第5章显卡

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第 5 章显卡

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本章要点显卡的结构显卡的接口显卡的性能指标主流显示芯片


具体要求了解显卡的结构掌握显卡的接口掌握显卡的性能指标了解主流显示芯片了解显卡的选购


本章导读显卡是计算机中处理图像的设备，显卡负

责将计算机系统中所有的图像信息进行处理，然后从显示器输出。如今显卡的性能越来越强劲，显示效果也越来越逼真。本课将介绍显卡的相关知识，包括显卡的结构、显卡接口的作用、影响显卡性能的指标以及市场上主流显示芯片的不同特点，另外还将介绍如何选购显卡。


5.1 显卡概述显卡是计算机运行的必备部件之一，主要

负责图像的处理，并把处理的结果通过显示器输出。下面将讲解显卡的相关知识。


5.1 显卡概述

5.1.1 显卡的作用 5.1.2 显卡的结构 5.1.3 显卡的接口 5.1.4 显卡的性能指标


5.1.1 显卡的作用显卡拥有独立的图形处理芯片（ GPU ）和显存，

专门用来执行图像加速和处理任务，因此就可以大大减少 CPU 所必须处理的图形函数的数量，从而提高了计算机的整体性能。

显卡工作的步骤为： CPU 将数据通过总线传送到显示芯片，显示芯片对数据进行处理，并将处理的结果存放在显存中，显存将数据传送到数 / 模转换器（ RAMDAC ）并进行数 / 模转换，RAMDAC 将模拟信号通过专用接口输送到显示器。


5.1.2 显卡的结构显卡主要由显示芯片、显存和显示输出接

口（ VGA 接口， DVI 接口）等几部分组成。


显卡的结构

显存

显示芯片

VGA接口

DVI接口

显卡BIOS

金手指


5.1.2 显卡的结构显示芯片：显示芯片又称图形处理芯片（ GPU），它是显卡中最重要的部分，它直接决定了显卡的性能好坏。显示芯片的主要作用是处理软件指令，让显卡能完成某些特定的绘图功能。由于显示芯片发热量巨大，因此往往在其上都会覆盖散热片并通过散热风扇进行散热。


5.1.2 显卡的结构显存：是显卡中用来临时存储显示数据的地

方，其位宽与存取速度对显卡的整体性能有着非常大的影响，而且还将直接影响显示的分辨率及色彩位数，其容量越大，所能显示的分辨率及色彩位数就越高。显存容量通常有 64MB， 128MB， 256MB 等几种。


显示芯片和显存


5.1.2 显卡的结构 VGA 接口：大部分显卡都采用这种信号的输

出接口，其外形为 15针 D 型结构，它与CRT 显示器直接相连。

DVI 接口： DVI（ Digital Visual Interface ）接口的名字为数字视频接口。通过 DVI 接口，显卡中的数字信号直接到达 LCD ，不会出现失真的现象，从而使显示出来的画面更加真实、自然。


VGA 接口和 DVI 接口


5.1.2 显卡的结构金手指：是显卡用来连接到主板的通道。显卡 BIOS ：在显卡的 BIOS 芯片内存储了显

卡的一些相关信息，如显卡采用的显示芯片参数、显存的默认工作频率等。显卡 BIOS 和主板 BIOS 具有类似的作用。


5.1.3 显卡的接口显卡的接口主要有 ISA 接口、 PCI 接

口、 AGP 接口和 PCI Express x16 接口等，下面将分别进行介绍。


5.1.3 显卡的接口 1． ISA 接口 2． PCI 接口 3． AGP 接口 4． PCI Express x16 接口


1． ISA 接口 ISA（ Industry Standard Architecture ，工业标准

结构）接口是由 Intel公司、 IEEE协会和 EISA集团为了能够更合理地开发外插接口而联合开发的一种总线接口。

ISA 接口的主要性能指标有：可直接寻址的容量为 16MB、 8/16 位数据线、 62/36引脚、最大位宽为 16bit 、最高时钟频率为 8MHz 、最大稳定传输速率为 16MB/s 、允许多个物理设备共享系统资源 ISA插槽，但是 ISA 接口传输速率过低、 CPU占用率高，所以采用 ISA 接口的显卡已经被淘汰了。


2． PCI 接口 PCI 接口的工作频率为 33MHz ，最大数

据传输速率可达 133MB/s ，同时具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力。由于 PCI 显卡不能适应显卡高速带宽的传输需求，因此逐渐被 AGP 显卡所替代。


ISA 接口的显卡和 PCI 接口的显卡


3． AGP 接口 AGP（ Accelerated Graphics Port ）为加速图形端口，是一种为了提高视频带宽而设计的总线标准。 AGP 标准在使用 32 位总线时，其工作频率为 66MHz ，最高数据传输率为 533MB/s ，而 PCI 总线理论上的最大传输率仅为 133MB/s 。目前在最高规格的 AGP 8X 模式下，数据传输速度达到了 2.1GB/s。

AGP 接口的发展经历了 AGP 1.0 标准、 AGP 2.0 标准、 AGP Pro 标准和 AGP 3.0 标准等阶段，其传输速度也从最早的 AGP 1X 的 266MB/s带宽发展到了 AGP 8X 的 2.1GB/s。


AGP 接口的显卡


1） AGP 1.0

AGP 1.0 标准于 1996年 7月问世，分为1X 和 2X两种模式，数据传输带宽分别为266MB/s 和 533MB/s。 AGP 1.0 标准是在66MHz PCI 2.1 标准的基础上经过扩充而形成的，其工作频率为 66MHz ，工作电压为 3.3V ，基本满足显示设备与系统交换数据的需要。


2） AGP 2.0

AGP 2.0 标准于 1998年 5月正式发布，工作频率依然是 66MHz ，增加了 4X 模式，并将工作电压降低到了 1.5V ，这样它的数据传输带宽达到了 1066MB/s ，数据传输能力大大增强。


3） AGP Pro

AGP Pro 接口与 AGP 2.0 同时推出，这是一种为了满足显示设备功耗日益加大的现实而研发的图形接口标准，应用该技术的图形接口的主要特点是比 AGP 4X略长一些，其加长部分可容纳更多的电源引脚，使得这种接口可以驱动功耗更大（ 25W～ 110W ）或者处理能力更强大的 AGP 显卡。这种标准其实是专为高端图形工作站而设计的，不过 AGP 4X 的显卡也可以插在这种插槽中正常使用。


4） AGP 3.0

2000年 8月 Intel推出 AGP 3.0 标准，增加了 8X 模式，并将工作电压降到 0.8V ，这样它的数据传输带宽达到了 2.1GB/s ，数据传输能力相对于 AGP 4X 成倍增长，能较好地满足当前显示设备的带宽需求。 AGP 8X向下兼容 AGP 4X ，但不兼容 AGP 1X和 AGP 2X。


4． PCI Express x16 接口 PCI Express 是下一代的总线接口，点对点串行

连接，不需向整个总线请求带宽，就可把数据传输率提高到一个很高的级别，达到 PCI 不能提供的高带宽。与传统 PCI 总线相比， PCI Express 的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。

PCI Express 接口中的 PCI Express x16 接口用来取代 AGP 接口作为下一代显卡接口， PCI Express x16 接口能够提供 5GB/s 的带宽，即使编码上有损耗仍能提供约为 4GB/s左右的实际带宽，远远超过 AGP 8X 的 2.1GB/s 的带宽。


PCI Express x16 显卡


5.1.4 显卡的性能指标显卡的性能高低取决于显示芯片和显存，

显示芯片将在 5.2节进行介绍，这里将介绍显存的性能指标，显存的性能指标主要有显存速度、显存位宽和显存容量。


5.1.4 显卡的性能指标 1．显存速度 2．显存位宽 3．显存容量


1．显存速度显存速度是显存非常重要的一个性能指标，

显存速度决定于显存的时钟周期和运行频率，它们影响显存每次处理数据需要的时间。显存芯片速度越快，单位时间交换的数据量也就越大，在同等条件下，显卡性能也将会得到明显的提升。

显存的时钟周期以 ns （纳秒）为单位，运行频率则以 MHz 为单位。它们之间的关系为：运行频率＝ 1/ 时钟周期 ×1000 。


2．显存位宽显存位宽是显存也是显卡的一个重要性能

指标。显存位宽可理解为数据进出通道的大小，在运行频率和显存容量相同的情况下，显存位宽越大，数据的吞吐量就越大，性能也就越好。现在常见的显存位宽有64bit， 128bit 和 256bit ，在运行频率相同的情况下， 128bit 显存位宽的数据吞吐量是 64bit 显存位宽的两倍； 256bit 显存位宽的数据吞吐量是 128bit 显存位宽的两倍。


3．显存容量显存担负着系统与显卡之间数据交换以及

显示芯片运算 3D 图形时的数据缓存，因此显存容量的大小决定了显示芯片处理的数据量。理论上讲，显存容量越大，显卡性能就越好。而实际上，在普通应用中，显存容量大小并不是显卡性能高低的决定因素，而显存速度和显存位宽才是影响显卡性能的关键指标。


5.2 主流显示芯片显示芯片的生产厂家主要有

Intel、 nVIDIA和 ATi ，另外还有其他一些厂家的产品占有少量的市场份额。 Intel主要是在芯片组中开发集成显示芯片，而nVIDIA和 ATi则开发独立的显示芯片。


5.2 主流显示芯片 5.2.1 Intel 显示芯片 5.2.2 nVIDIA 显示芯片 5.2.3 ATi 显示芯片


5.2.1 Intel 显示芯片 Intel 是最大的 CPU制造商和主板芯片组研发商，同时也是显示芯片的生产厂家。从早期的 i810 芯片组开始，到目前的i925 芯片组， Intel 在每个类型的芯片组中都会有一款集成显示芯片的芯片组产品。


5.2.1 Intel 显示芯片 1． Intel Extreme Graphics 2． Intel Extreme Graphics 2


1． Intel Extreme Graphics

Intel Extreme Graphics 是在 i845G 芯片组上集成的显示芯片，它采用动态分配共享显存技术（ DVMT），其图形核心为 256 位，支持 32 位色深。

Intel Extreme Graphics支持的最大分辨率为 2048×1536 像素，完全支持 AGP 2X/4X 模式，核心频率达到 200MHz ，支持多种 3D 特效，完全支持 OpenGL 1.3 （含压缩纹理，纹理 DOT3环境模式及多纹理），并支持 24位 Z轴缓冲。


2． Intel Extreme Graphics 2

Intel Extreme Graphics 2 是从 Intel Extreme Graphics升级而来的，它适当地提升了核心的频率，并且对内部设计进行了全面改进，采用了更为先进的像素材质引擎、区域渲染二代引擎、动态视频存储二代技术以及更具效率的智能内存管理技术，再加上双通道 DDR 400 系统内存的高带宽，从而使图形性能得到了大幅度提高。


5.2.2 nVIDIA 显示芯片 nVIDIA自 AGP 显卡普及以来，一直是显

卡市场的王者。现在 nVIDIA 在市场上的显示芯片主要有 Geforce FX 系列、 Geforce 6 系列和 Geforce 7 系列，下面将分别进行介绍。


5.2.2 nVIDIA 显示芯片 1． Geforce FX 系列 2． Geforce 6 系列 3． Geforce 7 系列


1． Geforce FX 系列 Geforce FX 系列的成员有 Geforce FX

5200， Geforce FX 5500， Geforce FX 5600， Geforce FX 5700和 Geforce FX 5900。


1） Geforce FX 5200

GeForce FX 5200（ NV34 ）采用 0.15µm制作工艺，具有 4条渲染流水线、 4个TMU单元，纹理填充率为 13亿 /秒，多边形生成率为 0.81亿 /秒。 GeForce FX 5200 分为 Ultra版和标准版， 5200 Ultra版的核心 / 显存频率为 325/650MHz；5200 标准版的核心 / 显存频率为250/400MHz。 NV34硬件支持 DirectX 9.0。



GeForce FX 5500（ NV34 ）的核心频率为 270MHz ，晶体管数为 4500万个，采用 0.15µm 工艺生产，具有 128bit 的显存位宽，标准显存带宽为 10.4GB/s ，最高支持显存容量为 128MB ，像素流水线是4条，支持 DirectX 9.0。


显示芯片



GeForce FX 5600（ NV31 ）采用 0.13µm工艺生产，晶体管数为 8000万个，配备 128bit的 DDR 显存位宽，显存带宽为11.2GB/s ，支持最大显存为 256MB。 FX 5600 具有 4条像素流水线，支持 DirectX 9.0和 IntelliSample技术所内含的各种优化功能。



GeForce FX 5700（ NV36 ）具有 Ultra（核心 / 工作频率分别为 475/900MHz ）和 LE （核心 / 工作频率分别为250/400MHz ）等版本，使用的是改良版的着色器 CineFX 2.0 ，它的晶体管数目为8200万个， 128Bit 的显存位宽。


显示芯片



GeForce FX 5900（ NV38 ）可看做是GeForce FX 5700 的升级版本， GeForce FX 5900 采用 0.13µm制造工艺，核心频率为 400MHz ，显存位宽为 256bit ，显存频率为 800MHz ，显存带宽达到了25.4GB/s。


2． Geforce 6 系列 Geforce 6 系列显示芯片分为 6800 系列、

6600 系列和 6200 系列，下面将介绍这三个系列中经典的显示芯片。


1） Geforce 6800 系列 Geforce 6800 系列中最强劲的显示芯片为

GeForce 6800 Ultra（ NV40），该显示芯片集成了大约 2亿个晶体管，采用0.13µm制造工艺，核心频率达400MHz。 GeForce 6800 Ultra 有 16条32bit 流水线，使用 DDR3 内存作为显存。另外 GeForce 6800 Ultra 采用 PCI Express接口（也有 AGP 8X 接口的版本）。


2） Geforce 6600 系列 Geforce 6600 系列显卡是 Geforce 6 系列显卡中

面向中端市场的产品，其较为经典的显示芯片为 Geforce 6600 GT ，核心代号为NV43。 NV43是 nVIDIA 第一款使用 0.11µm制造工艺的产品，其完全支持 DirectX 9.0c ，特别提供对 nVIDIA 特殊的 Shader Model 3.0 的支持。 6600GT针对中高端市场，采用 2ns的DDR3 显存颗粒，显存位宽达到 128bit ，核心频率为 500MHz ，显存频率为 1000MHz。


显示芯片


3） Geforce 6200 系列 GeForce 6200 系列属于 GeForce 6 系列的低端产品线，其较经典的显示芯片为Geforce 6200A ，采用 CineFX 3.0引擎、 Shader Model 3.0、 64 位纹理混合过滤和 32bit 像素着色渲染等新技术，支持DirectX 9.0c 。采用 0.11µm制造工艺，核心频率为 350MHz ，显存频率为500MHz ，显存带宽只有 64bit。


3． Geforce 7 系列 Geforce 7 系列是 nVIDIA 最新发布的显示芯片，

这块基于 G70核心的显卡被 nVIDIA命名为GeForce 7800 ，这是 nVIDIA 提出 GPU 概念以来的第七代显卡产品。 G70除了拥有 24条像素渲染管线外，还具备多达 8条顶点管线，性能相当强劲。采用 0.11µm制造工艺，晶体管数目达到了 3亿 9百万个，核心频率为 430MHz ，显存位宽为 256bit ，显存频率为 1200MHz ，显存带宽达到了 38.4GB/s。


显示芯片


5.2.3 ATi 显示芯片在显示芯片市场， ATi 是惟一一家有实力与 nVIDIA 进行抗衡的显示芯片研发公司。ATi公司发布了多款显示芯片产品，其中ATi 的主打产品有 Radeon 9550、 X550系列、 X700 系列和 X800 系列。


5.2.3 ATi 显示芯片 1． Radeon 9550 2． X550 系列 3． X700 系列 4． X800 系列


1． Radeon 9550

ATi的 Radeon 9550 采用 0.13µm制造工艺的 RV350 图形核心，功能及特性与Radeon 9600SE， Radeon 9600及 Radeon 9600Pro 完全一致，拥有 4条像素渲染管线和一个纹理单元，支持 DirectX 9.0及AGP 8X 。但在核心频率上有所缩减，由Radeon 9600 标准版的 325MHz 下降到了250MHz。


2． X550 系列 X550是 ATi近期推出的中低端 PCI-E 显

卡，它的性能与 X600 Pro 相仿，而价格却保持了 X300 的较低水平，因此它取代了之前的 X600， X300 系列。 X550核心采用 0.11µm制程，核心代号为RV370XT 。拥有 4条像素渲染管线和 2个顶点处理单元，显卡功能及特性与X600， X300 完全相同。显卡默认频率为400/550MHz ，与 X600 Pro 的400/600MHz 的水平基本相同。


显示芯片


3． X700 系列采用 RV410核心的 Radeon X700 采用了最新的

0.11µm制造工艺，集成 1.1亿晶体管，支持3Dc， SmoothVision HD， SmartShader HD， VideoShader HD和 HyperZ HD。

X700 Pro与 X700 都拥有 8条像素渲染管线和 6个顶点渲染管线，核心频率分别为 425MHz 和 400MHz；而价位较低的 X700SE渲染管线只保留了 4条像素渲染管线，顶点渲染管线依旧为 6个。


4． X800 系列 X800 系列采用 R430核心，这是 ATi首次

在高端显卡上采用 0.11µm制造工艺，晶体管数目约为 1亿 6千万个。 X800 系列分为 X800XL与 X800两款。虽然核心代号相同均为 R430 ，但 X800XL与 X800在性能上却相差较大。其中 X800XL 拥有16条像素渲染管线，默认频率为 400/1000MHz 。而 X800 标准版配置了 12条渲染管线，频率为 400/700MHz。


显示芯片


5.3 显卡选购指南显卡厂家在高中低端都拥有丰富的产品线，

不同档次的用户都有多种显卡产品可以选择。下面将介绍选购显卡时需要注意的地方。


5.3 显卡选购指南 5.3.1 知识讲解 5.3.2 典型案例


5.3.1 知识讲解显卡一般需要根据自己的需求来进行选择，

然后多比较几款不同品牌同类型的显卡，通过观察显卡的做工来选择显卡，还有重要的一点是显存的容量一定要看清楚。


1．显卡档次的定位不同的用户对显卡的需求不一样，需要根

据自己的经济实力和使用情况来选择合适的显卡，下面将根据对显卡不同需求的用户推荐购买的显卡类型。办公应用类：这类用户不需要显卡具有强劲

的图像处理能力，只需要显卡能处理简单的文本和图像即可。这样一般的显卡都能胜任，如集成显卡、 GeForce 4 MX440和 Radeon 9200档次的显卡等。


1．显卡档次的定位普通用户类：这类用户平时娱乐多为上网、看电影、玩一些小游戏，对显卡有一定的要求，并且也不愿在显卡上面多投入资金，那么这类用户可以购买Geforce FX 5200或者与 Radeon 9550 相同档次的显卡就可以了，这类显卡价格在 300～ 500元，投入不多，但是完全可以满足需求。

游戏玩家类：这类用户对显卡的要求较高，需要显卡具有较强的 3D 处理能力和游戏性能，这类用户一般都会考虑市场上性能强劲的显卡，如 GeForce 6 6600GT和 Radeon X550 以上档次的显卡。


1．显卡档次的定位图形设计类：图形设计类的用户对显卡的要

求非常高，特别是 3D动画制作人员。这类用户一般选择市场上顶级的显卡，如Geforce 6800 Ultra或 X800 以上档次的显卡。


2．显卡的做工市面上各种品牌的显卡多如牛毛，质量也良莠不齐。名牌显卡做工精良，用料扎实，看上去大气；而劣质显卡做工粗糙，用料伪劣，在实际使用中也容易出现各种各样的问题。

因此在选购显卡时需要看清显卡所使用的PCB 板层数（最好在 4层以上）以及显卡所采用的元件等。


3．显存的选择显存是最容易被忽视的地方，很多用户购买显

卡时只注意显卡的价格和使用的显卡芯片，却没有注意对显卡性能起决定影响的显存。有的厂家使用 256MB 的显存来吸引顾客，但是显存的位宽只有 64bit ，这样的显卡性能非常低，性能只有 128bit 128MB 显存的 60％左右，购买这种显存的显卡是非常不划算的。

显存的位宽可以通过观察显存的封装方式来计算，一般来说， BGA封装和 QFP封装的显存颗粒是 32bit/颗的，而 TSOP封装的显存颗粒是 16bit/颗的。


5.3.2 典型案例下面介绍一些市场上的主流显卡供读者参考。


5.3.2 典型案例 1． nVIDIA 显卡 2． ATi 显卡


1． nVIDIA 显卡在 nVIDIA 系列显卡中将介绍盈通

6600LE 和旌宇擒镭者 6200A超凡版。


1 ）盈通 6600LE

盈通 6600LE没有采用 nVIDIA公版设计，其显存采用英飞凌的 DDR3 显存，显存速度为 2.0ns ，整体显存规格为 128MB/128bit 。由于这款显卡的整体做工和用料都非常好，因此其默认核心 / 显存频率比较高，达到了 425/1000MHz 。可以将它看做 6600LE 加强版。


2 ）旌宇擒镭者 6200A超凡版

旌宇擒镭者 6200A超凡版采用了 GeForce 6200A图形核心，它基于 0.11µm制造工艺，内建 4条像素管线和 3 组顶点引擎，由于搭载的是 DDR3显存，这款显卡在供电部分进行了必要的加强。该显卡使用的是三星 DDR3 显存颗粒，显存速度为 2.0ns ，单颗规格为 8M×32bit， 4颗加起来的总容量 / 位宽为 128MB/128bit ，不过由于GeForce 6200A核心只能够支持 64bit 的显存位宽，所以这款显卡的实际显存规格仍为128MB/64bit。


盈通 6600LE 和旌宇擒镭者 6200A超凡版


2． ATi 显卡 ATi 系列的显卡中将介绍铭瑄狂镭 X700钻石版和蓝宝石 X550 256MB版。


1 ）铭瑄狂镭 X700钻石版铭瑄狂镭 X700钻石版基于全新的架构，

采用先进的 0.11µm制造工艺。核心运行频率为 400MHz 。显存颗粒采用原厂英飞凌 DDR3颗粒，显存速度为 2.2ns ，运行频率为 700MHz， DDR3 高性能版本的铭瑄狂镭 X700钻石版是超频提升的代表性产品。


2 ）蓝宝石 X550 256MB版蓝宝石 X550 256MB版显卡采用先进的 0.

11µm制造工艺，拥有 4条像素渲染管线和 2 组可编程顶点引擎，搭配的是 mBGA封装的英飞凌 2.8ns 显存，工作频率高达680MHz。


铭瑄狂镭 X700钻石版和蓝宝石 X550 256MB版

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