Généralités sur les cartes vidéo

Carte vidéo (également connu sous le nom de carte graphique, carte graphique, adaptateur vidéo) (carte vidéo en anglais) - un périphérique qui convertit une image dans la mémoire de l'ordinateur en un signal vidéo pour un moniteur. Habituellement, une carte vidéo est une carte d'extension et est insérée dans le connecteur d'extension, universel (PCI-Express, PCI, ISA, VLB) ou spécialisé (AGP), mais il peut également être intégré (intégré) dans la carte système.Les cartes vidéo modernes ne se limitent pas à une simple sortie d'image, elles ont un microprocesseur graphique intégré qui peut effectuer un traitement supplémentaire, déchargeant le processeur central de l'ordinateur de ces tâches . Par exemple, toutes les cartes graphiques NVIDIA et AMD (ATi) modernes prennent en charge les applications OpenGL au niveau matériel.

histoire
L'un des premiers adaptateurs graphiques pour IBM PC a été le MDA (Monochrome Display Adapter) en 1981. Il ne fonctionnait qu'en mode texte avec une résolution de 80x25 caractères (physiquement 720x350 pixels) et prenait en charge cinq attributs de texte : normal, clair, inversé, souligné et clignotant. Il ne pouvait transmettre aucune information de couleur ou graphique, et la couleur des lettres était déterminée par le modèle de moniteur utilisé. Habituellement, ils étaient noirs et blancs, ambre ou émeraude. Hercules a publié un développement ultérieur de l'adaptateur MDA en 1982, le HGC (Hercules Graphics Controller - adaptateur graphique Hercules), qui avait une résolution graphique de 720 × 348 pixels et prenait en charge deux pages graphiques. Mais il ne m'a toujours pas laissé travailler avec la couleur.

La première carte vidéo couleur était la CGA (Color Graphics Adapter), publiée par IBM et qui est devenue la base des normes de carte vidéo ultérieures. Il peut fonctionner soit en mode texte avec des résolutions de 40x25 et 80x25 (matrice de caractères - 8x8), soit en mode graphique avec des résolutions de 320x200 ou 640x200. En mode texte, 256 attributs de caractères sont disponibles - 16 couleurs de caractères et 16 couleurs d'arrière-plan (ou 8 couleurs d'arrière-plan et un attribut clignotant), en mode graphique 320x200, quatre palettes de quatre couleurs chacune étaient disponibles et le mode haute résolution 640x200 était monochrome . Lors du développement de cette carte, EGA (Enhanced Graphics Adapter) est apparu - un adaptateur graphique amélioré avec une palette étendue allant jusqu'à 64 couleurs et un tampon intermédiaire. La résolution a été améliorée à 640x350, résultant en l'ajout du mode texte 80x43 avec une matrice de caractères 8x8. Pour le mode 80 × 25, une grande matrice a été utilisée - 8 × 14, 16 couleurs pouvaient être utilisées simultanément, la palette de couleurs a été étendue à 64 couleurs. Le mode graphique permettait également d'utiliser 640 couleurs à partir d'une palette de 350 couleurs à une résolution de 16 × 64. Était compatible avec CGA et MDA.

Il convient de noter que les interfaces avec le moniteur de tous ces types d'adaptateurs vidéo étaient numériques, MDA et HGC transmettaient uniquement le point allumé ou non allumé et un signal de luminosité supplémentaire pour l'attribut de texte «lumineux», de même CGA transmettait le principal signal vidéo sur trois canaux (rouge, vert, bleu), et pouvait en outre transmettre un signal de luminance (16 couleurs au total), EGA disposait de deux lignes de transmission pour chacune des couleurs primaires, c'est-à-dire que chaque couleur primaire pouvait être affichée en pleine luminosité, 2/3 ou 1/3 de la pleine luminosité, ce qui donne un total d'un maximum de 64 couleurs.

Dans les premiers modèles d'ordinateurs d'IBM PS / 2, un nouvel adaptateur graphique MCGA (Multicolor Graphics Adapter - adaptateur graphique multicolore) apparaît. La résolution du texte a été portée à 640x400, ce qui a permis d'utiliser le mode 80x50 avec une matrice 8x8, et d'utiliser une matrice 80x25 pour le mode 8x16. Le nombre de couleurs a été augmenté à 262144 (64 niveaux de luminosité pour chaque couleur), pour la compatibilité avec EGA en mode texte, une table de couleurs a été introduite, à travers laquelle l'espace EGA à 64 couleurs a été converti en espace colorimétrique MCGA. Un mode 320x200x256 est apparu, où chaque pixel à l'écran était encodé par l'octet correspondant dans la mémoire vidéo, il n'y avait pas de plans de bits, respectivement, seuls les modes texte restaient compatibles avec EGA, la compatibilité avec CGA était complète. En raison de l'énorme quantité de luminosité des couleurs primaires, il est devenu nécessaire d'utiliser un signal de couleur déjà analogique, la fréquence de balayage horizontal était déjà de 31,5 KHz.

Ensuite, IBM est allé plus loin et a créé VGA (Video Graphics Array), une extension MCGA compatible EGA introduite dans les modèles PS/2 de milieu de gamme. Il s'agit de la norme de facto de l'adaptateur vidéo depuis la fin des années 80. Ajout d'une résolution de texte de 720x400 pour l'émulation MDA et du mode graphique 640x480, accessible via des bitplanes. Le mode 640x480 est remarquable en ce qu'il utilise un pixel carré, c'est-à-dire que le rapport du nombre de pixels horizontalement et verticalement coïncide avec le rapport d'aspect standard de l'écran - 4:3. Puis vint l'IBM 8514/a avec des résolutions de 640x480x256 et 1024x768x256, et l'IBM XGA avec le mode texte 132x25 (1056x400) et une profondeur de couleur accrue (640x480x65K).

Depuis 1991, le concept de SVGA (Super VGA - "over" VGA) est apparu - une extension de VGA avec l'ajout de modes supérieurs et de services supplémentaires, tels que la possibilité de définir une fréquence d'images arbitraire. Le nombre de couleurs affichées simultanément passe à 65'536 (High Color, 16 bits) et 16'777'216 (True Color, 24 bits), des modes de texte supplémentaires apparaissent. À partir des fonctions de service, la prise en charge de VBE (VESA BIOS Extention - une extension du BIOS standard VESA) apparaît. SVGA est perçu comme la norme d'adaptateur vidéo de facto depuis la mi-1992, après l'adoption de la norme VBE version 1.0 par la Video Electronics Standard Association (VESA). Jusqu'à ce moment, presque tous les adaptateurs vidéo SVGA étaient incompatibles les uns avec les autres.

L'interface utilisateur graphique, qui est apparue dans de nombreux systèmes d'exploitation, a stimulé une nouvelle étape dans le développement des adaptateurs vidéo. Le concept "d'accélérateur graphique" (accélérateur graphique) apparaît. Ce sont des adaptateurs vidéo qui exécutent certaines fonctions graphiques au niveau matériel. Ces fonctions incluent le déplacement de grands blocs d'image d'une zone d'écran à une autre (par exemple, lors du déplacement d'une fenêtre), le remplissage de zones d'image, le dessin de lignes, d'arcs, de polices, la prise en charge d'un curseur matériel, etc. Une impulsion directe au développement d'un tel dispositif spécialisé était le fait que l'interface utilisateur graphique est sans aucun doute pratique, mais son utilisation nécessite des ressources de calcul considérables de la part du processeur central, et un accélérateur graphique moderne est juste conçu pour supprimer la part du lion des calculs pour l'affichage final de l'image sur l'écran.

Appareil
Une carte vidéo moderne se compose des parties suivantes :
Processeur graphique (Unité de traitement graphique - unité de traitement graphique) - traite des calculs de l'image affichée, libérant le processeur central de cette responsabilité, effectue des calculs pour le traitement des commandes graphiques 2D. C'est la base de la carte graphique, c'est d'elle que dépendent la vitesse et les capacités de l'ensemble de l'appareil. Les processeurs graphiques modernes ne sont pas très inférieurs en complexité à l'unité centrale de traitement d'un ordinateur et la dépassent souvent à la fois en nombre de transistors et en puissance de calcul, grâce à un grand nombre d'unités de calcul universelles. Cependant, l'architecture GPU de génération précédente suppose généralement la présence de plusieurs unités de traitement de l'information, à savoir : une unité de traitement graphique 3D, une unité de traitement graphique XNUMXD, à son tour, généralement divisée en un noyau géométrique (plus un cache de sommets) et une unité de rastérisation (plus un cache de texture). ) et etc.
contrôleur vidéo - est responsable de la formation d'une image dans la mémoire vidéo, donne des commandes RAMDAC pour générer des signaux de balayage pour le moniteur et traite les demandes du processeur central. En outre, il existe généralement un contrôleur de bus de données externe (par exemple, PCI ou AGP), un contrôleur de bus de données interne et un contrôleur de mémoire vidéo. La largeur du bus interne et du bus mémoire vidéo étant généralement plus importante que celle du bus externe (64, 128 ou 256 bits contre 16 ou 32), le RAMDAC est également intégré à de nombreux contrôleurs vidéo. Les adaptateurs graphiques modernes (ATI, nVidia) ont généralement au moins deux contrôleurs vidéo qui fonctionnent indépendamment l'un de l'autre et contrôlent chacun un ou plusieurs écrans en même temps.
Mémoire vidéo - agit comme un tampon de trame, qui stocke une image générée et constamment modifiée par le processeur graphique et affichée sur le moniteur (ou plusieurs moniteurs). La mémoire vidéo stocke également des éléments intermédiaires de l'image qui sont invisibles à l'écran et d'autres données. Il existe plusieurs types de mémoire vidéo, qui diffèrent par la vitesse d'accès et la fréquence de fonctionnement. Les cartes vidéo modernes sont équipées de types de mémoire DDR, DDR2, GDDR3, GDDR4 et GDDR5. Il convient également de garder à l'esprit qu'en plus de la mémoire vidéo située sur la carte vidéo, les processeurs graphiques modernes utilisent généralement dans leur travail une partie de la mémoire système totale de l'ordinateur, dont l'accès direct est organisé par le pilote de la carte vidéo via le bus AGP ou PCIE.
Convertisseur N/A (DAC, RAMDAC - Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) - est utilisé pour convertir l'image générée par le contrôleur vidéo en niveaux d'intensité de couleur fournis à un moniteur analogique. La gamme de couleurs possible de l'image est déterminée uniquement par les paramètres RAMDAC. Le plus souvent, RAMDAC a quatre blocs principaux - trois convertisseurs numérique-analogique, un pour chaque canal de couleur (rouge, vert, bleu, RVB) et SRAM pour stocker les données de correction gamma. La plupart des DAC ont une profondeur de bits de 8 bits par canal - il s'avère 256 niveaux de luminosité pour chaque couleur primaire, ce qui donne un total de 16,7 millions de couleurs (et grâce à la correction gamma, il est possible d'afficher les 16,7 millions de couleurs d'origine dans un espace colorimétrique beaucoup plus grand). Certains RAMDAC ont 10 bits par canal (1024 niveaux de luminosité), ce qui vous permet d'afficher immédiatement plus de 1 milliard de couleurs, mais cette fonctionnalité n'est pratiquement pas utilisée. Pour prendre en charge un deuxième moniteur, un deuxième DAC est souvent installé. Il convient de noter que les moniteurs et vidéoprojecteurs connectés à la sortie numérique DVI de la carte vidéo utilisent leurs propres convertisseurs numérique-analogique pour convertir le flux de données numériques et ne dépendent pas des caractéristiques du DAC de la carte vidéo.
ROM vidéo (ROM vidéo) est un périphérique de mémoire en lecture seule qui contient le BIOS vidéo, les polices d'écran, les tables de service, etc. La ROM n'est pas utilisée directement par le contrôleur vidéo - seul le processeur central y accède. Le BIOS vidéo stocké dans la ROM assure l'initialisation et le fonctionnement de la carte vidéo avant le chargement du système d'exploitation principal, et contient également des données système qui peuvent être lues et interprétées par le pilote vidéo pendant le fonctionnement (selon la méthode de répartition des responsabilités entre le pilote et le BIOS). Sur de nombreuses cartes modernes, des ROM reprogrammables électriquement (EEPROM, Flash ROM) sont installées qui permettent à l'utilisateur d'écraser le BIOS vidéo par l'utilisateur à l'aide d'un programme spécial.
Circuit de refroidissement - conçu pour maintenir la température du processeur vidéo et de la mémoire vidéo dans des limites acceptables.

Le fonctionnement correct et entièrement fonctionnel d'un adaptateur graphique moderne est assuré à l'aide de pilote vidéo - logiciel spécial fourni par le fabricant de la carte vidéo et chargé lors du démarrage du système d'exploitation. Le pilote vidéo agit comme une interface entre le système exécutant des applications dessus et la carte vidéo. Tout comme le BIOS vidéo, le pilote vidéo organise et contrôle par programmation le fonctionnement de toutes les parties de l'adaptateur vidéo via des registres de contrôle spéciaux, accessibles via le bus correspondant.

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