Підвищення швидкодії відеоадаптерів

Останнім часом починається багато зусиль для підвищення продуктивності відеоадаптерів, що зв'язано зі збільшенням обсягу даних і вимог до точності передачі кольору в зображеннях високого дозволу, якими оперують сучасні програми. Підвищення продуктивності системи досягається удосконалюванням трьох її компонентів:

- графічного процесора;

- пам'яті відеоадаптера;

- шини.

З погляду таких нових графічних користувальницьких інтерфейсів, як Mіcrsoft Windows, саме система відображення виявилася самим “вузьким” місцем у комп'ютері.

Графічний процесор

У конструкції відеоплати може використовуватися один із трьох типів процесора чи спеціалізованого комплекту мікросхем. Тип пристрою, що буде встановлено в конкретній платі, практично не залежить від стандарту відображення, підтримуваного відеоадаптером VGA, ЅVGA чи XGA.

Сама стара архітектура відеоадаптерів називається структурою зі збереженням кадру зображення (frame-buffer technology). Вона припускає методику побудови зображення, при якій відеоплата відповідає тільки за збереження і регенерацію статичного кадру зображення. Сам же кадр будується винятково зусиллями програми і центрального процесора (CPU) комп'ютера. Природно, що при такій методиці на CPU лягає величезне навантаження, оскільки він повинен контролювати не тільки зображення, але й обчислення.

У сучасній комп'ютерній графіці застосовується також спеціалізований графічний співпроцесор. Така архітектура припускає включення до складу відеоадаптера власного процесора, що виконував би всі обчислення, необхідні для побудови зображення. При цьому CPU практично цілком звільняється для виконання інших задач (не зв'язаних безпосередньо з формуванням картинки). Таким чином, відібравши практично (усі графічні функції в CPU і поклавши їх на спеціалізований, максимально для цього пристосований) процесор відеоадаптера, ця архітектура забезпечує мінімальний час реакції системи.

Існує проміжний варіант архітектури — використання відеоакселератора (accelerator сhip) з обмеженим набором функцій. Така архітектура, застосована в багатьох відеоадаптерах, припускає, що електроніка відеоплати бере на себе алгоритмічно прості, але віднімаючи багато часу задачі, зокрема побудова графічних примітивів — прямих ліній, окружностей і т.п., а за CPU залишається конструювання зображення, розкладання його на складові і пересилання їх у відеоадаптер інструкцією на зразок намалювати прямокутник визначеного розміру і кольору.

Пам'ять відеоадаптера

Спочатку для збереження зображень використовувалися звичайні мікросхеми динамічних О3П (DRAM — Dynamic RAM). Вони досить дешеві, але мають невисоку швидкодію. Зв'язано це, з одного боку, з тим, що інформацію в них періодично треба відновлювати (регенерувати), а з іншого боку — такі ІС не дозволяють зчитувати інформацію під час запису.

Графічні плати сучасних ПК вимагають винятково високої швидкості обміну даними з пам'яттю. При дозволі 1024х768 пікселей і стандартній частоті регенерації 72 Гц весь вміст пам'яті (буфера кадру зображення) зчитується на цифроаналоговий перетворювач (ЦАП) 72 рази в секунду. Це означає, що в режимі true color (24 біт/піксель) швидкість зчитування даних з пам'яті повинна бути порядку 170 Мбайт/с — практична межа для сучасних чипов DRАМ.

Один з нових типів ІС пам'яті — EDO (Extended Data Out — розширений вивід даних). Підвищення продуктивності модулів EDO RAM зв'язане з тим, що їх елементи збереження підзаряджаються незалежною електронною схемою так, що наступний цикл звертання може починатися до того, як закінчиться попередній. У результаті EDO RAM працюють на 10% швидше, ніж DRAM, виконані по тій же мікроелектронній технології. Мікросхеми такого типу задумувалися для використання як головна пам'ять комп'ютера, але зараз вони широко застосовуються й у відеоадаптерах. Мікросхеми EDO виготовлені по тій же технології, що і мікросхеми DRAM, і на тім же обладнанні, тому коштують вони однаково.

Останнім часом усе більш популярними в розробках відеоадаптерів стають модулі відеопам'яті VRAM (Video RAM). Пам'ять цього типу ще називають двухпортовою, оскільки до неї одночасно можуть звертатися два “абоненти”. (Такими у випадку використання відеоадаптера є графічний процесор (чи чип акселератора, чи навіть CPU комп'ютера) і цифроаналоговий перетворювач (IWI).) Це дозволяє підвищити швидкодію як у порівнянні зі звичайними DRАМ, так і в порівнянні з ЕDО RAM.

MDRAM (Muitibank RAM — багатобанкові ОЗП) — це новий тип пам'яті, що також призначений спеціально для використання в графічних і відеосистемах. Розроблені фірмою MoЅyѕ, Inc., MDRAM утворюються з безлічі банків невеликого обсягу (32 Кбайт). Традиційно DRAM і VRAM мали логічну організацію у виді одного цільного банку. Оскільки MDRAM складаються з невеликих банків по 32 Кбайт, потрібний на платі обсяг не повинен збільшуватися до найближчого ступеня двійки, як у відеоадаптерах.

Наприклад, графічна система з дозволом 1024х768 пікселей класу true соlоr (24 біт/піксель) вимагає 2,3 Мбайт для збереження одного кадру зображення і ще деякий обсяг для збереження даних, не зв'язаних безпосередньо з кадром. Якщо використовуються модулі DRАМ з організацією 16х256 Кбайт 64-розрядна шина обміну, то необхідно створити буфер ємністю 4 Мбайт, що повинний складатися з двох банків по чотири чипа в кожнім. У той же час, якщо використовувати МDRАМ, можна організувати пам'ять загальним обсягом 2,5 Мбайт із двох чи трьох чипів. У результаті усувається “навантаження” у виді незайнятих 1,5 Мбайт.

Крім того, МDRАМ можна організувати таким чином, що звертання до кожного банку буде незалежним. А це шлях до безсумнівного підвищення продуктивності відеоадаптера в цілому (у порівнянні з моделями, що використовують VRАМ чи WRАМ).

ЅGRAM (Ѕynchronouѕ Graphicѕ RAM — синхронизиюче графічне ОЗП) — це останнє слово інженерної думки для особливо швидкісних моделей відеоплат. Цей тип пам'яті може працювати на частотах більш 66 МГц і буде незамінний для PCI-плат, коли з'являться моделі системних плат із РСІ на частоті 66 МГц. У порівнянні зі звичайними DRАМ, швидкодія ЅGRАМ зросла більш ніж у чотири рази, і частота звертання може досягати 80 Мгц.

Шина

Раніше вже говорилося про те, що моделі відеоплат призначені для відповідних типів шин. Наприклад, адаптер VGA розроблявся для шини МСА, теж саме відноситься до адаптерів ХGА і ХGА-2. Швидкість обробки відеоінформації залежить від використовуваної в комп'ютері системної шини (IЅA, EIЅA чи MCA). Шина IЅA — І6-розрядна, з тактовою частотою 8,33 МГц. По шинах EIЅA і MCA можна одночасно передавати 32 біт даних, але їх тактова частота не перевищує 10 МГц. (Не плутайте швидкодію шини зі швидкодією мікропроцесора. Сучасні процесори працюють на частотах більш 100 МГц, але тактові частоти шин значно нижче.)

Проблема частково зважується завдяки локальній шині VEЅA, чи просто VL-Bus, що використовується як доповнення до основної шини. Наприклад, у комп'ютері із шиною ISA можуть бути встановлені слоти VL-Buѕ. Шина VL-Buѕ — 32-розрядна, а її швидкодія дорівнює швидкодії процесора — до 40 МГ (без обліку множення тактової частоти в самому мікропроцесорі). Таким чином, використовуючи в системі оптимально настроєну шину VL-Buѕ, можна досягти високої швидкості.

У шині РСІ-2 складаються швидкодія локальної шини і визначена незалежність від основного процесора. Відеоплати, призначені для шини РСІ, як і плати, орієнтовані на VL-Buѕ, можуть радикально підвищити продуктивність відеосистеми: вони спроектовані відповідно до технології Plug-and-Play і практично не вимагають настроювання.