显卡构架.ppt

1、显卡的基本架构n 显卡基本架构方框图D-sub接口Connecting fingerPCB板Connector 提供 12V的外接电压DVI 接口S端子FAN 或散热片一 .产品类型n 普通 显 卡普通显卡就是普通台式机内所采用的显卡产品，也就是 DIY市场内最为常见的显卡产品。 n 专业显示卡专业显示卡是指应用于图形工作站上的显示卡，它是图形工作站的核心。 n GPU的發展n 20 世纪六、七十年代，受硬件条件的限制，图形显示器只是计算机输出的一种工具。限于硬件发展水平，人们只是纯粹从软件实现的角度来考虑图形用户界面的规范问题。图形用户界面国际标准 GKS(GKS3D)， PHIGS就是其中

2、的典型代表。n 20世纪 80年代初期，出现 GE(Geometry Engine)为标志的图形处理器。 GE芯片的出现使得计算机图形学的发展进入图形处理器引导其发展的年代。 GE的核心是四位向量的浮点运算。它可由一个寄存器定制码定制出不同功能，分别用于图形渲染流水线中，实现矩阵，裁剪，投影等运算。 12个这样的 GE单元可以完整地实现三维图形流水线的功能。芯片设计者 James Clark以此为核心技术建立的 SGI公司，基于 SGI图形处理器功能的图形界面 GL及其后的 OpenGL，成为图形用户界面事实上的工业标准。n 20世纪 80年代和 90年代， GE及其图形处理器功能不断增强和完

3、善，使得图形处理功能逐渐从 CPU向 GPU转移。现代图形处理的流水线主要功能分为顺序处理的两个部分：第一部分对图元实施几何变化以及对图元属性进行处理 (含部分光照计算 )；第二部分则是扫描转换进行光栅化以后完成一系列的图形绘制处理，包含各种光照效果和合成、纹理映射、遮挡处理、反混淆处理等。n 20世纪 90年代， NVIDIA进入个人电脑 3D市场，并于 1999年推出具有标志意义的图形处理器 GeForce 256，第一次在图形芯片上实现了 3D几何变换和光照计算。此后GPU进入高速发展时期，平均每隔 6个月就出现性能翻番的新的 GPU。n 从 SGI的 GE到 NVIDIA的 GeFor

4、ce， GPU经历了 20年，芯片的线宽从 3m缩小到90nm(2007年的 GeForce 8800集成了 6.81亿晶体管 )，集成电路的逻辑设计能力提高几千倍，但处理器数据通道接口带宽仅提高十几倍。同时对图形处理器计算能力的需求不断增长，出现了可编程的图形处理器，以 NVIDIA和 ATI为代表的 GPU技术正是适应这种趋势。 n 而到目前为止， GPU已经过了 好幾 代的发展，每一代都拥有比前一代更强的性能和更完善的可编程架构。n 第一代 GPU(到 1998为止 )包括 NVIDIA的 TNT2， ATI的 Rage和 3dfx的 Voodoo3。这些GPU拥有硬件三角形处理引擎，能

5、处理具有 1或 2个纹理的像素，能够大大提高 CPU处理 3D图形的速度。但这一代图形硬件没有硬件 T&L引擎，更多只是起到 3D加速的作用，而且没有被冠以 “GPU”的名字。n 第二代 GPU(1999-2000)包括 NVIDIA的 Geforce256和 Geforce2， ATI的 Radeon7500， S3的 Savage3D。它们将 T&L功能从 CPU分离出来，实现了高速的顶点变换。相应的图形 API即 OpenGL和 DirectX7都开始支持硬件顶点变换功能。这一代 GPU的可配置性得到了加强，但不具备真正的可编程能力。n 第三代 GPU(2001)包括 NVIDIA的 G

6、eforce3和 Geforce4 Ti，微软的 Xbox，及 ATI的Radeon8500。这一代 GPU首次引入了可编程性，即顶点级操作的可操作性，允许应用程序调用一组自定义指令序列来处理顶点数据，并可以将图形硬件的流水线作为流处理器来解释。也正是这个时候，基于 GPU的通用计算开始出现。但是片段操作阶段仍然不具备可编程架构，只提供了更多的配置选项。开发人员可以利用 DirectX8以及OpenGL扩展 (ARB-vertex-program， NV-texture-shader 和 NV-register-combiner)来开发简单的顶点及片段着色程序。n 第四代 GPU(2003)包

7、括 NVIDIA的 GeforceFX(具有 CineFX架构 )， ATI的 Radeon9700。相比上一代 GPU，它们的象素级和顶点级操作的可编程性得到了大大的扩展，可以包含上千条指令，访问纹理的方式更为灵活，可以用做索引查找。最重要的是具备了对浮点格式的纹理的支持，不在限制在 0， 1范围内，从而可以做任意数组，这对于通用计算而言是一个重要突破。 DirectX9和各种 OpenGL扩展 (ARB-vertex-program、 ARB-fragment-program、 NV-vertex-program2、 NV-fragment-program)可以帮助开发人员利用这种特性来完

8、成原本只能在 GPU上进行的复杂顶点像素操作； Cg语言等其他高级语言在这一代 GPU开始得到应用。n 第五代 GPU(2004)主要以 NVIDIA GeForce6800为代表。 NVIDIA GeForce 6800集成了 2亿 2千 2百万晶体管，具有超标量的 16条管线架构。功能相对以前更加丰富、灵活。顶点程序可以直接访问纹理，支持动态分支；象素着色器开始支持分支操作，包括循环和子函数调用， TMU支持 64位浮点纹理的过滤和混合， ROP(象素输出单元 )支持 MRT(多目标渲染 )等。 n 第六代 GPU(2006)主要以 NVIDIA GeForce 7800为代表。 GPU内

9、建的 CineFX 4.0引擎，做了许多架构上的改良，提高许多常见可视化运算作业的速度，藉此支持更复杂的着色效果，且仍能维持最高的影像质量。新方案在每个管线层面运用许多创新技术：n 重新设计的顶点着色单元，缩短几何坐标处理的设定与执行流程；n 新开发的像素着色单元提供高出两倍的浮点运算效率，大幅提升其它数学运算的速 度，提高处理流量；n 先进的材质运算单元结合许多新型硬件算法以及更优异的快取机制，加快过滤与混 色等运算作业。n NVIDIA CineFX 4.0引擎将许多突破性绘图技术融入顶点着色器、像素着色器、以及材质引擎的核心。藉由加快三角模型元素设定、像素着色器的关键数学元素、以及材质处

10、理等方面的作业，最新引擎让 3D绘图研发业者能达到更上一层楼效能与视觉质量。n 而 NVIDIA发布的 GeForce 8800正在引领 這一 代 GPU的疾速风暴， G80核心拥有空前规模的 6.81亿晶体管，是 G71的 2.5倍，而且依然采用 90nm工艺制造，再加上高频率的 12颗显存，使 8800GTX拥有超强的性能。n 現在 GeForce 9800蓄勢待發，擁有 2個 G92的核心，其性能必將更加強大。总线接口类型1. PCI接口PCI是由 Intel公司 1991年推出的一种局部总线。从结构上看，是在 CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管

11、理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。 2. AGP接口AGP（ Accelerate Graphical Port），加速图形接口。 AGP标准在使用 32位总线时，有 66MHz和 133MHz两种工作频率，最高数据传输率为266Mbps和 533Mbps，而 PCI总线理论上的最大传输率仅为 133Mbps。目前最高规格的 AGP 8X模式下，数据传输速度达到了 2.1GB/s。 AGP 1.0（ AGP1X、 AGP2X）AGP 2.0 (AGP4X) AGP Pro AGP 3.0 (AGP8X) 3. PCI Express接口PCIExpress 采用了点对点的串行传输，而

12、AGP采用的是并行传输。比起 PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽。 显存带宽的计算方法是：运行频率 数据带宽 /8，之所以要除以 8，因为每 8个 bit（比特）等于一个 Byte（字节）。 PCI-E的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括 X1、 X4、 X8以及 X16， 而 X2模式将用于内部接口而非插槽模式。 用于取代 AGP接口的 PCI-E接口位宽为 X16，能够提供 5GB/s的带宽，即便有编码上的损耗但仍能够提供约为 4GB/s左右的实际带宽，远远超过 AGP 8X的 2.1GB/s的带宽。 n 显示接口 DVI接口

13、 DVI全称为 Digital Visual Interface ，它是 基于 TMDS电子协议作为基本电气连接。 TMDS是一种微分信号机制，可以将象素数据编码，并通过串行连接传递。显卡产生的数字信号由发送器按照TMDS协议编码后通过 TMDS通道发送给接收器，经过解码送给数字显示设备。 DVI-D接口 ，只能接收数字信号，接口上只有 3排 8列共 24个针脚，其中右上角的一个针脚为空。 不兼容模拟信号。DVI-I 接口 ， 可同时兼容模拟和数字信号。 HDMI接口HDMI（ High Definition Multimedia Interface）又被称为高清晰度多媒体接口 ,HDMI源于

14、 DVI接口技术 ，它们主要是以美国晶像公司的TMDS信号传输技术为核心，这也就是为何 HDMI接口和 DVI接口能够通过转接头相互转换的原因 .TMDS（ Transition Minimized Differential Signaling）也被称为最小化传输差分信号，是指通过异或及异或非等逻辑算法将原始信号数据转换成 10位，前 8为数据由原始信号经运算后获得 。第 9位指示运算的方式，第 10位用来对应直流平衡 .以每个 TMDS通道最高 165MHz的频率计算， 3个 TMDS通道传输 R/G/B或者 Y/Cb/Cr格式编码的 24位像素视频数据，最高带宽可以达到 4.95Gbps，

15、实际视频信号传输带宽接近 4Gbps，而现在最高规格的高清视频格式 1080p所需的带宽仅仅为 2.2Gbps，因此 HDMI拥有的充足带宽不仅可以满足现在高清视频的需要，在今后相当长一段时间内都可以提供对更高清晰度视频格式的支持。 n VGA接口VGA（ Video Graphics Array）接口，也叫 D-Sub接口。 VGA接口是一种 D型接口，上面共有 15针空，分成三排，每排五个。计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的数字 /模拟转换器转变为 R、 G、三原色信号和行、场同步信号，信号通过电缆传输到显示设备中。 TV-OutTV-Out是指显卡具备输出信号到电视的相关

16、接口。输出到电视的接口目前主要应用的有三种 ：VGA接口复合视频接口 ：复合视频接口采用 RCA接口 S端子接口它是在 AV接口的基础上将色度信号 C 和亮度信号 Y进行分离，再分别以不同的通道进行传输，减少影像传输过程中的 “分离 ”、 “合成 ”的过程，减少转化过程中的损失，以得到最佳的显示效果。 通常显卡上采用的 S端子有标准的 4针接口（不带音效输出）和扩展的 7针接（带音效输出）。 S端子相比于 AV 接口，由于它不再进行 Y/C混合传输，因此也就无需再进行亮色分离和解码工作，而且使用各自独立的传输通道，在很大程度上避免了视频设备内信号串扰而产生的图像失真，极大地提高了图像的清晰度。