Šolski center Novo mesto

Srednja elektro šola in tehniška gimnazija

Šegova ulica 112

8000 Novo mesto

GRAFIČNA KARTICA

(Seminarska naloga)

Predmet: informatika s tehniškim komuniciranjem

Avtor: Ime in priimek, E1. A

Mentorica: Tanja Jerič

Novo mesto, 22. 3. 2010

POVZETEK

V svoji seminarski nalogi vam bom predstavila strojno opremo računalnika in sicer

grafično kartico. Grafična kartica je nujna za igranje igric in prikaz slike na zaslonu.

Največja proizvajalca grafičnih kartic sta nVidia in Ati.

Ključne besede: grafična kartica, igrice, nVidia, ATI, hlajenje, procesor

KAZALO VSEBINE

1 Uvod.................................................................................................................... 1 2 Kaj je grafična kartica .......................................................................................... 2 3 Kako deluje grafična kartica ................................................................................ 4 4 Razlaga osnovne tehnologije in pojmov pri grafični kartici .................................. 5

4.1 Barvna globina (color depth) ........................................................................ 5 4.2 Enota za spreminjanje in osvetljevanje (T&L unit)........................................ 5 4.3 Filtriranje ...................................................................................................... 5 4.4 Glajenje robov (antialiasing)......................................................................... 6 4.5 Izločanje nevidnih ploskev (occlusion culling) .............................................. 6 4.6 Cevovod (renedering pipeline) ..................................................................... 7 4.7 Medpomnilnik stencil (stencil buffer) ............................................................ 7 4.8 Medpomnilnik Z (Z-buffer) ............................................................................ 7 4.9 Megla (fog) ................................................................................................... 8 4.10 Prekrivanje (mapping) .................................................................................. 8

5 Imena naprednih tehnologij, ki pripomorejo k lepši grafiki ................................. 10 6 Podjetja, ki izdelujejo grafične kartice in njihovi izdelki ...................................... 11

6.1 nVidia ......................................................................................................... 11 6.2 ATI.............................................................................................................. 12

7 Hlajenje in navijanje grafičnih kartic .................................................................. 13 8 Zaključek ........................................................................................................... 15 Literatura .................................................................................................................. 16

KAZALO SLIK

Slika 1: RAM grafične kartice...................................................................................... 2 Slika 2: Grafični procesor............................................................................................ 4 Slika 3: Prikaz glajenja robov...................................................................................... 6 Slika 4: Displacement tehnologija v uporabi (ukrivljanje površine). ............................ 8 Slika 5: Logo nVidia.................................................................................................. 11 Slika 6: Logo ATI. ..................................................................................................... 12 Slika 7: Ventilator, ki hladi grafični procesor. ............................................................ 13 Slika 8: Vodni blok za hlajenja grafične kartice......................................................... 14 Slika 9: Heat-pipe brez ventilatorja in bolj učinkovit z ventilatorjem.......................... 14

Grafična kartica

Stran 1

1 Uvod

V tem članku bom opisal grafične kartice, kot del strojne opreme računalnika, njeno

delovanje, kako je narejena, zakaj jo uporabljamo, kdo jih izdeluje in vse ostale

pomembne stvari o grafičnih karticah.

Grafična kartica

Stran 2

2 Kaj je grafična kartica

Grafična kartica je del strojne opreme, ki skrbi za prikaz slike na monitorju (zaslonu).

Sprva so bile grafične kartice, ki so lahko prikazale le črno in belo barvo, kasneje so

izdelali grafične kartice, ki so podpirale več barv.

Prve grafične kartice so bile že vgrajene na glavnem čipu matične plošče, sedaj pa

so grafične kartice, kot posamezna enota računalnika. Ponekod lahko tudi sedaj

zasledimo grafične kartice vgrajene v čip matične plošče. Ta izbira se jim bolj splača

saj porabijo manj materiala in manj denarja kot če bi izdelali posebej grafično kartico

in posebej matično ploščo.

Grafične kartice v preteklosti so imele le nekaj Kilobajtov spomina, kar je zadostovalo

za potrebe po grafiki v tistih časih. Sedaj grafične kartice izdelujejo s 128 in 256 MB

RAMA, v bližnji prihodnosti, pa so pripravljeni načrti za grafične kartice s 512 in celo

1024 MB RAM-a. RAM na grafičnih karticah je lahko SDR, SDR-DDR, DDR ali DDR

II.

Slika 1: RAM grafične kartice.

Grafični procesor sedaj vsebuje tudi do 140 milijonov tranzistorjev, kar je dvakrat več

od najmočnejšega Pentium 3.06 GHz procesorja. Sedaj grafične kartice potrebujejo

še dodatno napajanje (do 24V), ker AGP vodilo ne spusti dovolj električnega toka

(12V).

Grafična kartica

Stran 3

Vsaka novejša grafična kartica je zmožna naslednjih stvari:

o 128 bitno prepustnost spominske širine,

o 64 in 128 bitno plavajočo vejico za vsako barvo,

o 8x AGP podporo,

o izračun osmih pixlov v enem ciklu,

o 16 tekstur na en pixel,

o 8 cevovodov,

o 500 MHz procesor in 1GHz RAM,

o 20 Gb/s prepustnost podatkov.

Grafična kartica

Stran 4

3 Kako deluje grafična kartica

Grafična kartica deluje tako, da pretvarja sliko iz digitalnih podatkov v analogne. Prvo

kar se zgodi je to, da mora uporabnik dati ukaz računalniku. Ta ukaz izvrši procesor,

ki ga nato pošlje v RAM, ta pa preko mosta na plošči preide do grafičnega procesorja

(GPU – Graphic Processor Unit). Čip, ki pretvarja sliko iz digitalne v analogno, se

imenuje RAMDAC (Random – Access Memory Digital-to-Analog Converter).

Slika 2: Grafični procesor.

Izdelan je iz treh digitalno-analognih pretvornikov, ter majhne količine pomnilnika, v

katerem se shranjuje barvna karta, teh treh pretvornikov. Vsak od pretvornikov je

namenjen za pretvarjanje ene med tremi osnovnimi barvami.

Od hitrosti in kakovosti RAMDAC-a je odvisno, kako hitro se bo osvežila slika pri

določeni ločljivosti in barvni globini.

Grafična kartica

Stran 5

4 Razlaga osnovne tehnologije in pojmov pri grafični kartici

4.1 Barvna globina (color depth) Označuje število različnih barvnih odtenkov, ki jih lahko v enem ciklu prikaže del

strojne ali programske opreme. Barvno globino lahko poimenujemo tudi bitna

globina, kar pomeni koliko bitov se porabi za prikaz ene pike na zaslonu.

Če uporabljamo 16 – bitno globino, pomeni, da lahko naenkrat prikaže 2 na

šestnajsto potenco bar ali 65.536 njih. Danes se večinoma uporablja 32 – bitna

globina, v bližnji prihodnosti (cca. leto dni), pa bodo izdelali 40 in več bitne grafične

kartice.

4.2 Enota za spreminjanje in osvetljevanje (T&L unit)

V času prvih grafičnih kartic so se pri delovanju v veliki meri zanašale na osrednji

procesor (CPU), same grafične kartice so skrbele samo za dodajanje raznih

svetlobnih in ostalih posebnih efektov, za maličenje in osvetljevanje objektov pa je

opravil procesor (CPU).

Prva grafična kartica ki je delovala samostojno je bila nVidin GeForce 256, ki je imel

vdelano tako imenovano enoto T&L. V zahvalo tej tehnologiji osrednji procesor

(CPU) ni več skrbel za osvetljevanje in maličenje, kar je pripomoglo k temu, da je vso

dosedanjo procesorsko moč, ki je bila namenjena (T&L - ju) je lahko uporabil za

druge zahtevne operacije.

4.3 Filtriranje Ko grafična kartica prične z nanašanjem slik na objekte, nastopi proces z imenom

filtriranje, katerega je naloga, da določi kako bodo posamezni elementi teksture

(teksli) tvorili pike na zaslonu.

Grafična kartica

Stran 6

Trenutno poznamo več načinov – točkovno, bilinearno in trilinearno – vsem pa je

skupno, da teksture na objektih zameglijo. Do zameglitve pride zato, ker je slika, ki je

na zaslonu veliko večja, kot je shranjena v pomnilniku.

Poznamo tudi proces, ki odpravi to zameglitev, najbolj učinkovit je procesorsko zelo

zahtevno anizotropno filtriranje, ki teksture obdeluje optimalno glede na vidni kot

kamere.

4.4 Glajenje robov (antialiasing)

To je ena največjih težav računalniške grafike, ki se je iz 2D prenesla tudi v 3D.

Nazobčani robovi mejnih ploskev. S tem problemom, so se prvi soočili pri (že

propadlem) podjetju 3Dfx, ki ga je odkupila nVidia.

Glajenje robov je zapolnjevanje zob z pikami prehodnih barv. Najpomembnejši način

mehčanja robov, ostaja še vedno pri višjih ločljivostih, z naknadnim zmanjšanjem v

uporabljeno ločljivost. Sedaj se uporablja že veliko naprednejše in hitrejše algoritme.

Slika 3: Prikaz glajenja robov.

4.5 Izločanje nevidnih ploskev (occlusion culling)

Grafične kartice med delovanjem opravijo veliko nepotrebnega dela, saj večinoma

obdeluje vse objekte na danem prizorišču, ne glede na to, ali se sploh bojo prikazali

na zaslonu.

Grafična kartica

Stran 7

Temu so se izognili proizvajalci grafičnih kartic z tehnologijami, ki že vnaprej izločajo

nevidne ploskve. Najpogosteje uporabljena je zagotovo optimizacija medpomnilnika

Z: - napredno stiskanje in hitro brisanje medpomnilnika. Na tem področju je

pomembno omeniti powerVR kyro, ki s svojo posebno tehniko TBR (tile based

renedering – zaplatno izrisovanje). V tem primeru se podatki o globini ne zapisujejo v

medpomnilnik Z, temveč se razdeli na zaplatke.

4.6 Cevovod (renedering pipeline)

To je osrednji del vsakega grafičnega procesorja (GPU), ki skrbi za obdelavo in

posredovanje podatkov, ki jih uporabniki vidijo na zaslonu kot sliko. Od izpopolnitve

tega v veliki meri je odvisna končna hitrost izrisa grafike na zaslon.

Današnje grafične kartice vsebujejo tudi 8 cevovodov, v prihodnje pa naj bi jih še

več.

4.7 Medpomnilnik stencil (stencil buffer)

To je majhen del medpomnilnika Z (globinski pomnilnik), 1 – 4 bite, rezerviran za

označevanje pik (pikslov) posameznega prizora, ki potrebujejo dodatno obdelavo v

naslednjih izrisovalnih prehodih. Programerji lahko s tem dosežejo veliko učinkov, kot

so ogledala, odrgnine, ipd.

4.8 Medpomnilnik Z (Z-buffer) To je poseben del grafičnega pomnilnika na grafični kartici, v katerega se shranjujejo

podatki o globinski vrednosti (vrednosti po osi Z) za vsako piko (piksel) na zaslonu.

Grafična kartica

Stran 8

4.9 Megla (fog) V treh dimenzijah, je poseben učinek zmanjšanje vidljivosti objektov, ko se od njih

oddaljujemo. Večinoma se ga uporablja za prekrivanje objektov v daljavi, veliko

pripomore, k lepoti pri grafiki. Posebna megla je volumetrična – prostorninska

(volumetric fog), oziroma talna megla, katere intenziteto (izrazitost) določa višinska

koordinata (Y). Za razliko od navadne megle, volumetrična ni strojno podprta.

4.10 Prekrivanje (mapping) Prekrivanje pomeni lepljenje (nanašanje) tekstur na površine objektov. V sodobni

grafiki se je pojavila potreba po nanosu več tekstur na eno piko, posledica tega

poznamo več načinov prekrivanja.

Prvo in osnovno prekrivanje je teksturno prekrivanje (texture mapping), ki na objekt

nanese le eno osnovno teksturo.

Nato se izvrši postopek svetlobnega prekrivanja (light mapping), ki pove, kako se

svetloba odbija od objekta in nazadnje pa grbančenje (bump mapping), oziroma

uklanjanje svetlobe tako, da se nam zdijo površine neravne.

Trenutno poznamo več načinov grbančenja, od glavnega (EMDB – Environmental –

Mapped – Bump Mapping), displacement, ter do naj naprednejšega z imenom DOT3.

Slika 4: Displacement tehnologija v uporabi (ukrivljanje površine).

Senčilnik pik (pixel shader) – najnovejša tehnologija po T&L-ju je senčilnik pik, ki je

zmožen osvetliti in teksturirati do pike natančno, realno odsevanje površin, kot je

vodna in raznih kovin, dodatno grbančenje in podobno.

Grafična kartica

Stran 9

Stiskanje tekstur (texture compression) – zaradi vse večjih tekstur in izrisovanja v

32 bitnih barvah je to postala resna težava za proizvajalce grafičnih kartic. Težavo so

odpravili tako, da so napisali algoritem, za krčenje tekstur, njegova naloga pa je da

prepustnost pomnilnika zmanjša do osemkrat . Posledica tega pa je izguba podatkov

za prikaz.

Grafična kartica

Stran 10

5 Imena naprednih tehnologij, ki pripomorejo k lepši grafiki

Imena tehnologij:

o NfiniteFX II

o Mehčanje robov accuview AA

o Lightspeed memory architecture II

o Hydravision I,II

o Video immersion II

o Hyper Z II

o Charisma engine

o Truform

o Pixel tapestry II

o Smoothvision

o Pixel Sharder II

o HLSL

o Parhelia displacement

Pomemben del vseh teh tehnologij za delovanje grafične kartice preko računalnika je

potrebo imeti DirectX knjižnico, v kateri so zapisani postopki delovanja teh tehnologij.

Najnovejša verzija DrirectX-a je 9.0.

Vse te tehnologije ki so zgoraj navedene, so že vdelane v grafične procesorje,

ampak jih še nihče ne namerava uporabiti vsaj še eno leto in pol.

Grafična kartica

Stran 11

6 Podjetja, ki izdelujejo grafične kartice in njihovi izdelki

Vodilno podjetje na trgu grafičnih kartic je zagotovo nVidia, sledi ji ATI in Matrox in

3Dfx, ki ga je kupila nVidia Vsako od podjetij na leto izda dva do tri modela grafične

kartice, vsak je boljši od predhodnika.

6.1 nVidia

Slika 5: Logo nVidia.

Pri nVidi so izdelali grafične kartice vrst:

o Riva TNT 1,2

o GeForce 256

o GeForce 2 / MX, Titanium

o GeForce 3 Titanium serija

o GeForce 4 / MX, Titanium

o nVidi-jina najnovejša grafična kartica je GeForce FX, ki je vodilna na trgu.

V prihodnje se že pripravljajo načrti za izdelavo GeForce 6 in 7.

Grafična kartica

Stran 12

6.2 ATI

Slika 6: Logo ATI.

Pri ATI-ju pa so izdelali naslednje vrste grafičnih kartic:

o ATI Rage PRO

o ATI Radeon

o ATI Radeon All in Wonder

o ATI Radeon 5xxx

o ATI Radeon 6xxx

o ATI Radeon 7xxx

o ATI Radeon 8xxx

o ATI Radeon 9xxx

o ATI-jev najnovejši izdelek je ATI Radeon 9700 PRO.

o V prihodnje bodo izdelali še čip z imenom R350 ter R400.

Grafična kartica

Stran 13

7 Hlajenje in navijanje grafičnih kartic

Pri grafičnih karticah lahko uporabimo več načinov hlajenja. Najpogosteje

uporabljeno je zračno hlajenje, s pomočjo majhnega ventilatorja in hladilnih reber, iz

različnih materialov.

Pri zračnem hlajenju se pogosto zgodi, da sistem zamrzne zato, ker je grafična

kartica preveč obremenjena in se segreva. Povprečna temperatura se giblje med

30°C in 50°C.

Slika 7: Ventilator, ki hladi grafični procesor.

Drugo bolj ekstremno hlajenje je vodno hlajenje. Pri tem hlajenju preprosto

uporabljamo ohlajeno vodo, ki teče skozi vodni blok, ki je na grafičnem procesorju in

RAM-u.

Povprečna temperatura tega hlajenja je od 20°C do 35°C. Takšno hlajenje ima tudi

veliko pomankljivost, saj se velikokrat zgodi, da vodna črpalka preneha delovati,

posledica tega je prenehanje dotoka vode v vodni blok na grafičnem procesorju in

taljenje grafičnega procesorja ter razlitja vode po celotni strojni opremi. Prednost

takega hlajenja pa je ta, da nam omogoča veliko večje zvišanje hitrosti grafičnega

procesorja in RAM-a na grafični kartici kot pri ostalima dvema hlajenjema.

Grafična kartica

Stran 14

Slika 8: Vodni blok za hlajenja grafične kartice.

Tretji način hlajenja celotne grafične kartice je s hladilnimi rebri, ki so postavljena na

obeh straneh grafične kartice in so med seboj povezani s cevjo. Ta način hlajenja

imenujemo Heat-Pipe cooling.

Hladilna rebra so narejena iz močno prevodnih materialov kot so baker in malo manj

prevoden aluminij.

Prednost tega hlajenja je ta, da je povsem neslišno.

Slabost pa je ta, da se velikokrat tudi pregreva grafična kartica in ni priporočljivo

navijanje (overclockanje).

Slika 9: Heat-pipe brez ventilatorja in bolj učinkovit z ventilatorjem.

Za navijanje (overclocking) grafičnih procesorjev, velikokrat dobimo že programsko

opremo zraven, ki to omogoča. Pospešimo lahko delovanje grafičnega procesorja in

RAM-a na kartici. Boljše kot je hlajenje grafičnega procesorja in RAM-a, bolj lahko

zvišamo hitrost GPU-ja in RAM-a. Vse poskuse (navijanja), ki jih delamo za boljšo

učinkovitost oz. hitrost delamo na lastno odgovornost, ker proizvajalci ne dajo

garancije na tovrstne posege.

Grafična kartica

Stran 15

8 Zaključek

Grafična kartica

Stran 16

Literatura

1. http://www.slo-comp.net/articles/?article_ID=54 (22. 3. 2010).