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类别:硬件手记

显示卡综述

如今在电脑配件的选购中,最使人难以选择的恐怕就是显卡了,在我们购买显卡前应该对它多少有一些了解。显卡也就是通常我们所说得图形加速卡。它的基本作用就是控制电脑的图形输出,可以说它是一个“中间人”,它工作在CPU和显示器之间。通常显示卡是以附加卡的形式安装在电脑主板的扩展槽中,或集成在主板上(多为品牌机使用)。

显卡的基本原理

显示卡的主要作用是对图形函数进行加速。早期的电脑,CPU和标准的EGA或VGA显示卡以及帧缓存(用于存储图象),可以对大多数图象进行处理,但是它们只是起一种传递作用,我们所看到的就是CPU所提供的。这对老的操作系统象DOS,以及文本文件的显示是足够的,但是这种组合对复杂的图形和高质量的图象的处理就显得力不从心了,特别是当用户使用Windows操作系统后,CPU已经无法对众多的图形函数进行处理,而最根本的解决方法就是图形加速卡。图形加速卡拥有自己的图形函数加速器和显存,这些都是专门用来执行图形加速任务,因此就可以大大减少CPU所必须处理的图形函数。比如我们想画个圆圈,如果单单让CPU作这个工作,它就要考虑需要多少个像素来实现,还要想想用什么颜色,但是如果图形加速卡芯片具有画圈这个函数,CPU只需要告诉它“给我画个圈”剩下的工作就由加速卡来进行,这样CPU就可以执行其他更多的任务,这样就提高了计算机的整体性能。


实际上现在的显示卡都已经是图形加速卡,它们多多少少都可以执行一些图形函数.通常所说的加速卡的性能,是指加速卡上的芯片集能够提供的图形函数计算能力,这个芯片集通常也称为加速器或图形处理器。一般来说在芯片集的内部会有有一个时钟发生器、VGA核心和硬件加速函数,很多新的芯片集在内部还集成了RAMDAC(后面会介绍)。芯片集可以通过它们的数据传输带宽来划分,最近的芯片多为64位或128位,而早期的显卡芯片为32位或16位。更多的带宽可以使芯片在一个时钟周期中处理更多的信息。但是大家不要以为128位芯片就会比64位芯片快两倍,更大的带宽为我们带来的是更高的解析度和色深,加速卡的速度很大程度上受所使用的显存类型以及驱动程序的影响。现在生产加速卡的厂商可以分为两类。一类是自己生产芯片,自己设计卡板并生产,例如MGA所生产的加速卡多为此类(m3d除外),因为从设计到生产都是自己进行,所以对BIOS和驱动程序的设计会做的较好。另外一类就是使用别人设计的芯片,自己设计卡板线路并生产,象Diamond就是这一类中比较著名的厂家。

显存

上面提到显存也是加速卡的重要组成部分,显存也被称为帧缓存,它实际上是用来存储要处理的图形的数据信息。我们知道在屏幕上所显现出的每一个像素,都由4至32位数据来控制它的颜色和亮度,加速芯片和CPU对这些数据进行控制,RAMDAC读入这些数据并把它们输出到显示器。有一些高级加速卡不仅将图形数据存储在显存中,而且还利用显存进行计算,特别是具有3D加速功能的显卡更是需要显存进行3D函数的运算。因为在显存中的数据交换量越来越大,所以更新的显存也不断涌现。最初使用的显存是DRAM(基本已经绝迹),多为低端加速卡使用的EDO DRAM,以及现在被广泛使用的SDRAM和SGRAM。这些都是单端口存储器,还有一类就是较昂贵的双端口VRAM和WRAM。从性能上来说,VRAM和WRAM比较适合加速卡使用。双端口显存可以在从芯片集中得到数据的同时向RAMDAC输送数据。而单端口显存不能实现输入和输出的同时进行。进行数据交换时,只有当芯片集完成对显存的写操作后,RAMDAC才能从显存中得到数据。在高解析度和色深的环境下,这会影响加速卡的成绩,因为此时的数据量更大,所要等待的时间就越多。但是VRAM和WRAM的价格太高(我深有体会),无法普及,所以目前的加速卡使用得多是SGRAM,并通过提高显存的带宽来增大数据交换速度以便减少等待时间。

我们在选择3D加速卡是主要挑选的是它所采用的3D加速芯片,而对加速卡上的显存你又知道多少呢?

作为显示卡的重要组成部分,显存也一直随着加速芯片的发展而逐步改变着。从早期的DRAM到现在广泛流行的SDRAM,显存的速度以及它对3D加速卡性能的影响也越来越大。显存也被乘为帧缓存,通常它是用来存储显示芯片(组)所处理的数据信息。当显示芯片处理完数据后会将数据输送到显存中,然后RAMDAC从显存中读取数据并将数字信号转换为模拟信号,最后将信号输出到显示屏。所以显存的速度以及带宽直接影响着一块加速卡的速度,如果你的3D加速卡有一颗强劲的“芯”,但是板载显存却无法将处理过的数据即时传送,那么你就无法得到满意的显示效果。 我们都知道在购买系统内存是总要买速度快的,同样显存也存在速度的差别,不同类型(甚至不同品牌)的显示卡才用的显存也不尽相同,这种现象在老式的FPM和EDO DRAM中比较多。很多FPM都是60ns,而当EDO DRAM广泛采用后显存的速度达到了25ns,更高的速度带来的往往是更大的数据传输带宽,这对整个显示系统性能的影响是很大的。但是在同种类型显存中,显存速度的提高对显卡性能的影响就不十分显著。

数据传输带宽指的是显存一次可以读入的数据量,这是影响显示卡性能的关键,它决定着你的显示卡可以支持更高的分辨率、更大的色深和合理的刷新率。这意味着一块采用新型显存的加速卡可以支持到1024x768 24位色和85Hz刷新率,而用老显存就无法作到。
显存的种类很多,但大体上可以分为两类,单端口显存和双端口显存。但端口显存从显示芯片读取数据以及向RAMDAC传输数据都是经过同一个端口,这样一来数据的读写和传输就无法同时进行。以下几种显存都是单端口显存。

FPM(Fast Page Mode) DRAM

这就是我们过去经常见到的快页内存,也就是过去常使用的系统内存的一种。虽然它的名字是“快”页内存,但是在现在看来它的速度还是太慢了,它一般只工作在5-3-3-3 66 MHz下。FPM之所以被广泛应用,一个重要原因就是它是种标准而且安全的产品,而且很便宜。但是由于它的性能实在太次,所以不久便被EDO DRAM所代替。

EDO (Extended Data Out) DRAM

与FPM相比EDO DRAM的速度要快5%,这是因为EDO内设置了一个逻辑电路,借此EDO可以在上一个内存数据读取结束前将下一个数据读入内存。设计为系统内存的EDO DRAM原本是非常昂贵的,只是因为PC市场急需一种替代FPM DRAM的产品,所以被广泛应用在第五代PC上。EDO显存可以工作在75MHz或更高,但是其标准工作频率为5-2-2-2 66 MHz,不过它还是太慢。

SGRAM (Synchronous Graphics RAM )

SGRAM(同步)是一种比较新的显存,而且它是为专为显示卡所设计的,它改进了过去低效能显存传输率较低的缺点,为显示卡性能的提高创造了条件。但是因为其设计制造成本过高,在普通显卡上采用的较少,一般都是运用在高端加速卡上。现在有很多低档3D加速卡都使用SGRAM,但是经过比较你会发现其性能甚至还不如使用SDRAM的同等产品。

SDRAM (Synchronous DRAM)

相信大家对这种显存并不陌生,SDRAM与早期产品的设计思路完全不同,它可以在一个时钟周期内进行数据的读写,从而节省了等待时间。SDRAM现在已经成为显存市场上的主导产品,这主要是因为其低廉的价格和较佳的性能,通常SDRAM可以工作在5-1-1-1
100MHz状态下,而最新的SDRAM显存带宽可以达到200MHz,这当然是速度的一个飞跃。
传统的显存因为没有够的带宽,使用它无法传输高分辨率、高色深和高刷新率时显示卡所需要传送的数据,因为它要应付两个“顾客”。最简单的解决方法就是为显存再添上一个出口。

Video RAM (VRAM)

作为解决显示数据进出矛盾的第一方案,Video RAM 为我们带来了一个光明的前景,但是大家可能发现,如今市面上常见的3D加速卡没有运用Video RAM的。原因很简单,Video RAM是为显示卡所量身定作的,除了运用在显示卡上别无它处,而且Video RAM的合成需要更多的硅,这也导致了它成本的提高。Video RAM的双端口较好的解决了单端口时影响显卡速度的这一难题,大多数时间内,数据从显示芯片通过一个端口传送到显存中,而与此同时另一个端口又可以将显存中已有的数据传送到RAMDAC中,这样就避免了数据进出时所浪费的等待时间。

WRAM Window RAM

WRAM是VRAM的一个改进产品,与VRAM相比WRAM的带宽要高出25%,而且当运用例如块填充时WRAM可以达到更高的效能,此外很重要的一项是WRAM的制造工艺要比VRAM简单,其价格自然要比VRAM低(相对而言)。

RAMDAC

在显存中存储的当然是数字信息,因为计算机是以数字方式运行的,对于显卡来说这一堆0和1控制着每一个像素的色深和亮度。然而显示器并不以数字方式工作,它工作在模拟状态下,这就需要在中间有一个“翻译”。 Random Access Memory Digital-to-Analog Converter其缩写就是RAMDAC,它的作用就是将数字信号转换为模拟信号使显示器能够显示图象。RAMDAC的另一个重要作用就是提供显卡能够达到的刷新率,它也影响着显卡所输出的图象质量。

刷新频率

刷新频率是指RAMDAC向显示器传送信号,使其每秒重绘屏幕的次数,它的标准单位是Hertz (Hz)。如今RAMDAC所提供的刷新率最高可达到250Hz,但是影响所实现的刷新率有两个方面,一是显卡每秒可以产生的图象数目,其二是显示器每秒能够接收并显示的图象数目。刷新率可以分为56, 60, 65, 70, 72, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 110 和 120 Hz.数个档次。过低的刷新率会使用户感到屏幕严重的闪烁,时间一长就会使眼睛感到疲劳, 所以刷新率应该大于72Hz。分辨率指的是在屏幕上所显现出来的像素数目,它有两部分来计算,分别是水平行的点数和垂直行的点数。举个例子,如果分辨率为800X600,那就是说这幅图象由800个水平点和600个垂直点组成。通常分辨率分为640x480, 800x600, 1024x768, 1152x864, 1280x1024, 和1600x1200或更高。更高的分辨率可以在屏幕上显示更多的东西。如果你使用1024X768的分辨率,你可以在写作时看到更多的文字,可以在制表时一屏显示更多的单元格,更可以在桌面上放更多的图标。色深可以看作一个调色板,它决定屏幕上每个像素由多少中颜色控制。我们知道每一个像素都用红、绿、蓝三种基本颜色组成,像素的亮度也是由它们控制。当三种颜色都设定为最大值时,像素就呈现为白色,当它们设定为零时,像素就呈现为黑色。通常色深可以设定为4位8位16位24位色,当然色深的位数越高,你所能够得到的颜色就越多,屏幕上的图象质量就越好。但是当色深增加时,它也增大了显卡所要处理的数据量,而随之带来的是速度的降低或是屏幕刷新率的降低。

色深 所显示色数 每像素数据量 一般名称
4位色 16 0.5字节 标准VGA
8位色 256 1.0字节 256色
16位色 65536 2.0字节 高彩
32位色 16777216 3.0字节 真彩

显卡上的BIOS的功能与主板上的一样,它可以执行一些基本的函数,并在你打开你的计算机时对显卡进行初始化设定。现在很多显卡上都使用flash BIOS,你可以通过软件对BIOS进行升级。驱动程序对于显卡来说是极其重要的,它告诉芯片集怎样对每个绘图函数进行加速,不断更新的驱动程序使显卡日趋完美。

接口技术

上面简单介绍了显卡的基本组成部分,但是还有一点没有提到,这就是显卡的界面。随着图形应用软件的发展,在显卡和CPU及内中的数据交换量越来越大,而显卡的界面正是一种连接显卡和CPU的通道。图形速度的提高(特别是3D图形)要求与CPU和内存间有极宽的带宽进行数据交换,而局部总线已经无法满足要求,它已经成为影响图形速度的瓶颈,因此出现一种廉价的解决方案AGP总线,AGP是第一个为图形卡所设计的界面。(实际上AGP不能算是总线,因为总线可以支持多种设备,它只是一种端口。)PCI显卡以PCI总线速度的一半即33MHZ工作,它可以达到的峰值传送率为133MHz。而AGP以66MHz的速度工作,AGP 1X的峰值传送率可达266MHz,AGP 2X的传输率可以达到532MHz,因为“2X”可以在一个时钟周期中传输两次数据(上升沿和下降沿各一次),而一般的工作状态只能进行一次传输,而AGP 4X的理论传输率为1.066GB/s,这听起来也许是不可能的,因为这已经远远超过整个系统总线所能够达到的速度。66MHz总线的最大传输率为532MHz,在这种环境下AGP 4X无法发挥作用。而使用100MHz总线时,内存的最大数据交换率可以达到800MHZ/s,这可能会使“4X”发挥一些威力,但也是远远不够的。

借助如此高的传输率,我们可以使一些原本只能在显存中进行的函数运算扩展到主内存中。Intel称这种技术为DIME(内存直接使用)。我们知道显存的价格要比系统内存高的多,而且它们只能用于图形运算,而高质量的图形运算和输出就要求更多的显存。例如一款VOODOO卡的标准配置为4MB显存,其中2MB为帧缓存,2MB为织法缓存,所以它在3D游戏中只能达到640X480的分辨率。更高的分辨率就需要更多的显存,这就会增大加速卡的成本。加速卡的芯片集需要局部显存进行刷新率、Z-buffer、像素以及front fuffer和 back-buffers的控制,因此应用程序需要AGP提供更多的织法缓存来达到更高的解析度。很多程序会要求2-16MB的织法缓存,而AGP就可以满足它们。

API

当某一个应用程序提出一个制图请求时,这个请求首先要被送到操作系统中(这里我们以Windows操作系统为例),然后通过GDI(图形设备接口)和DCI(显示控制接口)对所要使用得函数进行选择。而现在这些工作基本由DirectX来进行,它远远超过DCI的控制功能,而且还加入了3D图形API(应用程序接口)和Direct3D。显卡驱动程序判断有那些函数是可以被显卡芯片集运算,可以进行的将被送到显卡进行加速。如果某些函数无法被芯片进行运算,这些工作就交给CPU进行(当然这会影响速度)。运算后的数字信号写入帧缓存中,最后送入RAMDAC,在转换为模拟信号后输出到显示器。

当我们去选择一款显卡时我们重要考虑的是它的价格、品质以及售后服务。从价格上来说,你所需要的显卡要根据你的实际需要来确定。如果你只是进行一些文字处理,运行一些办公软件你大可不必花一千多元买块3D加速卡,S3系列的显卡足够你用了。如果为了游戏,那么掏出你的钱包不要吝啬,你需要的是Voodoo 2。如果你想工作游戏两不误,RIVA 128、i740都是不错的选择。

对于DIY发烧友来说,永远不会拥有一块理想的3D加速卡,我们总是感觉手中的加速卡不够完美(除非你有两块Voodoo 2)。与Voodoo 2相比,现在的2D/3D加速卡的性能都无法与之匹敌,尤其是在画面的质量上都还不能达到Voodoo 2的水平。但是即将面世的几种加速卡(芯片)可能会改变这种情况。请看我们的综述。

一款好的显示卡从芯片集、显存、BIOS到RAMDAC和驱动程序都要有良好的品质。一款好的加速卡只有强劲的加速芯片是不够的,卡上的其他元器件的好坏都回影响卡的成绩,一块说明书中吹的天花乱坠的显卡,实际应用中却慢吞吞,这是常有的事。即使是使用同种加速芯片的不同品牌显卡,其性能也不仅相同,一个有实力的厂商在原材料的选取、线路板的设计以及驱动程序的优化上都会有过人之处,而如果在这些方面上偷工减料,就无法发挥出芯片的性能。所以不要只图便宜去买一些无名厂商的产品,而且从售后服务上来说也没有保证。最后祝愿大家能够买到自己称心如意的显卡。

   
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