Karta Graficzna. Urządzenia Techniki ud3 k0

(1)

Karta Graficzna

Urządzenia Techniki Komputerowej

₥@ʁ€₭ ‽ud3£k0

(2)

Spis treści

• Definicja karty graficznej

• Schemat i budowa karty graficznej

• Elementy karty graficznej

– Procesor graficzny (GPU) – RAMDAC

– Pamięć RAM – Pamięć ROM – Bufor ramki

• Tworzenie obrazu przez kartę graficzną

• Parametry karty graficznej

• Złącza kart graficznych

• Interfejsy graficzne

• Łączenie kart graficznych

• Rozdzielczość ekranu

• Akceleratory grafiki

• Testowanie parametrów karty graficznej

2

(3)

Karta graficzna

• Karta graficzna to podzespół komputera odpowiedzialny za generowanie grafiki i wyświetlenie jej na monitorze.

Obraz Dane

10100100100101

(4)

Przykładowa karta graficzna

4

(5)

Przekrój

karty

graficznej

(6)

Budowa karty graficznej

6

Złącze PCI-Express

Procesor graficzny GPU

V-RAM V-RAM V-RAM V-RAM

V-RAM V-RAM

BIOS

RAMDAC Złącze

analogowe:

D-SUB (VGA)

Złącza cyfrowe:

DVI, HDMI, Display Port

(7)

Schemat blokowy karty graficznej

Interfejs magistrali

RAMDAC

Układ rysowania

Układ obliczania parametrów

Generator sygnałów synchronizujących Procesor

CPU

Sterownik VGA

Synchro H Synchro V

R G B

(8)

Elementy karty graficznej

• Procesor graficzny (GPU)

• RAMDAC

• Pamięć RAM

• Pamięć ROM

• Bufor ramki

8

(9)

Procesor graficzny

(10)

Procesor graficzny

• Procesor na karcie graficznej dokonuje obliczeń tworzonego obrazu.

• Procesor realizuje różne funkcje i obliczenia graficzne-

wspomaga setki różnych funkcji, z trójwymiarowymi włącznie.

– rysowanie linii, trójkątów, prostokątów, – generacja obrazu trójwymiarowego, – pokrywanie teksturą,

– Tworzenie efektu mgły itd..

• Procesor karty graficznej komunikuje się z pamięcią wysyłając i pobierając z niej informacje o obrazie w tzw. paczkach, przy czym wielkość tych paczek zależy od procesora karty.

• Procesory 64-bitowe wysyłają paczki 64-bitowe (8-bajtowe), a 128-bitowe paczki 16-bajtowe.

– Przewaga 128 bitów nad 64-ma zaczyna być widoczna przy pracy w wyższych rozdzielczościach

10

(11)

RAMDAC

(12)

RAMDAC

• RAMDAC (ang. Random Access Memory Digital to Analog Converter) - Układ przetwarzający sygnał cyfrowy na analogowy sygnał RGB.

• Konwerter zawiera 4 funkcjonalne bloki:

– pamięć Statyczna RAM, służącą do przechowywania mapy kolorów,

– 3 przetworniki cyfrowo-analogowe (C/A), po jednym dla każdego koloru podstawowego modelu RGB

• czerwonego (R),

• zielonego (G)

• niebieskiego (B).

• Układ RAMDAC występuje w kartach graficznych zawierających złącze analogowe VGA. Cyfrowe go nie potrzebują.

12

(13)

Pamięć obrazu - VideoRAM

(14)

Pamięć RAM

• Każda karta graficzna ma własną pamięć RAM, w której przechowuje informacje o obrazie.

• Obecnie wielkość tej pamięci to przeciętnie 2 GB – 32 GB.

• W pamięci tej przechowywane są dane o każdym punkcie obrazu, a także tekstury (w postaci map bitowych) oraz dane o głębi (tzw.

bufor Z).

14

(15)

Pamięć ROM

• Pamięć ROM zawiera dane potrzebne przy

uruchamianiu się systemu. Wywołuje je BIOS podczas startu komputera.

– Karta graficzna może zostać rozpoznana i zainicjowana, nawet gdy w BIOSie nie ma odpowiednich sterowników.

– Trudno byłoby wgrać sterowniki inicjujące kartę VGA

z dysku, ponieważ do inicjacji ekran monitora byłby

ciemny.

(16)

Bufor ramki

• W pamięci RAM dokonuje się jednocześnie zapis i odczyt danych.

– Gdyby wszystko odbywało się w tym samym bloku pamięci blok odczytu musiałby czekać na zakończenie procesu zapisu.

– Do momentu odczytu ostatniego piksela nie wolno byłoby z kolei, co zapisywać (wówczas oczekuje kontroler).

• Aby te procesy nie zakłócały się wzajemnie, wprowadzono podwójne buforowanie (Dual Buffering).

– Kontroler graficzny ma dwa jednakowe bufory pamięciowe.

Jeśli jeden z nich wypełniany jest świeżą treścią (Back Buffer), zawartość drugiego można przekazać na ekran (Front Buffer).

• W ten sposób zawsze jakiś bufor jest odczytywany, a inny zapisywany. Wspomniane procesy nie zakłócają się

wzajemnie.

16

(17)

TWORZENIE OBRAZU PRZEZ KARTĘ

GRAFICZNĄ

(18)

Tworzenie obrazu przez kartę graficzną

Procesor wysyła polecenia

narysowania obiektu graficznego:

Trójwymiarowy sześcian

18

CPU

101001110101101 011101001010100

(19)

Tworzenie obrazu przez kartę graficzną

Procesor graficzny oblicza najpierw współrzędne punktów sześcianu w przestrzeni 3D

GPU

(20)

Tworzenie obrazu przez kartę graficzną

Obliczone punkty są łączone liniami prostymi

20

GPU

(21)

Tworzenie obrazu przez kartę graficzną

Powierzchnie bryły są pokrywane teksturami

GPU

(22)

Tworzenie obrazu przez kartę graficzną

Renderowanie tworzy z bryły 3D obraz dwuwymiarowy do wyświetlenia na ekranie

22

GPU

(23)

Tworzenie obrazu przez kartę graficzną

Do generacji obrazu procesor graficzny GPU wykorzystuje pamięć Video-RAM na karcie

GPU

V-RAM

(24)

Tworzenie obrazu przez kartę graficzną

Gotowy obraz jest wysyłany na ekran

24

GPU

V-RAM

(25)

PARAMETRY KARTY GRAFICZNEJ

(26)

Parametry karty graficznej

Chipset karty graficznej

Złącze karty graficznej PCIExpress, Thunderbolt, USB Wyjścia graficzne VGA, DVI, HDMI, DP

Sposób łączenia kart razem SLI, CrossFireX, NVLink Ilość pamięci RAM Kilka – kilkanaście GB

Typ pamięci RAM GDDR4, GDDR5, GDDR6

Częstotliwość taktowania pamięci Kilka GHz Częstotliwość taktowania rdzenia Kilka GHz

Ilość jednostek shaderów Generują kolory dla każdego piksela na ekranie

Ilość jednostek renderujących przekształcają wygenerowane dane 3D do postaci 2D, czyli takiej, którą jest w stanie wyświetlić monitor

Ilość jednostek TMU operacje związane z teksturowaniem modeli Szerokość szyny danych 192, 256, 384, 512 bitów

Rozdzielczość ekranu HD, Full HD, 4K, 5K, 8K Wymiary fizyczne

Obsługa standardów graficznych DirectX, OpenGL, CUDA ²⁶

(27)

Czipset karty graficznej

• Procesor graficzny (GPU – Graphics Processing Unit) – układ obliczeniowy

stosowany w kartach graficznych.

• Jego zadaniem jest

generowanie grafiki 2D i

3D, obliczenia fizyczne.

(28)

Czipset karty graficznej

28

Diagram blokowy karty

graficznej

GTX 1080.

(29)

Procesory graficzne

Dedykowane do karty graficznej

Zintegrowane z płytą główną

Zintegrowane z mostkiem północnym

Zintegrowane z procesorem

(30)

Złącza kart graficznych

• ISA

• PCI

• AGP

• PCI-E

• M.2 (dyskowe)

30

(31)

ISA - Industry Standard Architecture

(32)

32

PCI - Peripheral Component Interconnect

(33)

AGP - Accelerated Graphics Port

(34)

34

Częstotliwość pracy 2,5 GHz

Przepustowość Od 500 MB/s do 64 GB/s Standard Plug and Play Obsługuje

Interfejs szeregowy

PCI-Express

(35)

Karta graficzna na PCI-Express

(36)

Przejściówka z USB na PCI-Express

36

(37)

M.2 • M.2 to złącze do podpięcia nośników SSD.

• W niewielkich komputerach może posłużyć do podpięcia karty graficznej.

• Karta ma niewielkie możliwości obliczeniowe.

• Bardzo często ma tylko złącze VGA.

• Stosowana w sytuacjach niewymagających dużej mocy obliczeniowej

• Zastosowanie:

– Terminale, serwery, punkty sprzedaży, cyfrowe kioski,

bankomaty.

(38)

Karta firmy Innodisk

• Urządzenie M.2 w formacie 2280

• Oparte na procesorze grafiki Silicon Motion SM768 z RAM DDR3 (256 MB – 1 GB), który pracuje w trybie 2D (nie oferuje akceleracji 3D)

• Karta może działać w trybie PCI Express 2.0 x2 lub x1.

38

(39)

Interfejsy graficzne

• Cinch

• SCART

• S-Video

• VGA (D-SUB)

• DVI

• HDMI

• DisplayPort

• Thunderbolt

(40)

Złącze Cinch

40

(41)

SCART (Eurozłącze)

(42)

S-Video

• Złącze S-Video używa wtyczki Mini-DIN.

42

Interfejs Analogowy

Ilość pinów 4, 7, 9

Sygnały Y (luminancja), C (chrominancja) Pasmo sygnału 3,57 – 4,43 MHz

Kierunek sygnałów jednokierunkowy

(43)

D-Sub DE-15 (VGA)

Interfejs Analogowy

Ilość pinów 15

Sygnały RGB +synchronizacja V H

Pasmo sygnału 388 MHz

Kierunek sygnałów jednokierunkowy

(44)

DVI (Digital Visual Interface)

44

Interfejs Cyfrowy lub analogowy

Prędkość przesyłu 3,7 Gbit/s lub 7,4 Gbit/s Ilość linii przesyłowych 1-2

Kierunek sygnałów Full - duplex

• Rodzaje DVI:

• DVI-I - przesyła zarówno dane cyfrowe jak i analogowe.

• DVI-D - przesyła tylko dane

cyfrowe

• DVI-A - przesyła tylko dane

analogowe

(45)

HDMI

• HDMI (ang. High Definition Multimedia Interface) – interfejs do

Interfejs Cyfrowy

Ilość pinów 19 lub 29

Prędkość przesyłu 10,2 Gbit/s - 48 Gbit/s Kierunek sygnałów Full - duplex

(46)

Specyfikacja HDMI

46

Wersja HDMI 1.0–1.2a 1.3 1.4 2.0 2.1

Maksymalna szerokość

pasma sygnału 165 MHz 340 MHz 340 MHz 600 MHz Maksymalna

przepływność 4.,95 Gbit/s 10,2 Gbit/s 10,2 Gbit/s 18 Gbit/s 48 Gbit/s Maksymalna długość

kabla 15 m 15 m 15 m 15 m 15 m

Maksymalna

rozdzielczość złącza przy 24-bit/px

1920×1200 60 klatek/s

2560×1600 75 klatek/s

4096x2160 24 klatki/s

4096x2160 60 klatek/s

10K/120

klatek

(47)

(48)

HDMI 2.1

• Standard ogłoszony 4 stycznia 2017 roku przez HDMI forum w Las Vegas.

• Ma gwarantować transfer danych o prędkości 48 Gbit/s

– Umożliwi odtwarzanie obrazu 4K, 5K, 8K, 10K z częstotliwością do 120Hz

• Wprowadza tryb pracy Game Mode VRR, oferujący zmienne tryby odświeżania

– Zniknie w grach rwanie obrazu znane z trybu pracy V-sync.

• Dynamiczne HDR

– Możliwość optymalizacji kolorów w każdej scenie z osobna, a nawet w każdej odrębnej klatce. To oznacza, że w każdym momencie obraz będzie odpowiednio dostosowany w kwestii głębi, jasności, kontrastu i ostrości.

• Pojawi się eARC (Enhanced Audio Return Channel) obsługujący obiektowe miksowanie dźwięku.

– Twórcy mogą wskazywać miejsca w pokoju z którego dźwięk ma się wydobywać, zamiast wskazywać numer kanału, tak jak w systemach typu Dolby 5.1. Nie trzeba się męczyć z rozstawianiem głośników w odpowiednich miejscach pomieszczenia.

• Wymagana zgodność z kablami obsługującymi te przepustowość (zalecane światłowody)

48

(49)

Display Port

Interfejs Cyfrowy

Prędkość przesyłu 8,64Gbit/s - 80 Gbit/s Ilość linii przesyłowych 1 - 4

Kierunek sygnałów Full - duplex

(50)

50

(51)

Thunderbolt

• Interfejs szeregowy

• Transfer

• Thunderbolt 1: 10 Gbit/s

• Thunderbolt 2: 20 Gbit/s

• Thunderbolt 3: 40 Gbit/s

• (światłowód do 100 Gbit/s)

• Długość magistrali: ok. 3 m (100m światłowód)

• Liczba portów: 2 - 4

• Liczba urządzeń na port – do 6

(52)

52

(53)

(54)

Możliwości Thunderbolt 3

54

(55)

Sposób łączenia kart graficznych razem

• SLI

• CrossFireX

• NVLink

(56)

• SLI (Scan Line Interleave lub Scalable Link Interface) to metoda generacji SLI

obrazu przez 2 lub więcej kart graficznych, które generują poszczególne fragmenty ekranu.

• Wymaga połączenia takich samych kart graficznych.

• Scan Line Interleave

– Rozwiązanie firmy 3dfx z 1998 roku.

– Dwie karty Voodoo 2 połączone mostkiem pracowały w trybie przeplatania linii obrazu. Jedna generowała linie nieparzyste, druga linie parzyste. Tak stworzone półobrazy łączone były w jedną klatkę.

• Scalable Link Interface

– Dwie karty graficzne NVIDIA GeForce wspólnie generują obraz podzielony na dwie części: górną i dolną. Górną połowę tworzy pierwsza karta, dolną karta druga.

– Obie części obrazu nie są jednak sobie równe.

– Najpierw obraz dzieli się na dwie połowy. Następnie analizuje się każdą z nich. Jeśli górna wymaga mniej obliczeń niż dolna, linia podziału przesuwana jest w dół. Jeśli dolna połowa wymaga mniej obliczeń, linia podziału

przesuwa się w górę/ Celem jest wyrównanie poziomu obliczeń.

56

(57)

SLI

(58)

CrossFire

• Technologia firmy ATI łącząca ze sobą karty graficzne.

Wykorzystuje go firma AMD.

• Jedna z kart jest nadrzędna (master). Otrzymuje ona obraz do wygenerowania. Dzieli go i część jest przesyłana do

karty wspomagającej (slave).

• Części obrazu nie muszę być równe. Ich wielkość zależna jest podziału pracy, jaką wykonuje każda z kart.

• Technologia nie wymaga specjalnych profili dla gier i oprogramowania 3D. Zawarta w sterownikach funkcja

automatycznie dostosowuje optymalny tryb pracy obu kart do uruchomionej aplikacji.

• CrossFire pozwala też połączyć ze sobą różne karty graficzne, o różnych możliwościach, a nawet

wyprodukowane przez różne firmy.

58

(59)

CrossFire

(60)

NVLink

• NVLink to przewodowy interfejs do łączenia kart graficznych firmy Nvidia.

• To interfejs szeregowy typu punkt-punkt.

• Przepustowość pojedynczej linii to 20 GB/s.

– Daje możliwość przepustowości rzędu 80 GB/s-200 GB/s

• Kodowanie 128b/130b

60

(61)

NVLink

(62)

ZESTAWIENIE ROZDZIELCZOŚCI

62

(63)

(64)

64

(65)

Pamięć GDDR _{GDDR5 na}

karcie 980 Ti

GDDR4

(66)

Ćwiczenie

• Poszukaj parametrów karty graficznej Asus Radeon HD 7790

• Zapisz je w zeszycie.

66

(67)

AKCELERATORY GRAFIKI

(68)

Akcelerator 2D

• Akcelerator 2D to specjalny układ zajmujący się wykonywaniem obliczeń związanych z

dwuwymiarową grafiką komputerową.

– Rysował linie i proste figury geometryczne.

• Akcelerator 2D był oddzielną kartą lub oddzielnym układem scalonym. Obecnie jego zadania realizuje procesor graficzny.

68

86C911 firmy S3

(69)

Akcelerator 3D

• Akcelerator 3D to specjalny układ zajmujący się

wykonywaniem obliczeń związanych z trójwymiarową grafiką komputerową.

– Dzięki temu odciążony był procesor.

• Akcelerator 3D początkowo był instalowany w postaci dodatkowej karty rozszerzeń.

– Później był połączony z kartą graficzną.

(70)

Karta do obliczeń fizycznych

• Karta wspomagała obliczenia oddziaływań

fizycznych, które miały miejsce w grach i innych programach.

– Montowana była w oddzielnym złączu PCI-express

• Obecnie technologia jest raczej implementowana w kartach graficznych.

70

Karta PhysX firmy Ageia

(71)

TESTOWANIE I BADANIE KART

GRAFICZNYCH W KOMPUTERZE

(72)

Menedżer urządzeń

72

(73)

Informacje o systemie

(74)

Everest

74

(75)

PC Wizard

(76)

CPU-Z

76

(77)

GPU-Z

(78)

GPU-Z

78

(79)

HWInfo

(80)

Ćwiczenie

• Zbadaj parametry karty graficznej w twoim komputerze

• Zapisz je w zeszycie.

80

(81)

KARTA GRAFICZNA W BIOSIE

(82)

Wybór karty graficznej

82

(83)

Współpraca dwóch kart graficznych

(84)

Wsparcie SLI

84

(85)

Powtórzenie wiadomości

1. Podaj definicje karty graficznej.

2. Jak jest zbudowana karta graficzna?

3. Opisz zadania następujących elementów karty graficznej:

a) Procesor graficzny (GPU)

b) RAMDAC

c) Pamięć RAM d) Pamięć ROM e) Bufor ramki

4. Przedstaw proces generacji obrazu przez kartę graficzną.

5. Czym jest chipset karty graficznej?

6. Jakimi złączami podepniesz kartę graficzną do komputera? Które jest najlepsze?

7. Jakimi interfejsami podłączysz wyświetlacz do kary? Które są analogowe a które cyfrowe?

8. Jakie znasz sposoby łączenia kart graficznych razem?

9. O czym nam mówi rozdzielczość karty graficznej?

10. Do czego służą następujące akceleratory:

a) 2D

b) 3D