顯卡的構造工作原理

2019-10-28 20:06:02

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顯示卡(videocard)是系統必備的裝置，它負責將 CPU 送來的影像資料(data)處理成顯示器(monitor) 可以了解的格式，再送到顯示屏 (screen) 上形成影像。它是我們從電腦獲取資訊最重要的管道。因此顯示卡及顯示器是電腦最重要的部份之一。

　　由於我們使用電腦來處理事情，影像時常在變動。這些變動發生得很快，這點尤其受我們所做的事情來決定，有以下幾種類型:

　　1、DOS performance，現在相當於 Game performance 。今天所有專業應用軟件都在 GUI 作業系統之下執行。

　　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，因為 Win 是最受歡迎的 GUI 作業系統。(GUI就是graphic user interface 使用者圖形界面)

　　4、Video Display performance在我眼里看來對我們大多數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的影像，你需要一臺高品質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，顯示屏看起來就會很不舒服。

　　在顯示卡方面，RAM DAC是負責將資料送到顯示器的部份。有兩個重要的因素，一是RAM DAC 的品質，他是單獨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) 的數量有關。

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

　　顯示卡負責的的工作及其進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 個步驟，最后才會到達顯示屏:

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

　　2、從 video chipset 進入 video RAM－將芯片處理完的資料送到顯存。 (數位資料)

　　3、從顯存進入 Digital Analog Converter (= RAM DAC)，由顯示顯存讀取出資料再送到 RAM DAC 進行資料轉換的工作(數位轉類比)。 (數位資料)

　　4、從 DAC 進入顯示器 (Monitor)－將轉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，每一步都是關鍵，并且對整體的顯示效能 (graphic performance) 關系十分重大。

　　注: 顯示效能是系統效能的一部份，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，如要嚴格區分，顯示卡的效能應該受中間兩步所決定，因為這兩步的資料傳輸都是在顯示卡的內部。第一步是由 CPU 進入到顯示卡里面，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，全組的成績會因它個人而被拖垮，也許會殿后。但是如果他埋頭苦練，或許全隊可以得第一，所以跑的最慢的人是影響全隊成績的關鍵，而不是哪些已經跑的很快的人)。

　　現在讓我們來看看每一步所代表的意義及實際所發生的事情:

　　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 的資料在對傳，其他的 bus 應該是 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為這里是影響顯示卡效能的關鍵所在，假如你不考慮顯卡芯片的個別差異。

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

　　每一次當顯示屏畫面改變，芯片就必須更改顯示顯存里面的資料 (這動作是連續進行的，例如移動滑鼠游標，鍵盤游標......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, 還有現在剛出現的 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 隨時都在對顯存進行存取的工作。

　　一般 DRAM 的速度只能被存取到一個最大值(如 70ns 或 60ns)，所以在芯片結束了存取 (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付這個問題:

　　首先出現的是，將顯存設計成 dual port (注: dual port 意指兩個出入口或通道)，具有兩個不同的資料通道 (data path)。也就是說，芯片透過一個 port 讀寫顯存，但 RAM DAC 透過第二個獨立的 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 的設計明顯地更為復雜，所以生產成本較高。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 自己研發的)，它也具有 dual port 的設計，但是結構更加精密，所以它比 VRAM 還快，但是生產成本卻比它少 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要更加頻繁。因此 RAM DAC讀取顯存的次數會更加頻繁(注: 顯示屏刷新率越高，越不易感覺到顯示屏的閃爍，對眼睛比較好)。

　　這只能透過使用 VRAM/WRAM 來解決，因為他們可以透過第二個 port 來讀取顯存，不然的話，使用 DRAM/EDO 的顯示卡，你就會看到顯示的效能就會降的非常多。

　　你不相信? 好吧，只要跑一下你最喜歡的顯示測試軟件就知道了，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完整的畫面。(注: 8 bit=1 bytes，1024x768=786432 點，所以一個整個顯示屏的畫面共需 786432x1=786432 bytes)

　　而在 1677 萬色(24bit)，RAM DAC 就需要讀取 2359296 byte，這要花更多的時間。所以你那便宜的卡從低色彩調到全彩的時候，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，你會看到很明顯的差別，用低解析度跟高解析度去跑，情況也是一樣) 。

其他對付這個問題的方法是增加video memory bus size。三年前每個人都對剛推出的 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 32 bit 的 data path，你一次可以傳輸 4 byte(32 bit/8=4 byte)。

　　后來出現了 64 bit 的顯示卡，等於一次同時可傳輸 8 byte，這是目前的標準。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 芯片就是一個很好的例子。

　　在對這個 128 bit data path 感到高興之馀，我們不應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 顯示卡假如只內建 1 MB 的顯存，效能就會慢非常多。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。這種卡市面上已經買不到，除非你買中古貨。現在市面上的 PCI 顯示卡內建 1MB 的顯存，但是他的 1MB 是由 2 個 512K 的 DRAM 或 EDO 所組成的，而且都可以升級到 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揮他的128 bit data path的功能，這就是 MDRAM(multi bank DRAM)。//本文來自VEVB武林網www.49028c.com

　　這種顯存跟一般的DRAM在結構上有所不同，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 這種奇怪的數字) Number Nine Imagine 128 使用這種芯片，但是卻內建 4MB 顯存，否則就無法使用 128 bit data path。

　　第三個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板顯存的總線速度還快。現在 ET6000 芯片很快就可以跑 100 MHz ( Tseng 現在對這個還有問題，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，因為我們都知道，我們的 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 125 MHz !!!

　　總結以上所有的觀點，我們發現，要有最理想的效能， PCI 系統應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的顯存或寬的data path，或最好三者兼具!
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