Grafická karta

Ciele dnešnej grafickej kartyCiele dnešnej grafickej karty

• Cieľom je dosiahnuť fotorealistickú kvalitu, aby človek z obrazu a pohybu nedokázal určiť, či sa jedná o reálne, alebo len o vykreslené postavy a objekty.

• Dnes je jedinou hnacou silou pre neustály vývoj grafických kariet hranie počítačových hier, pretože iné bežné činnosti nedokážu výpočtový výkon grafických kariet využiť ani na zlomok percenta. .

• Dnešné grafické karty majú výkon a kapacitu pamäte

väčšiu, ako celé počítače len spred niekoľkých rokov.

Princíp grafickej karty

• kombinácia grafickej pamäte, grafického procesora a RAMDAC prevodníka

• videoprocesor pravidelne číta obsah grafickej pamäte , jej obsah

spracuje a vysiela ho na monitor analógovým alebo digitálnym signálom

• RAMDAC prevodník zabezpečuje prevod digitálneho signálu na analógový pre staršie CRT monitory• logika zabezpečujúca nekonfliktný prístup CPU počítača a videoprocesora do grafickej pamäti

Čo by mala dnešná grafika maťČo by mala dnešná grafika mať

• Grafická pamäť : DDR2, GDDR3, GDDR4

• Zbernica : AGP 8x, PCIe 16x

Typ Frekvencia [MHz] Šírka pásma [GB/s]

DDR2 533-1000 8.5 – 16

GDDR3 700-1800 5.6 – 54.4

GDDR4 1600-2400 64 – 156.6

Typ Šírka [bit] Frekvencia [MHz] Šírka pásma [GB/s] Spôsob prenosu

AGP 8x 32 533 2000 paralelný

PCIe 16x 1*32 25/50 1600/3200 sériový

HistóriaHistória

Prehľad zobrazovacích štandardov:

MDA 1981 80*25 - 1 4 KBCGA 1981 80*25 640*200 1616 KBHGC 1982 80*25 720*348 164 KBEGA 1984 80*25 640*350 16256 KBIBM 8514 1987 80*25 1024*768 256 -MCGA 1987 80*25 320*200 256-VGA 1987 720*400 640*480256 256 KBSVGA 1989 80*25 1024*768 256 2 MBXGA 1990 80*25 1024*768 65,536 1 MBŠtandard VGA musí zobraziť každá grafická karta bez nainštalovaných ovládačov!

Druhy grafických kariet

Jednoduchý grafický adaptér, v ktorom sa všetky grafické operácie (napríklad presun okna alebo animácia)  vykonávajú pomocou procesora počítača CPU, čím sa stráca jeho výkon.

Grafický akcelerátor, samotné vykonávajú väčšinu grafických operácii, takže procesor sa môže venovať iným činnostiam.  Procesoru teda stačí poslať karte jednoduché základné inštrukcie a prekresľovanie obrazu ponechá jej.

grafický procesor GPU (Graphics Processor Unit) v mnohých ukazovateľoch nezaostáva za mikroprocesorom. GPU vykonáva všetky grafické inštrukcie a tak nielen šetrí strojový čas mikroprocesora počítača, ale najmä zrýchľuje dostupnosť údajov. Tie už totiž nemusia pri spracovaní v mikroprocesore putovať prostredníctvom zbernice do operačnej pamäte a odtiaľ do grafickej karty. V praxi to teda vyzerá tak, že v momente, keď sa v programe vyskytne inštrukcia na spracovanie obrazu, tú vykoná nie CPU, ale GPU.

VlastnostiVlastnosti

Môže mať dve podoby:

1. Integrovaná (na základnej doske)

2. Samostatná karta do slotu matičnej dosky

Dôležité parametre:

• rýchlosť (bodová frekvencia/riadková a snímková frekvencia)

• rozlíšenie (počet zobrazených bodov v oboch smeroch)

• farebná hĺbka (počet zobraziteľných farieb, vyjadrené počtom bitov)

• veľkosť pamäte, jej typ a rýchlosť

• typ zbernice, prostredníctvom ktorej je karta pripojená do počítača (PCI, AGP, PCIe)

Zbernice pre graf. kartuZbernice pre graf. kartu

•ISA: 16 bitová architektúra, 8 MHz, používaná od 1981,

dominantná technológia v 1980.

•MCA: 32 bit, 10 MHz. 1987, nekompatibilná s ISA.

•EISA: 32 bit, 8.33 MHz. 1988, kompatibilná s predchádzajúcimi

typami.

•VESA: rozšírenie ISA. 32 bit, 33 MHz.

•PCI: 32 bit, 33 MHz. nahradila všetky zbernice od 1993.

Zaviedla rýchle dynamické prepojenie medzi zariadeniami na

zbernici bez nutnosti nastavovania. Plná podpora PnP.

•PCI-X zvýšila PCI na 64 bit a 133 MHz.

•AGP: Vyčlenená len pre grafiku, 32 bit, 66 MHz.

•PCI-Express: 2004, od 2006 PCI 2x.

AGP zbernica na základnej doske

(hore)

Grafická karta s AGP rozhraním

Zbernice a rozhraniaZbernice a rozhrania

PCI Express sloty (smerom zhora-dole: x4, x16, x1 a x16)

porovnanie s tradičným 32-bit PCI slotom (úplne dole)...

Grafická karta s PCI Express rozhraním

Rýchlosť zbernice AGP a PCI-Expres

• Typ priepustnosť:

• AGP1X 266 MB/s

• AGP2X 533 MB/s

• AGP4X 1066 MB/s

• AGP8X 2132 MB/s

• Typ priepustnosť každým smerom:

• PCI Expres x1 250 MB/s• PCI Expres x2 500 MB/s• PCI Expres x4 1 000 MB/s• PCI Expres x8 2 000 MB/s• PCI Expres x16 4 000 MB/s• PCI Expres x32 8 000 MB/s

Aké výstupy na grafických kartách poznáme ???

• VGA

• DVI

• S-VIDEO

• HDMI

• DisplayPort

VGA

VGA (Video Graphics Adapter)

• pracuje v rozlíšení 640 x 480 bodov v 16-tich farbách • rozlíšenie základné, ktoré musí každá grafická karta zobraziť na akomkoľvek monitore pripojenom k počítaču.

SVGA

• štandard (Super VGA) s rozlíšením 800 x 600 bodov.

• nutnosť dodávať ku každej grafickej karte grafické ovládače k rôznym operačným systémom, pretože výrobcovia dosahovali toto rozlíšenie rôznymi cestami

• väčšie rozlíšenia v neprekladanom móde 1024 x 768, 1200 x 1024 a viacej bodov

• počet naraz zobrazených farieb, aby bolo možné čo najvernejšie zobrazenie v grafických aplikáciách. Staršie 8 bitové karty zvládli maximálne 28-256 farieb.

S-VIDEO

• štandard prenosu analógového video signálu používajúci na prenos obrazových dát video signál rozdelený na farbu a jas

• je omnoho lepší ako základný kompozitný video signál prenášajúci celý signál jednou cestou

•pre prenos S-video signálu sa najčastejšie využívajú 4-vývodové mini-DIN konektory (na obrázku).

• S-Video je najčastejšie používané na prenos obrazu v štandardnom televíznom rozlíšení. Zvuk sa neprenáša spoločne s obrazom v jednom kábli

DVI

Digital Video Interface • odpadáva prevod v karte na analógový signál

Typy výstupov DVI

V súčasnosti len zopár grafických kariet obsahuje 2x DVI(-I) monitor výstupy, na prepojenie s LCD monitor. Kombinácia 1x VGA a 1x DVI(-I) konektoru je častejšia . Dualne DVI-I napájanie je budúcnosť, aj keď v súčasnosti sa väčšinou napájajú analógové monitory pomocou adaptéru.

Pomocou špeciálneho adaptéru môžeme prepojiť analógové monitory k DVI-I konektoru. Väčšinou sa dodáva s novšími grafickými kartami

High Definition Media Interface

• HDMI je rozhranie, ktoré kombinuje HDTV audio / video signály do jedného kábla bez konverzie digitálneho signálu na analógový

HDMI

• 100 % digitálny signál, prenáša obraz v štandardnom, rozšírenom a HD formáte, digitálny viackanálový zvuk aj riadiace dáta

• projektovaná dátová priepustnosť je až 5 Gb/s

• rozlíšenie 2580 x 1600 pixelov

HDMIRedukcie na HDMI

• rozhranie spätne kompatibilné s DVI • umožňuje prenos dát bez straty kvality pri konverziách a prestupoch signálu konektormi a v kábloch. • použitie jediného rozhrania ako náhrady mnohých iných

• integrované diaľkové ovládanie zariadení, pričom jediným tlačidlom možno nakonfigurovať celý reťazec zariadení zabezpečujúcich prehrávanie multimediálnych dát.

Výhody rozhrania HDMI

Káble a konektoryRozhranie je koncipované tak, aby využívalo klasické medené káble s veľkou dĺžkou, ktorá však nie je normou špecifikovaná. Výrobcovia predpokladajú dodávky káblov s dĺžkou až 15 m, pričom ďalšie zdokonalenie technológie umožní ich predĺženie. Konektor je 19-pólový a má šírku iba 14 mm.

DisplayPort• nové štandardné rozhranie (schválené v máji 2006, aktuálna verzia 1.1 schválená v apríli 2007) • najmodernejší prenos digitálneho zvuku/videa

• táto linka môže mať 1, 2 alebo 4 páry/dráhy (lanes), ktorých max. prenosová rýchlosť môže byť 1.62 alebo 2.7 Gbps, takže hlavná linka so 4 pármi môže poskytnúť prenosovú kapacitu až 10.8 Gbps.

Redukcie na DisplayPort

• menší konektor oproti VGA a DVI• väčšia prenosová kapacita 10.8 Gbps než má DVI Dual Link. • podporuje väčšie rozlíšenia ako QXGA (2048x1536) • viac než 24 bitov pre informáciu o farbe • DisplayPort 1.1 bude podporovať aj HDCP verziu 1.3, čo umožní

zobraziť aj šifrovaný obsah z HD DVD a Blue-ray diskov • Prepojenie zariadení s DVI/HDMI a DiplayPort konektormi bude možné aj pomocou káblových adaptérov. • Pre prepojenie na väčšie vzdialenosti (napr. s projektormi) sa používajú až 15 metrové káble, umožňujúce podporovať minimálne 1080p rozlíšenie.

DisplayPort

Káble a Káble a konektorykonektory

HDMI

DVI

S-Video

SVGA

(D-Sub)

Výrobcovia grafických chipovVýrobcovia grafických chipov

• Pre samostatné grafické karty : - nVidia

- ATI

- Matrox

• Pre integrované grafické karty : - Intel

- S3 Graphics

Prepojenie dvoch samostatných karietPrepojenie dvoch samostatných kariet • NVidia : SLI

• ATI : Cross Fire

•Obidve grafické karty sú vysokorýchlostne spojené cez zdvojený MIO port, cez ktorý budú spolu tiež komunikovať a renderovať výslednú scénu.

Jedna karta spracováva vrchnú časť obrazu, druhá jeho spodok. Hovorí sa o cca 70% vzraste výkonu oproti jednej karte V prípade optimalizovaných driverov dosiahne až 90% zvýšenie rýchlosti rendrovania.

Technológia SLI

Cross Fire Cross Fire XCross Fire X

Technológia Cross Fire

Výrobcovia grafických karietVýrobcovia grafických kariet

• AsusAsus• Club 3DClub 3D• EPoXEPoX• EVGAEVGA• GainwardGainward• GigabyteGigabyte• HISHIS• Inno3DInno3D• LeadtekLeadtek• MSIMSI• SapphireSapphire• SparkleSparkle

• XpertvisionXpertvision

Novinky

Radeon HD 4850 X2GeForce GTX 280

Spoločnosť AMD/ATI bude všetky svoje grafické procesory podporujúce DirectX 11 vyrábať 40 nm výrobným procesom spoločnosti TSMC.

Radeon HD 5870 X2

Novinkyseptember 2009 - spoločnosť AMD uvádza na trh nové grafické

procesory radu ATI Radeon HD 5000 (s jadrom R800) a následne aj GPU pre notebooky, teda ATI Mobility Radeon HD 5000.

séria ATI Radeon HD 5800 - modely HD 5850 a HD 5870, ktoré nahradia v súčasnosti predávané HD 4850 a HD 4870. Budú to prvé GPU od spoločnosti AMD hardvérovo priamo podporujúce vizuálne efekty technológií DirectX 11 a OpenGL 3.1. Budú mať 1600 shaderových jednotiek (takmer dvakrát viac ako predchádzajúca generácia ATI Radeon HD 4000).

Technológia ATI Radeon Eyefinity - (podpora troch a viac obrazoviek, zapojených spolu na jednej karte). Dekódovanie, kódovanie a transkódovanie videa na hardvérovej úrovni, ako aj podpora CrossFire X pre systémy s viacerými kartami budú samozrejmosti. Na kartách sa bude nachádzať 1 GB videopamäte GDDR5.

ATI Radeon HD 5870 X2 Hemlock - Pre vášnivých hráčov je to dvojmikročipová karta obsahujúca „dvojnásobné množstvo sily“, a teda aj 2 GB pamäte.

Pixel : základný bod, z ktorého sa skladá obraz , počet je daný rozlíšením , napr. 800x600 , 1024x768 , 1600x1200 atď. Pixel môže byť vždy iba jednej farby.

Pixel shader : program určený na vykonávanie výpočtov súvisiacich s pixelmi.

Vertex shader : program určený na geometrické výpočty s vrcholovými uhlami (vertexami), nahradil T&L, ktoré sa požívalo pri starších grafických kartách.

Pixel a Vertex pipeline : jednotky na spracovanie Pixel a Vertex operácií v grafickom čipe , vyšší počet pixel a vertex pipeline umožňuje spracovať viac pixelov za takt. Z toho vyplýva že, čim viac ich graficka karta obsahuje, tým je rýchlejšia.

Základné pojmy grafiky:

Základné pojmy grafiky:

Filtering : Bilinear , Trilinear , Anisotropic 2,4,8,16x , metóda slúžiaca na rozmazavanie ( filtrovanie ) vzdialenejších textúr. Násobok určuje koľko je krokov medzi najostrejšiou teda najbližšiou a najrozmazanejšou teda najvzdialenejšou texturou.

Fill Rate (vykresľovacia rýchlosť) udáva počet textúrovaných i tieňovaných pixelov vykreslených za sekundu do pamäte grafickej karty, často sa používa pre porovnávanie výkonnosti kariet. Závisí na rýchlosti grafického procesora a dátovej šírke pamäťovej zbernice. Udáva sa v miliónoch pixelov za sekundu (Mp/s), dnešné grafické čipy dosahujú 100-800 Mp/s aj viac.

Grafické technikyGrafické techniky

• Anti Aliasing• Buffer techniky : Frame buffer, Accumulation buffer,

Z-buffer, Stencil buffer, T-buffer • Bump Mapping• Environment-Mapped Bump Mapping • Shader Model 3.0 • HDR • Motion blur • Depth of field • Fresnel effect

Anti AliasingAnti Aliasing• Je to technika na vyhladzovanie hrán objektov v 3D alebo 2D scéne

priemerovaním výpočtu hrany objektu pri rôznom rozlíšení. Zapnutie funkcie výrazne uberie na výkone grafickej karty. Dve najpoužívanejšie metódy sú SuperSampling (SS) a MultiSampling (MS).

Buffer technikyBuffer techniky• Frame buffer - Slúži na odkladanie vyrenderovaných pixelov a textúr

pre ich neskoršie použitie v zobrazovanej scéne.

• Accumulation buffer - Slúži na akumuláciu bodov, k operáciám s pixelami pre ich neskoršie kopírovanie do frame bufferu. Dajú sa tým dosiahnuť rôzne efekty (Motion Blur, Radial Blur ...).

• Z-buffer - Slúži na odkladanie hĺbky jednotlivých pixelov vo frame bufferi.

• Stencil buffer - Slúži ako maska pri jednotlivých operáciách s pixelmi vo frame bufferi. Dajú sa tým dosiahnuť rôzne efekty (zrkadlenie, siluety ...). S ním sú preskakované objekty, ktoré sú stále v popredí.

• T-buffer: počíta z rôznych uhlov pohľadu viackrát rovnaký obraz a vytvorí z toho jeden obraz. Dosiahne sa tým priestorovosť, hĺbka, ostrosť pohybujúcich sa objektov.

Bump MappingBump Mapping

• Získava textúru s informáciami o tieňoch závislých na uhle a intenzite osvetlenia.

Environment-Mapped Bump Environment-Mapped Bump MappingMapping• Táto funkcia zobrazuje zrkadlenia a vlnenia na vodných hladinách.

Shader Model 4.0Shader Model 4.0 • Pixel Shader, Vertex Shader :

slúži na vytvorenie realistických povrchov (kameň, voda ...)

vďaka tomu, že pomáha tieňovať jednotlivé body. Stará sa o osvetlenie, atmosférické a optické efekty

HDR – High Dynamic RangeHDR – High Dynamic Range

• Rýchle dynamické renderovanie: technika rozširujúca rozsah jasu v reálnych scénach (od svetelného zdroja po tmavé tiene).

• Dosahuje sa to tým, že na jeden farebný kanál sa namiesto celého čísla zloženého z 8 bitov použije 16, resp. 32-bitové desatinné číslo.

• Rozsah zobrazovaných farieb je teda oveľa väčší, scéna je omnoho kontrastnejšia a vyvoláva dojem reálnych svetelných podmienok.

Motion blurMotion blur

• technika rozmazávania rýchlo sa pohybujúcich objektov

Depth of fieldDepth of field• technika rozmazávania objektov vo veľkej ďiaľke

Fresnel effectFresnel effect• odrazy od objektov, zrkadlenia na lesklých plochách v závislosti od

uhla pohľadu

Porovnanie DirectX 9 a DirectX Porovnanie DirectX 9 a DirectX 1010