显卡 彩虹之桥

专题快递

易建勋

我们在显示器上看到的五彩缤纷的画面和活灵活现的动画是谁完成的呢？这些效果完全依赖于CPU与显示器之间的彩虹之桥──显示卡。让我们来看看这座彩虹之桥的结构和性能吧！

一、显示卡的发展

1.数据是如何显示出来的

显示卡的作用是根据CPU提供的指令和数据，将程序运行过程和结果进行相应的处理，并转换成显示器能够接受的信号，然后通过屏幕显示出来。显示的工作过程如(（图1）)所示。

2.显示模式

显示模式是一种设计规范，它规定了显示的分辨率、色彩数量等技术指标。1981年IBM公司推出的第一台电脑，随机配置的显示卡只能处理单色文字，分辨率为720×350，这种显示模式称为MDA。以后又经过CGA、EGA、VGA、SVGA等模式，目前使用的显示模式为AVGA或XGA，显示分辨率达到了1600×1200，显示色彩为32位(43亿色、3D图形)。各种显示模式出现的时间如(（图2）)所示。

3.显示卡的发展

随着Windows操作系统的流行，CPU处理图形的工作大量增加，使电脑整体性能迅速下降。为解决这一矛盾，图形加速卡应运而生，它加快了Windows应用软件的运行速度，显示的图像色彩数达到几百万种之多，使CPU过重的负担得以减轻，从而提高了计算机的整体性能。刚开始，图形加速卡只是起到了图形加速的作用，并不具有显示卡的功能，所以它必须与显示卡一起协同工作。后来在图形加速卡上集成了显示卡的功能，并且具备了2D、3D图像处理功能，其价格也日趋平民化，性能价格比极高，于是显示卡技术进入了三维显示的新领域。

二、显示卡的组成

1.认识显示卡

显示卡的基本部件有：图形处理芯片GPU、显存VDRAM、显卡BIOS、数字模拟信号转换器RAM DAC、显示总线AGP、信号输出接口VGA以及显示卡上的晶振、电容、电阻等(（图3）)。随着技术的进步，显示卡的电子元器件越来越少，功能越来越强。

2.图形处理芯片GPU

图形处理芯片GPU决定了显示卡性能的高低(（图4）)。目前常见的GPU芯片有：nVidia公司的Geforce 系列、ATI公司的Radeon系列、Matorx公司的G系列等。由于GPU工作频率越来越高，工作时发热量也越来越大，于是厂家在GPU上加了一个散热风扇。

3.显存

显存的大小直接影响到显示颜色的多少，显示卡支持的最高分辨率。现在的显示卡一般采用SDRAM、SGRAM、DDR三种类别的显存。个别高档显示卡使用DDR和RDRAM作为显存，一般显示卡中广泛使用的显存仍然以SDRAM和SGRAM为主。一般显示卡上显存配置容量为4MB~64MB，极个别显示卡配置容量高达128MB。

4.视频信号数字模拟转换器RAM DAC

RAM DAC的工作是将显示卡的数字信号转换为显示器需要的模拟信号。RAM DAC的工作过程是：将显存中输出的数字图像信号，逐帧转换为红、绿、蓝三种色彩亮度信号，和水平同步、垂直同步信号所共同组成的模拟视频信号，然后通过VGA插座输出到显示器。
目前大部分显示卡上并不存在独立的RAM DAC芯片，因为厂家在生产GPU芯片时已经将RAM DAC集成在其中了。

5.显卡BIOS

显卡BIOS芯片主要用于保存VGA BIOS程序，它主要用于显示卡工作时的控制和管理。在个别显示卡上看不到显示卡BIOS，原因是它与图形处理芯片GPU集成在一起了。显示卡BIOS程序基本上都使用Flash ROM保存，用户可以根据需要使用特定工具软件进行升级。

6.AGP显示总线

AGP总线实际上是PCI总线的扩展，它将显示卡与主板北桥芯片组进行连接，大大提高了电脑对3D图形的处理能力。在处理有大量纹理的图形时，AGP显示卡除了使用显示卡上的显存外，还可以通过直接内存执行功能(DIME)使用系统内存。

7.视频信号输出接口

显示卡后部有一个VGA视频信号接口，供用户联接CRT显示器使用。支持双显示器的显示卡通常还提供两个15孔的D型显示器插座。
有些具备电视信号输出的显示卡还有一个视频信号插座，或5针的S端子视频信号插座。
支持液晶显示器LCD的显示卡，也具有相应的数字视频输出接口DVI(（图5）)。

三、三维图像的处理过程

1.显示卡工作过程

显示卡的工作程序是：CPU处理完成的数据通过AGP总线，输入到显示卡图形处理芯片GPU；图形处理芯片GPU对数据进行处理后，将数据输出到显存；在GPU控制下，将显存内的数据输出到RAM DAC，RAM DAC将数字信号转变为模拟信号，然后输出到显示卡的VGA接口；显示器将信号放大、整形、转换并显示到屏幕上。显示卡工作流程如(（图6）)所示。

2.三维动画图形的处理过程

上面我们探讨了显示卡的工作过程，但是三维动画图形是如何生成的呢？3D图像的处理过程大致可以包括场景生成、几何处理、渲染三部分，在具体实现上，不同的显示卡有不同的做法(（图7）)。