顯卡工作原理是什么?

我們?cè)?監(jiān)視器上看到的圖像是由很多個(gè)小點(diǎn)組成的，這些小點(diǎn)稱(chēng)為“像素”。在最常用的分辨率設(shè)置下，屏幕顯示一百多萬(wàn)個(gè)像素，電腦必須決定如何處理每個(gè)像素，以便生成圖像。為此，它需要一位“翻譯”，負(fù)責(zé)從CPU獲得二進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成人眼可以看到的圖像。除非電腦的主板內(nèi)置了圖形功能，否則這一轉(zhuǎn)換是在顯卡上進(jìn)行的。

　　顯卡的工作非常復(fù)雜，但其原理和部件很容易理解。在本文中，我們將了解顯卡的基本部件和它們的作用。此外，我們還將考察那些共同發(fā)揮作用以使顯卡能夠快速、高效工作的因素。

　　

　　-->顯卡生成一幅線(xiàn)框圖像，然后進(jìn)行填充并添加紋理和陰影。

　　-->顯卡的基本原理

　　我們可以把電腦想像成一家擁有獨(dú)立美工部門(mén)的公司。當(dāng)公司員工需要一件美術(shù)品時(shí)，便向美工部門(mén)提出申請(qǐng)。美工部門(mén)決定如何創(chuàng)作圖像，然后在圖紙上繪制出來(lái)。最終結(jié)果是，某人的想法變成真實(shí)而可見(jiàn)的圖像。

　　

　　顯卡的主要部件是:主板連接設(shè)備、監(jiān)視器連接設(shè)備、處理器和內(nèi)存。不同顯卡的工作原理基本相同CPU與軟件應(yīng)用程序協(xié)同工作，以便將有關(guān)圖像的信息發(fā)送到顯卡。顯卡決定如何使用屏幕上的像素來(lái)生成圖像。之后，它通過(guò)線(xiàn)纜將這些信息發(fā)送到監(jiān)視器

　　顯卡的演變自從IBM于1981年推出第一塊顯卡以來(lái)，顯卡已經(jīng)有了很大改進(jìn)。第一塊顯卡稱(chēng)為單色顯示適配器（MDA），只能在黑色屏幕上顯示綠色或白色文本。而現(xiàn)在，新型顯卡的最低標(biāo)準(zhǔn)是視頻圖形陣列（VGA），它能顯示256種顏色。通過(guò)像量子擴(kuò)展圖矩陣（QuantumExtendedGraphicsArray,QXGA）這樣的高性能標(biāo)準(zhǔn)，顯卡可以在最高達(dá)2040x1536像素的分辨率下顯示數(shù)百萬(wàn)種顏色。

　　根據(jù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)生成圖像是一個(gè)很費(fèi)力的過(guò)程。為了生成三維圖像，顯卡首先要用直線(xiàn)創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)框。然后，它對(duì)圖像進(jìn)行光柵化處理（填充剩余的像素）。此外，顯卡還需添加明暗光線(xiàn)、紋理和顏色。對(duì)于快節(jié)奏的游戲，電腦每秒鐘必須執(zhí)行此過(guò)程約60次。如果沒(méi)有顯卡來(lái)執(zhí)行必要的計(jì)算，則電腦將無(wú)法承擔(dān)如此大的工作負(fù)荷。

　　顯卡使用四個(gè)主要部件來(lái)完成此任務(wù)：

　　主板連接設(shè)備，用于傳輸數(shù)據(jù)和供電

　　處理器，用于決定如何處理屏幕上的每個(gè)像素

　　內(nèi)存，用于存放有關(guān)每個(gè)像素的信息以及暫時(shí)存儲(chǔ)已完成的圖像

　　監(jiān)視器連接設(shè)備，便于我們查看最終結(jié)果

　　處理器和內(nèi)存

　　像主板一樣，顯卡也是裝有處理器和RAM的印刷電路板。此外，它還具有輸入/輸出系統(tǒng)（BIOS）芯片，該芯片用于存儲(chǔ)顯卡的設(shè)置以及在啟動(dòng)時(shí)對(duì)內(nèi)存、輸入和輸出執(zhí)行診斷。顯卡的處理器稱(chēng)為圖形處理單元（GPU），它與電腦的CPU類(lèi)似。但是，GPU是專(zhuān)為執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)和幾何計(jì)算而設(shè)計(jì)的，這些計(jì)算是圖形渲染所必需的。某些最快速的GPU所具有的晶體管數(shù)甚至超過(guò)了普通CPU。GPU會(huì)產(chǎn)生大量熱量，所以它的上方通常安裝有散熱器或風(fēng)扇。

　　

　　散熱器或風(fēng)扇可以防止顯卡的處理器過(guò)熱。

　　除了其處理能力以外，GPU還使用特殊的程序設(shè)計(jì)來(lái)幫助自己分析和使用數(shù)據(jù)。市場(chǎng)上的絕大多數(shù)GPU都是冶天和英偉達(dá)生產(chǎn)的，并且這兩家公司都開(kāi)發(fā)出了自己的GPU性能增強(qiáng)功能。為了提高圖像質(zhì)量，這些處理器使用以下技術(shù)：

　　全景抗鋸齒（FSAA），它能讓三維物體的邊緣變得平滑

　　各向異性過(guò)濾（AF），它能使圖像看上去更加鮮明

　　集成顯卡許多主板都具有集成圖形功能，而無(wú)需獨(dú)立的顯卡。這些主板能輕松地處理二維圖像，因而能夠提高工作效率，并且非常適合于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境。如果在一塊這樣的主板上插入獨(dú)立的顯卡，則會(huì)覆蓋板載圖形功能。

　　很多廠(chǎng)商還都另行開(kāi)發(fā)出特定的技術(shù)，以幫助GPU應(yīng)用顏色、陰影、紋理和圖案。

　　GPU在生成圖像時(shí)，需要有個(gè)地方能存放信息和已完成的圖像。這正是顯卡RAM用途所在，它用于存儲(chǔ)有關(guān)每個(gè)像素的數(shù)據(jù)、每個(gè)像素的顏色及其在屏幕上的位置。有一部分RAM還可以起到幀緩沖器的作用，這意味著它將保存已完成的圖像，直到顯示它們。通常，顯卡RAM以非常高的速度運(yùn)行，且采取雙端口設(shè)計(jì)，這意味著系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)其進(jìn)行讀取和寫(xiě)入操作。

　　RAM直接連接到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，即DAC。這個(gè)轉(zhuǎn)換器也稱(chēng)為RAMDAC，用于將圖像轉(zhuǎn)換成監(jiān)視器可以使用的模擬信號(hào)。有些顯卡具有多個(gè)RAMDAC，這可以提高性能及支持多臺(tái)監(jiān)視器。

　　RAMDAC通過(guò)線(xiàn)纜將最終圖像發(fā)送到監(jiān)視器。

　　顯卡輸入和輸出

　　ADC連接器蘋(píng)果公司曾經(jīng)制造過(guò)使用專(zhuān)利產(chǎn)品AppleDisplayConnector（ADC）的監(jiān)視器。盡管這些監(jiān)視器目前仍在使用，但蘋(píng)果公司新出的監(jiān)視器已改為使用DVI連接設(shè)備。顯卡通過(guò)主板連接到電腦主板為顯卡供電，并使其可以與CPU通信。對(duì)于較新的顯卡，主板所提供的電能往往不足，所以顯卡還直接連接到電腦的電源。

　　與主板的連接通常是借助以下三種接口之一來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

　　外設(shè)部件互連（PCI）

　　高級(jí)圖形端口（AGP）

　　PCIExpress（PCIe）

　　在這三種接口中，PCIExpress是最新型的接口，它能在顯卡和主板之間提供最快的傳輸速率。此外，PCIe還支持在一臺(tái)電腦中使用兩塊顯卡。

　　大多數(shù)顯卡都具有兩個(gè)監(jiān)視器連接設(shè)備。通常，其中一個(gè)是支持LCD屏幕的DVI連接器，另一個(gè)是支持CRT屏幕的VGA連接器。有些顯卡配備的是兩個(gè)DVI連接器。但這并不意味著無(wú)法使用CRT屏幕；CRT屏幕可以通過(guò)適配器連接到DVI端口。

　　大多數(shù)人僅使用他們具有的兩種監(jiān)視器連接設(shè)備中的一種。需要使用兩臺(tái)監(jiān)視器的用戶(hù)可以購(gòu)買(mǎi)具有雙頭輸出功能的顯卡，它能將畫(huà)面分割并顯示到兩個(gè)屏幕上。理論上，如果電腦配有兩塊具有雙頭輸出功能且提供PCIe接口的顯卡，則它能夠支持四臺(tái)監(jiān)視器。

　　

　　這塊RadeonX800XL顯卡具有DVI、VGA和ViVo連接設(shè)備。

　　除了用于主板和監(jiān)視器的連接設(shè)備以外，有些顯卡還具有用于以下用途的連接設(shè)備：

　　電視顯示：電視輸出或S-Video

　　模擬攝像機(jī)：ViVo（視頻輸入/視頻輸出）

　　數(shù)碼相機(jī)：火線(xiàn)或USB有些顯卡還自帶了電視調(diào)諧器。

　　接下來(lái)，我們將考察對(duì)顯卡的速度和效率有影響的因素。

　　DirectX和OpenGLDirectX和OpenGL都是應(yīng)用程序編程接口，簡(jiǎn)稱(chēng)API。API提供用于復(fù)雜任務(wù)（例如三維渲染）的指令，以此幫助軟硬件更高效地通信。開(kāi)發(fā)人員針對(duì)特定的API來(lái)優(yōu)化大量使用圖形的游戲。這就是最新的游戲通常需要DirectX或OpenGL的更新版才能正確運(yùn)行的原因。

　　API不同于驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序是使硬件可以與電腦的操作系統(tǒng)進(jìn)行通信的程序。但如同更新版的API一樣，更新版的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以幫助程序正確運(yùn)行。

　　什么樣的是好顯卡？

　　頂級(jí)顯卡很容易辨認(rèn)，它應(yīng)該具有大量?jī)?nèi)存和速度很快的處理器。此外，與其他任何要安裝到電腦機(jī)箱中的部件相比，它通常是最令人關(guān)注的。很多高性能顯卡都聲稱(chēng)需要或直接配備了外形夸張的風(fēng)扇或散熱器。

　　但高端顯卡提供的功能超出了大多數(shù)人的真實(shí)需要。對(duì)于主要使用電腦來(lái)收發(fā)電子郵件、從事文字處理或上網(wǎng)沖浪的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，帶有集成顯卡的主板便能夠提供所有必要的圖形功能。對(duì)于大多數(shù)偶爾玩游戲的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，中端顯卡已經(jīng)足以滿(mǎn)足需要。只有游戲迷和那些需要完成大量三維圖形工作的用戶(hù)才需要高端顯卡。

　　

　　有些顯卡帶有用于電視和視頻的連接設(shè)備以及電視調(diào)諧器，例如ATI的All-in-Wonder顯卡。

　　顯卡性能的一個(gè)很好的整體衡量標(biāo)準(zhǔn)是它的幀速，它是以每秒的幀數(shù)（FPS）為單位加以衡量的。幀速說(shuō)明了顯卡每秒鐘能顯示多少幅完整的圖像。人眼的處理能力約為每秒25幀，而動(dòng)感快速的游戲至少需要60FPS的幀速才能提供平滑的動(dòng)畫(huà)和滾動(dòng)。影響幀速的因素包括：

　　每秒生成的三角形數(shù)或頂點(diǎn)數(shù)三維圖像是由三角形或多邊形組成的。這項(xiàng)指標(biāo)說(shuō)明了GPU能夠以多快的速度計(jì)算整個(gè)多邊形或?qū)υ摱噙呅芜M(jìn)行定義的頂點(diǎn)。一般而言，它說(shuō)明了顯卡能以多快的速度生成線(xiàn)框圖像。

　　像素填充速率：這項(xiàng)指標(biāo)說(shuō)明了GPU一秒鐘內(nèi)能處理多少個(gè)像素，從而也就說(shuō)明了顯卡能以多快的速度對(duì)圖像進(jìn)行光柵化處理。顯卡的硬件對(duì)其速度具有直接影響。以下是對(duì)顯卡速度影響最大的硬件性能指標(biāo)及其衡量單位：

　　GPU時(shí)鐘速度（MHz）

　　內(nèi)存總線(xiàn)的容量（位）

　　可用內(nèi)存的數(shù)量（MB）

　　內(nèi)存時(shí)鐘速率（MHz）

　　內(nèi)存帶寬（GB/s）

　　RAMDAC速度（MHz）

　　電腦的CPU和主板也對(duì)顯卡速度有一定影響，因?yàn)榉浅？焖俚娘@卡并不能彌補(bǔ)主板在快速傳輸數(shù)據(jù)方面的能力的不足。同樣，顯卡與主板之間的連接以及它從CPU獲取指令的速度都會(huì)影響其性能。

　　超頻有些用戶(hù)選擇將自己顯卡的時(shí)鐘速度手動(dòng)設(shè)置為更高的速率，以此來(lái)提高顯卡的性能，這稱(chēng)為超頻。人們通常選擇對(duì)顯卡的內(nèi)存進(jìn)行超頻，因?yàn)閷?duì)GPU進(jìn)行超頻可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱。雖然超頻可以獲得更好的性能，但它也會(huì)使制造商的質(zhì)保失效。