1
GRAFICKÁ KARTA Grafická karta predstavuje rozhranie medzi základnou jednotkou, počítačom a monitorom. Jej hlavnou úlohou je spracovanie údajov od procesora a potom ich zobrazenie na monitore. Grafická karta sa označuje ako VGA (Video Graphics Adapter/Accelerator) alebo videoadaptér. Tento neoddeliteľný element počítača obsahuje nasledujúce časti: - BIOS grafickej karty – jeho úlohou, podobne ako BIOS základnej dosky, sa stará o funkčnosť grafickej karty, vzájomnú komunikáciu jej komponentov, a tiež komunikáciu medzi operačným systémom, softvérovými aplikáciami a hardvérovými zariadeniami. Ak je táto pamäť prepisovateľná môže sa aktualizovať. - Grafický procesor – GPU – (Graphics Processor Unit) – jeho hlavnou úlohou je spracovanie grafickej informácie. Podieľa sa na vytváraní dvoj a troj rozmerného zobrazovania. Od jeho kvality tiež závisí rýchlosť zobrazovania a možnosť používania pokročilejších grafických funkcií. Ale hlavnou úlohou je odbremeňovať hlavný, centrálny procesor, lebo ten sa nemusí zúčastňovať zložitých grafických výpočtov. A tak súčasné grafické procesory niekoľkonásobné prekračujú výkon procesorov osadených na základnej doske. - Pamäť grafickej karty je v súčasnosti štandardne jej súčasťou, no možno sa stretnúť i s grafickými kartami, ktoré vlastnú pamäť nemajú a sú nútené využívať pre svoju činnosť časť operačnej pamäte - často ide o staršie alebo na základnej doske integrované grafické karty. Táto videopamäť slúži na ukladanie obrazu - čím je väčšia a rýchlejšia, tým vyšší výkon môžeme od celého systému očakávať. - Šírka zbernice určuje rýchlosť, s akou komunikuje GPU s pamäťou grafickej karty. Máva hodnoty 32, 64, 128, 256 bitov a nemá nič spoločné so šírkou zbernice mimo grafickej karty - tam je systém odkázaný na zbernicu základnej dosky. - Komunikačné rozhranie je v súčasnosti reprezentované viacerými zástupcami. Pre CRT a niektoré LCD monitory je určený analógový konektor označovaný ako VGA, ktorého súčasťou je D/A prevodník transformujúci digitálne údaje z grafickej karty na analógový signál odosielaný monitoru. LCD monitory už často pracujú s digitálnym signálom, ktorý nie je potrebné na prenos z grafickej karty transformovať používa sa rozhranie DVI (Digital Visual Interface). Dobývanie zábavného priemyslu počítačmi si u grafickej karty vynútilo pridanie ďalšieho rozhrania využiteľného najmä pri prenose obrazu na televízny prijímač. Výstup môže mať viacero podôb. Pokiaľ je k dispozícii plazmový alebo LCD televízor, postačuje komunikácia prostredníctvom VGA alebo DVI, v opačnom prípade je potrebné použiť konektor S-Video alebo SCART, pričom len tento je schopný súčasne prenášať obraz i zvuk. Čoraz častejšie sa najmä v komerčnej sfére možno stretnúť s pripojením viacerých monitorov k jednému počítaču. Takéto pripojenie môže byť riešené prostredníctvom viacerých grafických kariet alebo jednoducho použitím grafickej karty s dvoma výstupmi. Použitie dvoch monitorov dáva používateľovi k dispozícii väčšiu pracovnú plochu a podľa prieskumov významne zvyšuje jeho výkon.
2
- Slot na pripojenie k základnej doske. Štandardne sa grafická karta pripája do slotu AGP alebo PCI-Express (historické verzie do PCI, prípadne ešte staršie do ISA), niekedy môže byť integrovaná na základnej doske (vtedy samostatný slot na pripojenie nepotrebuje). Spôsob pripojenia prešiel rovnako ako pri ostatných zariadeniach pestrým vývojom. Zbernica PCI, na ktorú sa grafické karty začali orientovať okamžite po jej uvedení, prestala so svojím prenosovým limitom 133 MB/s množstvu údajov, ktoré ňou prúdili, veľmi rýchlo postačovať. Táto rýchlosť bola navyše zdieľaná pre všetky zariadenia pripojené prostredníctvom PCI. Rozhranie AGP (Accelerated/Advanced Graphics Port) bolo po prvý raz uvedené v roku 1997 spoločnosťou Intel. Základná verzia označovaná ako AGP 1x zdvojnásobila množstvo prenášaných údajov na 266 MB/s a pri ukončení vývoja AGP v roku 2003 dosahoval prenos pri verzii AGP 8x až 2,1 GB/s. Zbernica PCI-Express je založená na rýchlom sériovom prenose, ktorý v súčasnosti pracuje na frekvencii 2,5 GHz. Údaje prenáša po dráhach (lanes, kanáloch), ktoré dokážu prenášať pri spomenutej frekvencii 250 MB/s v oboch smeroch. výhodou je, že pripojené zariadenia dokážu využívať na komunikáciu viacero dráh a celkový prenos je ich súčtom. Grafická informácia, ktorú grafická karta spracúva a stará sa o jej zobrazenie na monitore štandardne prechádza: od procesora, ktorý stanoví požiadavku na jej zobrazenie, cez systémovú zbernicu a rozhranie s grafickou kartou, do pamäte grafickej karty, z pamäte grafickej Grafická karta a putovanie zobrazovaných údajov karty údaje prečíta zobrazovací čip, a odošle ich na monitor (v prípade, že sa používa monitor s analógovým vstupom, je potrebné navyše údaje transformovať do analógovej podoby). Grafické karty oplývajú mnohými vlastnosťami, pričom niektoré sú typické pre všetky druhy a typy, iné sú špecifické, prípadne predstavujú integráciu ďalšieho zariadenia do dosky grafickej karty. Základné charakteristiky, ktoré určovali možnosti zobrazovania grafickej karty už od jej prvopočiatkov, sú: Rozlíšenie, ktoré je schopná grafická karta zabezpečiť, určuje počet zvislých
3
a vodorovných bodov, ktoré vytvárajú obraz. Vyššia rozlišovacia schopnosť znamená väčšie množstvo bodov na obrazovke. Stretnúť sa možno s rozlíšeniami 640 x 480, 800 x 600, 1024 x 768, 1280 x 1024, 1600 x 1200 atď. Pomer medzi šírkou a výškou zodpovedá štandardnému pomeru rozmerov monitora 4 : 3. V prípade iných (16: 9) či neštandardných pomerov rozmerov zobrazovacieho zariadenia sa zvyčajne prispôsobí aj rozlíšenie grafickej karty. Farebná híbka definuje počet farieb, ktoré je schopná grafická karta pri danom rozlíšení zobraziť. Povodne sa uvádzal počet farieb, ktoré bola schopná grafická karta zobraziť (16, 256 farieb), no neskôr bolo jednoduchšie uviesť farebnú hĺbku (t.j. koľko bitov je potrebných na zakódovanie farby jedného bodu). 16-bitová hĺbka (216 = 65 536) sa začala označovať ako high-color, 24- bitová a neskôr 32bitová ako true-color. Táto dvojica definuje tzv. grafické módy a štandardy, ktorými prešiel celý vývoj grafických kariet: Rok vydania Adaptér Textový režim Znak Grafický režim 1981 1981
MDA CGA
1984 1987
Hercules (HGC) EGA 8514/A
1987
VGA
1989
SVGA
1990
XGA
1982
80x25 znakov monochrom. 8x14 80x25 (2 farby) 40x25 (16farieb)
nepodporovaný 640x200 čb 8x8 320x200 (4 farby zo 16) 160x200 (16 farieb)
80x25znakov monochrom. 8x14 80x25 znakov 80x25 znakov (16 farieb)
720x348 (2 farby)
8x14 640x350 (16 farieb zo 64) 1024x768 (256 farieb) 640x480 (16 farieb) 9x16 + ďalšie režimy 800x600 (16 farieb) 1024x768 (256 farieb) 640x480 (65536 farieb)
Po štandarde XGA prišli mnohé ďalšie rozšírenia a vylepšenia, v zásade však išlo len o rozširovanie VGA resp. XGA. Pri popise grafickej karty sa zvyčajne udáva i frekvencia jej procesora, veľkosť, typ, frekvencia pamäte a šírka vnútornej zbernice. Veľmi dôležitým parametrom, pokiaľ sa nepoužíva LCD monitor je i obnovovacia frekvencia, ktorá hovorí o tom, koľko ráz za sekundu je grafická karta schopná obnoviť obraz na CRT monitore. V prípade, že je tento údaj nízky, obraz na monitore bliká a únava sa môže prejaviť nielen na očiach, ale na celom organizme. Minimálnou hodnotou, ktorá je v súčasnosti tolerovaná, je 85 Hz (t.j. grafická karta obnoví obraz na monitore 85 ráz za sekundu). Toto nastavenie sa však na grafickej karte nemusí realizovať automaticky. Pokiaľ má niekto pocit, že obraz monitora priveľmi bliká, bude zrejme potrebné manuálne nastavenie. Veľkosť obrazovkovej pamäte sa v minulosti používala len na samotné zobrazovanie a od nej závisela schopnosť rozlíšenia a farebnej hĺbky. Neskôr sa začala využívať na ukladanie ďalších údajov, vďaka čomu bolo možné zobrazovanie skvalitniť (pridanie rôznych efektov) a zrýchliť.
4
Zobrazenie súčasti výkonnej grafickej karty
Možnosti akcelerácie sú u novších typov grafických kariet štandardom, karta môže podporovať 2D (dvojdimenzionálne, rovinné) alebo 3D (trojdimenzionálne, trojrozmerné, priestorové) zobrazovanie, prehrávanie videa a pod.
3D grafické karty (akcelerátory) Najvyššie požiadavky na výkon grafických kariet kladú spravidla počítačové hry a všeobecne aplikácie pracujúce s 3D údajmi. Najmä vďaka nim bolo vyvinutých mnoho nových techník a technológií, ktoré našli uplatnenie v mnohých ďalších oblastiach. Vzhľadom na neustále zvyšovanie nárokov na množstvo a rýchlosť zobrazovania údajov prestal byť centrálny procesor v dobe masového nasádzania počítačov do oblastí 2D a 3D zobrazovania postačujúcim, pretože aplikácie si vyžadovali špeciálne (a hlavne rýchle) algoritmy orientované na grafické výpočty, ktoré CPU nebol schopný poskytnúť. Najjednoduchšie grafické karty len prenášajú časť operačnej pamäte na zobrazovaciu jednotku, zložitejšie využívajú na prípravu zobrazovaného obrazu vlastnú pamäť a vrcholom sú grafické karty schopné na základe požiadavky samostatne vytvoriť v tejto pamäti napr. úsečky, kruhy, trojuholníky, znaky a pod. Tieto grafické karty sa označujú ako grafické akcelerátory. Prvým riešením boli zariadenia, ktoré sa v podobe samostatnej karty (prípadne via-
5
cerých kariet) zasúvali do slotu základnej dosky a rýchlymi výpočtami zabezpečovali zobrazovací výkon. Ich cena v dobe ich vzniku mnohokrát presahovala cenu celého počítača a nasadenie sa vyplatilo len v profesionálnych oblastiach. Medzi najznámejšie patrili: – PGA z roku 1984 pozostávajúca až z troch samostatných častí prepojených káblom, ktoré zabezpečovali zobrazenie 640 x 480 pri 256 farbách. Dve časti sa zasúvali do základnej dosky, jedna nebola zapojená do počítača vôbec. – TARGA, TIGA a primárne pre počítačové hry určený akcelerátor VooDoo od firmy 3Dfx (bol pohltený výrobcom grafických kariet NVidia). Radikálnu zmenu priniesla implementácia grafického čipu (procesora, GPU) priamo na dosku grafickej karty, kde prevzal všetky funkcie grafického akcelerátora bol vybavený inštrukčnou sadou orientovanou na grafické výpočty, ktorá je značne odlišná od sady CPU. Grafické karty s procesorom sa vďaka tejto zmene tiež niekedy označujú ako grafické akcelerátory. Grafické akcelerátory zvyčajne podporujú na úrovni 2D nasledovné operácie: – orezanie obrazu obdĺžnikom, resp. získanie obdĺžnikového výrezu z obrazu, – zmena mierky (zväčšenie/zmenšenie bez potreby zaťažovania CPU), – vykresľovanie úsečiek, kruhov, elíps a výsekov, – vykresľovanie otvorených a uzavretých n - uholníkov (označujú sa ako polygóny), – vykresľovanie a posúvanie textu. Osobitnú kategóriu 2D zobrazovania predstavuje práca s animáciami a videom, kde je kvôli udržaniu dojmu plynulosti potrebné zobrazovanie minimálne 24 snímok za, sekundu, čo predstavuje prenos obrovského množstva údajov. Grafická karta musí byť schopná tento obraz zväčšovať, zmenšovať (často i neproporcionálne medzi klasickým formátom 4:3 a širokouhlým 16:9), prípadne zrkadliť a ťažko si predstaviť, že by údaje museli putovať medzi grafickou kartou, RAM a CPU a opačne. Často je potrebné aplikovať na obraz rozličné filtre (zmena jasu, kontrastu farebnosti a pod.), ktoré sú opäť ako časovo tak i výpočtovo náročné. Základným a najjednoduchším objektom zobrazovaným v priestorovom modelovaní je trojuholník, z ktorého je možné poskladať prakticky ľubovoľný (priestorový) útvar. Trojuholníky sa pokrývajú textúrami - dvojrozmerné obrazy vytvárajúce povrch (napr. textúra balvanu, kmeňa stromu, steny, povrchu budovy a pod.). Textúry sa musia odlišovať i podľa toho, ako ďaleko sa daný objekt nachádza. Základnou funkciou 3D modelovania je potom zobrazovať jednotlivé trojuholníky s textúrami tak, aby bolo korektne vyriešené ich vzájomné prekrývanie v priestore a aby používateľ videl len tie, ktoré sú v popredí. Ku štandardným funkciám 3D teda patria: výpočet obrysov objektu popísaného napr. prostredníctvom trojuholníkov, vypĺňanie textúrami, určenie viditeľných plôch (časti, ktoré sú prekryté sa vôbec nevykresľujú, vďaka čomu je možné ušetrený čas použiť na iné operácie), výpočet veľkosti objektu na základe umiestnenia v priestore,
6
výpočty tieňovania a osvetlenia, priehľadnosti objektu a zahmlenia priestoru, vyhladzovanie obrysov objektu, tzv. antialiasing, ktoré upravuje šikmé "zúbkované" čiary (z dôvodu schopnosti zobrazovacieho zariadenia vysvietiť bod len ako celok), tak aby sa používateľovi javili ako hladké, napr. pridávaním sivých bodov na potrebné pozície. Takmer všetky algoritmy, ktoré sú implementované v grafických akcelerátoroch je možné popísať funkciami dvoch rozhraní pre 3D grafiku - OpenGL a DirectX. Pokiaľ je na grafickej karte implementovaný požadovaný postup, vykoná sa, ak nie je, zvolí sa pomalší (softvérový) výpočet alebo sa efekt vôbec neaplikuje.
Videokarta Pod týmto názvom sa v súčasnosti už štandardne nechápe grafická karta, ale ide o špecializovanú kartu, ktorá umožňuje spracovanie videa (často sa označuje ako VIVO - video in, video aut). Zvyčajne umožňuje údaje preniesť do počítača, kde sa spracujú (zostrihanie, pridanie efektov a pod.) a napokon ich z počítača preniesť na pôvodné zariadenie. Tieto karty sa delia do dvoch skupín. Analógové umožňujú komunikovať počítaču s analógovými zariadeniami používajúcimi VHS kazety (video, videokamera), pričom v prípade, že nie sú schopné zachytávať video plynulo, sú donútené niektoré snímky vynechať. Digitálne karty prijímajú digitálne údaje z digitálnych zariadení v tomto prípade nie je dôvod, aby prichádzalo k strate na kvalite či obsahu. Vzhľadom na množstvo údajov, ktoré vstupuje do počítača, podporuje časť videokariet hardvérovú kompresiu do niektorého zo štandardných formátov.
Televízna karta
Počítač možno využiť i na prijímanie televízneho signálu. Zariadenie umožňujúce jeho prijímanie sa označuje ako televízna karta, resp. TV tuner. Prostredníctvom nej možno sledovať televízne vysielanie, prípadne ak na vstup privádzame signál z analógového videoprehrávača, tak i video. Pokiaľ vlastníte TV-kartu, možno ju použiť ako na zachytávanie videa, tak i na nahrávanie televízneho vysielania. Platia tu rovnaké pravidlá ako pri videokartách - pokiaľ sa snímaný obraz a zvuk nestíha ukladať, budú niektoré snímky vynechané. TV karty je možné nájsť ako v interných prevedeniach (PCI, prípadne ak je integrovaná s grafickou kartou tak i AGP) tak i ako samostatné externé zariadenia najčastejšie pripájané cez USB. Často je ich súčasťou i FM rádio a k dispozícií diaľkové ovládanie.
7
Druhy výstupných konektorov grafických kariet – hore biely digitálny výstup DVI, čierny TV výstup S-Video a starší analógový výstup D-Sub v modrej farbe; v strede výstupy súčasných kariet v podobe DisplayPort, HDMI a dvoch DVI a na samom spodku špecialita v podobe šiestich Mini DisplayPortov, umožňujúca zapojiť sexteto monitorov k jednej grafickej karte
Konektor VGA - Analógové rozhranie pre pripojenie monitora max. rozlíšenie: 2048x1536 @ 85Hz Napájanie: neposkytuje , Max. vzdialenosť: 20m
8
DVI (Digital Visual Interface) - digitálna náhrada za analógové VGA, max. rozlíšenie: 1920x1200@60Hz, Napájanie: Neposkytuje, Vodiče/kontakty: 24 digitálnych + 5 analógových, Konektor obsahuje dve DVI linky, môže obsahovať aj analógové VGA (takže na VGA stačí pasívna redukcia).
HDMI (High-Definition Multimedia Interface) - Multimediálny AV štandard Max. rozlíšenie: HDMI 1.4 – 4096 x 2160 @24Hz@24bpp; 1920x1200@60Hz@48bpp. Napájanie: +5V / 50mA Vodiče/kontakty: 19 Max. vzdialenosť: v závislosti od kábla do 15m, možnosť použitia extenderov Rozhranie disponuje 36,86Mbps linkou pre prenos zvuku, HDMI 1.4 umožňuje aj Ethernet. Rozhranie je kompatibilné s DVI (cez pasívnu redukciu), nie je ale VESA štandardom
DisplayPort Náhrada za DVI Max. rozlíšenie: 3840x2160@60Hz@30bpp. Napájanie: 3,3V; 500mA Vodiče/kontakty: 20 Max. vzdialenosť: 15m pre 1920x1080@60Hz@24bpp, 3m pre maximálne rozlíšenie, disponuje linkou pre prenos zvuku (max. 6MB/s)
