеет свою историю развития видеорежимов.

Видеокарты, интегрированные в набор системной логики материнской платы или являющиеся частью ЦПУ, обычно не имеют собственной видеопамяти и используют для своих нужд часть оперативной памяти компьютера (UMA — Unified Memory Access).

Дополнительные возможности

В видеокартах nVidia дополнительно реализована технология CUDA, позволяющая производить не только графические, но и вычисления общего назначения. Это достаточно новая технология, еще не успевшая получить достаточное большое распространение, но уже сейчас силами видеокарт обрабатываются вычисления связанные с симуляцией физических взаимодействий, а также существуют приложения для обработки видео потоков, производительность в которых во много раз превосходит оную на ЦП. Повторюсь, что технология ещё только начинает развиваться, поэтому круг решаемых задач ещё будет расширяться.

Такое высокое быстродействие стало возможным за счёт того, что в графических процессорах используется не одно, не два и даже не четыре вычислительных ядра, например в чипе nVidia GT200 (GeForce GTX 280), присутствует 240 вычислительных программируемых процессора. Но технология не лишена недостатков, для достижения максимального быстродействия задача должна быть очень сильно распараллелена на потоки, слабо зависящие друг от друга.

При недостаточном быстродействии возможно увеличение производительности за счёт использоваться в системе двух, трёх, или даже четырёх видеоадаптеров, объединяемых специальными шинами связи.

К основным характеристикам можно отнести объём памяти, ее тип, частоту, ширину шины памяти, частоту графического процессора, количество вычислительных ядер (так же называемых шейдерными процессорами). Но всё же наверное главной характеристикой будет не одна из вышеперечисленных, а реализация самого шейдерного домена (графического процессора GPU). Если взять два топовых решения от основных производителей GPU, то можно заметить, что в процессорах от ATI количество шейдерных процессоров больше почти в два раза, в них используется более быстрая память GDDR5, но всё же при всём этом GPU от nVidia будет иметь более высокое быстродействие. Всё это сильно затрудняет оценку производительности видео подсистемы ПК.