計(jì)算機(jī)顯示卡基本工作原理介紹

計(jì)算機(jī)顯示卡基本工作原理介紹

由於我們使用電腦來處理事情，影像時(shí)常在變動(dòng)。這些變動(dòng)發(fā)生得很快，這點(diǎn)尤其受我們所做的事情來決定，有以下幾種類型:

　　1、DOS performance，現(xiàn)在相當(dāng)於 Game performance 。今天所有專業(yè)應(yīng)用軟件都在 GUI 作業(yè)系統(tǒng)之下執(zhí)行。

　　2、3D performance－游戲越做越逼真， 而我們就生活在 3D 世界，不是嗎?

　　3、GUI performance，也叫 2D 或 Windows performance，因?yàn)?Win 是最受歡迎的 GUI 作業(yè)系統(tǒng)。(GUI就是graphic user interface 使用者圖形界面)

　　4、Video Display performance在我眼里看來對(duì)我們大多 數(shù)的人仍然不是那么重要，但是想在他的電腦觀看或處 理 video 的人將必須尋找一塊快速的專門處理 video 的 卡。

　　那么顯示卡及顯示器各在哪方面各扮演怎樣的角色?

　　顯示器在清晰度 (sharpness)，明亮度 (brightness)，穩(wěn)定度 (stableness) 和最大解析度方面扮演十分重要的角色。假如你想要有高品質(zhì)的影像，你需要一臺(tái)高品質(zhì)的的大顯示屏顯示器，至少 17 寸，你的顯示卡要盡可能挑最好的。顯示器如果很爛，顯示屏看起來就會(huì)很不舒服。

　　在顯示卡方面，RAM DAC是負(fù)責(zé)將資料送到顯示器的部份。有兩個(gè)重要的因素，一是RAM DAC 的品質(zhì)，他是單獨(dú)存在或并入顯卡芯片 (video chipset) 之中；還有最大像素頻率 (pixel frequency)，以 MHz 為單位。220 MHz 的 RAM DAC通常比 135 MHz 來的好。他提供了較高的刷新率 (refresh rate)－在后面會(huì)再告訴你為什么。

　　顯示屏解析度 (screen resolution) 和色彩解析度 (color resolution)跟顯存 (Video RAM) 的數(shù)量有關(guān)。

　　顯卡的性能顯存和芯片的種類有關(guān)。但是我們不應(yīng)該忘記它跟總線 (PCI/ISA/EISA) 也有關(guān)，因此主機(jī)板還有它的芯片組都跟資料送達(dá)顯示卡的速度有關(guān)。最后就是 Pentium(P55C)/Pentium Pro(Klamath)/6x86(M2) CPU 新增的 MMX 指令集－它能增進(jìn)顯示卡的效能，可能比現(xiàn)在任何的顯示卡技術(shù)幫助還要大。

　　顯示卡負(fù)責(zé)的的工作及其進(jìn)行的程序究竟是怎樣的呢?

　　我們必須了解，資料 (data) 一旦離開 CPU，必須通過 4 個(gè) 步驟，最后才會(huì)到達(dá)顯示屏:

　　1、從總線 (bus) 進(jìn)入顯卡芯片 －將 CPU 送來的資料送到顯卡芯片里面進(jìn)行處理。 (數(shù)位資料)

　　2、從 video chipset 進(jìn)入 video RAM－將芯片處理完的資料送到顯存。 (數(shù)位資料)

　　3、從顯存進(jìn)入 Digital Analog Converter (= RAM DAC)，由顯示顯存讀取出資料再送到 RAM DAC 進(jìn) 行資料轉(zhuǎn)換的工作(數(shù)位轉(zhuǎn)類比)。 (數(shù)位資料)

　　4、從 DAC 進(jìn)入顯示器 (Monitor)－將轉(zhuǎn)換完的類比資料送到顯示屏 (類比資料)

　　如同你所看到的，除了最后一步，每一步都是關(guān)鍵，并且對(duì)整體的顯示效能 (graphic performance) 關(guān)系十分重大。

　　注: 顯示效能是系統(tǒng)效能的一部份，其效能的高低由以上四步所決定，它與顯示卡的效能 (video performance) 不太一樣，如要嚴(yán)格區(qū)分，顯示卡的效能應(yīng)該受中間兩步所決定，因?yàn)檫@兩步的資料傳輸都是在顯示卡的內(nèi)部。第一步是由 CPU 進(jìn)入到顯示卡里面，最后一步是由顯示卡直接送資料到顯示屏上，這點(diǎn)要了解。

　　最慢的步驟就是整體速度的決定步驟 (注: 例如四人一組參加 400 公尺接力，其中有一人跑的特別慢，全組的成績會(huì)因它個(gè)人而被拖垮，也許會(huì)殿后。但是如果他埋頭苦練，或許全隊(duì)可以得第一，所以跑的最慢的人是影響全隊(duì)成績的關(guān)鍵，而不是哪些已經(jīng)跑的很快的人)。

　　現(xiàn)在讓我們來看看每一步所代表的意義及實(shí)際所發(fā)生的事情:

CPU 和顯卡芯片之間的資料傳輸

　　這受總線的種類和總線的速度(也就是外頻)，主機(jī)板和他的芯片組所決定。 目前最快的總線是 PCI bus，而 VL bus, ISA, EISA and NuBus (Macs 專用) 效能就比較低。

　　現(xiàn)在流行的AGP并不是一種總線，而只是一種接口方式(注: PCI bus 是 32 bit data path，也就是說 CPU 跟 顯示卡之間是以一次 4 byte 的資料在對(duì)傳，其他的 bus 應(yīng)該是 16 bit data path)。

　　PCI bus 的最快速度是 33 MHz 。

顯卡芯片和顯存之間的資料傳輸以及從顯存到 RAM DAC 的資料傳輸

　　我把這兩步放在一起是因?yàn)檫@里是影響顯示卡效能的關(guān)鍵所在， 假如你不考慮顯卡芯片的個(gè)別差異。

　　顯示卡最大的問題就是，可憐的顯存夾在這兩個(gè)非常忙碌的裝置之間 (顯卡芯片和 RAMDAC)，必須隨時(shí)受它們兩個(gè)差遣。

　　每一次當(dāng)顯示屏畫面改變，芯片就必須更改顯示顯存里面的資料 (這動(dòng)作是連續(xù)進(jìn)行的，例如移動(dòng)滑鼠游標(biāo)，鍵盤游標(biāo)......等等)。 同樣的，RAM DAC 也必須不斷地讀取顯存上的資料，以維持畫 面的刷新。 你可以看到，顯存在他們之間被捉的牢牢的。

　　所以后來出現(xiàn)了一些聰明的做法，像是使用 VRAM, WRAM, MDRAM, SGRAM, EDO RAM, 或增加 video bus 的大小如 32 bit, 64bit, 還有現(xiàn)在剛出現(xiàn)的 128 bit。

　　解析度越高，從芯片傳到顯存的資料就越多。 而 RAM DAC 從顯存讀取資料的速度就要更快才行。 你可以看到，芯片和和RAM DAC 隨時(shí)都在對(duì)顯存 進(jìn)行存取的工作。

　　一般 DRAM 的速度只能被存取到一個(gè)最大值(如 70ns 或 60ns)，所以 在芯片結(jié)束了存取 (read/write) 顯存之后， 才能換 RAM DAC 去讀取顯存，如此一直反覆不斷。

　　顯示卡制造商想到叁種不同的方法來對(duì)付這個(gè)問題:

　　首先出現(xiàn)的是，將顯存設(shè)計(jì)成 dual port (注: dual port 意指兩個(gè)出入口或通道)，具有兩個(gè)不同的資料通道 (data path)。也就是說，芯片透過一個(gè) port 讀寫顯存，但 RAM DAC 透過第二個(gè)獨(dú)立的 port 讀取顯存。芯片不用再等 RAM DAC，RAM DAC 也不用再等芯片，這種顯存稱做 VRAM。

　　dual port 的設(shè)計(jì)明顯地更為復(fù)雜，所以生產(chǎn)成本較高。這就是為什么 VRAM 顯示卡較貴但也較快的原因。

　　WRAM 只被使用在 Matrox 的顯示卡上(注: 這是 Matrox 自己研發(fā)的)，它也具有 dual port 的設(shè)計(jì)，但是結(jié)構(gòu)更加精密，所以它比 VRAM 還快，但是生產(chǎn)成本卻比它少 20%。(但是買不到 - 我也一樣)。

　　可能你還搞不清楚，為什么提供高刷新率和高解析度的顯示卡通常都是使用這兩種顯存？

　　你應(yīng)該好好想想以下的事情，顯示屏刷新率 (refresh rate) 較高的意思也就是說 RAM DAC 將一張全顯示屏的畫面資料送給顯示器的頻率比在低刷新率時(shí)要更加頻繁。因此 RAM DAC讀取顯存的次數(shù)會(huì)更加頻繁(注: 顯示屏刷新率越高，越不易感覺到顯示屏的閃爍，對(duì)眼睛比較好)。

　　這只能透過使用 VRAM/WRAM 來解決，因?yàn)樗麄兛梢酝高^第二個(gè) port 來讀取顯存， 不然的話，使用 DRAM/EDO 的顯示卡，你就會(huì)看到顯示的效能就會(huì)降的非常多。

　　你不相信? 好吧，只要跑一下你最喜歡的顯示測(cè)試軟件就知道了，首先先在低刷新率，然后再跳到高刷新率－假如你的卡是 DRAM/EDO 顯示卡，你將看到有很明顯的差別。 這在較高的色彩之下也同樣適用。

　　在 256 色(8bit)及解析度 1024x768 的顯示屏上，RAM DAC 需要讀取顯存資料 786432 bytes 送到顯示器以在顯示屏上形成一個(gè)完整的畫面。(注: 8 bit=1 bytes，1024x768=786432 點(diǎn)，所以一個(gè)整個(gè)顯示屏的畫面共需 786432x1=786432 bytes)

　　而在 1677 萬色(24bit)，RAM DAC 就需要讀取 2359296 byte，這要花更多的時(shí)間。所以你那便宜的卡從低色彩調(diào)到全彩的時(shí)候，你常常無法使用跟低色彩一樣高的刷新率，原因就在這里。 (注: 例如你使用 75 和 90 MHz 的顯示屏刷新率，去跑 xing 算張數(shù)，你會(huì)看到很明顯的差別， 用低解析度跟高解析度去跑，情況也是一樣)

　　其他對(duì)付這個(gè)問題的方法是增加video memory bus size。 三年前每個(gè)人都對(duì)剛推出的 32 bit 顯示卡感到非常地震驚。 這些卡在顯卡芯片、顯存和 RAM DAC 之間具有 32 bit data path。 有了這個(gè) 32 bit 的 data path，你一次可以傳輸 4 byte(32 bit/8=4 byte)。

　　后來出現(xiàn)了 64 bit 的顯示卡，等於一次同時(shí)可傳輸 8 byte，這是目前的標(biāo)準(zhǔn)。 而且就在最近不久，有一些新的顯卡芯片問世，具有 128 bit 的 data path ，等於一次傳輸 16 byte。

　　由此可知，使用 VRAM/WRAM 和具有寬 data path 的顯示卡效能最好。 如果顯示卡的芯片具有 128 bit data path，一定要使用 VRAM/WRAM。 ET6000 芯片 就是一個(gè)很好的例子。

　　在對(duì)這個(gè) 128 bit data path 感到高興之馀， 我們不應(yīng)該忘記一件非常重要的事情: 一般用在大部分顯示卡上 8x1Mbit 顯存只具有 32 bit 的 data path !!! 因此，128 bit 的芯片如果配上這種顯存，一次也只能存取32bit!!!
這就是為什么所有的 64 bit 顯示卡假如只內(nèi)建 1 MB 的顯存，效能就會(huì)慢非常多。 不要買這種顯示卡!!!! (注: 這里的 1MB 是指 8 塊 1Mbit 顯存芯片所組成的 1 MB， 這是過去的顯示卡可見到，如VESA，VL-bus，或早期的 PCI 顯示卡。 這種卡市面上已經(jīng)買不到，除非你買中古貨。 現(xiàn)在市面上的 PCI 顯示卡內(nèi)建 1MB 的顯存， 但是他的 1MB 是由 2 個(gè) 512K 的 DRAM 或 EDO 所組成的， 而且都可以升級(jí)到 2MB 或更高， 這些顯存的 data path 為 64 bit，正好配上 64 bit 的芯片組，例如 S3 trio64+)。

　　具有128 bit data path的ET6000芯片需要特殊的顯存搭配才能發(fā)揮他的128 bit data path的功能，這就是 MDRAM(multi bank DRAM)。

　　這種顯存跟一般的DRAM在結(jié)構(gòu)上有所不同，所以透過interleaving和其他技巧一次可以被存取128bit，即使卡上只有 2 或 2.25 MB 的顯存。 (注: 這就是為何 ET6000 顯示卡的顯存有 2.25 這種奇怪的數(shù)字) Number Nine Imagine 128 使用這種芯片，但是卻內(nèi)建 4MB 顯存，否則就無法使用 128 bit data path。

　　第三個(gè)讓顯存存取更快速的很明顯的方法就是直接增加 video chipset/video RAM/RAM DAC 的頻率(clock speed) (注: 意思也就是增加外頻)。

　　在很多年以前，顯卡芯片的速度早就可以跑的比主機(jī)板顯存的總線速度還快。 現(xiàn)在 ET6000 芯片很快就可以跑 100 MHz ( Tseng 現(xiàn)在對(duì)這個(gè)還有問題，目前最快的是 90 MHz 而且其他顯卡芯片甚至跑的還更快。 為此(使用較高的外頻)，很明顯地你也需要特殊的顯存， 因?yàn)槲覀兌贾?，我們?Pentium 板子上的主顯存最大只跑 66 MHz 的 clock speed(有的例外 75， 有的還有 83)。

　　MDRAM 可以辦到，而且現(xiàn)在最新的顯示顯存就是 SDRAM。 SGRAM 不過是 SDRAM (synchronous DRAM) 的「顯示版本」而已，所以我們知道它的速度可以高達(dá) 125 MHz !!!

　　總結(jié)以上所有的觀點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)，要有最理想的效能， PCI 系統(tǒng)應(yīng)該要使用最新的芯片組并且具備更高的PCI clock (也就外頻越高越好)。還有顯示卡上要有高效能的芯片或 VRAM/WRAM的顯存或?qū)挼膁ata path，或最好三者兼具!