顯卡工作原理是什么?

我們在 監視器上看到的圖像是由很多個小點組成的，這些小點稱為“像素”。在最常用的分辨率設置下，屏幕顯示一百多萬個像素，電腦必須決定如何處理每個像素，以便生成圖像。為此，它需要一位“翻譯”，負責從CPU獲得二進制數據，然后將這些數據轉換成人眼可以看到的圖像。除非電腦的主板內置了圖形功能，否則這一轉換是在顯卡上進行的。

　　顯卡的工作非常復雜，但其原理和部件很容易理解。在本文中，我們將了解顯卡的基本部件和它們的作用。此外，我們還將考察那些共同發揮作用以使顯卡能夠快速、高效工作的因素。

　　

　　-->顯卡生成一幅線框圖像，然后進行填充并添加紋理和陰影。

　　-->顯卡的基本原理

　　我們可以把電腦想像成一家擁有獨立美工部門的公司。當公司員工需要一件美術品時，便向美工部門提出申請。美工部門決定如何創作圖像，然后在圖紙上繪制出來。最終結果是，某人的想法變成真實而可見的圖像。

　　

　　顯卡的主要部件是:主板連接設備、監視器連接設備、處理器和內存。不同顯卡的工作原理基本相同CPU與軟件應用程序協同工作，以便將有關圖像的信息發送到顯卡。顯卡決定如何使用屏幕上的像素來生成圖像。之后，它通過線纜將這些信息發送到監視器

　　顯卡的演變自從IBM于1981年推出第一塊顯卡以來，顯卡已經有了很大改進。第一塊顯卡稱為單色顯示適配器（MDA），只能在黑色屏幕上顯示綠色或白色文本。而現在，新型顯卡的最低標準是視頻圖形陣列（VGA），它能顯示256種顏色。通過像量子擴展圖矩陣（QuantumExtendedGraphicsArray,QXGA）這樣的高性能標準，顯卡可以在最高達2040x1536像素的分辨率下顯示數百萬種顏色。

　　根據二進制數據生成圖像是一個很費力的過程。為了生成三維圖像，顯卡首先要用直線創建一個線框。然后，它對圖像進行光柵化處理（填充剩余的像素）。此外，顯卡還需添加明暗光線、紋理和顏色。對于快節奏的游戲，電腦每秒鐘必須執行此過程約60次。如果沒有顯卡來執行必要的計算，則電腦將無法承擔如此大的工作負荷。

　　顯卡使用四個主要部件來完成此任務：

　　主板連接設備，用于傳輸數據和供電

　　處理器，用于決定如何處理屏幕上的每個像素

　　內存，用于存放有關每個像素的信息以及暫時存儲已完成的圖像

　　監視器連接設備，便于我們查看最終結果

　　處理器和內存

　　像主板一樣，顯卡也是裝有處理器和RAM的印刷電路板。此外，它還具有輸入/輸出系統（BIOS）芯片，該芯片用于存儲顯卡的設置以及在啟動時對內存、輸入和輸出執行診斷。顯卡的處理器稱為圖形處理單元（GPU），它與電腦的CPU類似。但是，GPU是專為執行復雜的數學和幾何計算而設計的，這些計算是圖形渲染所必需的。某些最快速的GPU所具有的晶體管數甚至超過了普通CPU。GPU會產生大量熱量，所以它的上方通常安裝有散熱器或風扇。

　　

　　散熱器或風扇可以防止顯卡的處理器過熱。

　　除了其處理能力以外，GPU還使用特殊的程序設計來幫助自己分析和使用數據。市場上的絕大多數GPU都是冶天和英偉達生產的，并且這兩家公司都開發出了自己的GPU性能增強功能。為了提高圖像質量，這些處理器使用以下技術：

　　全景抗鋸齒（FSAA），它能讓三維物體的邊緣變得平滑

　　各向異性過濾（AF），它能使圖像看上去更加鮮明

　　集成顯卡許多主板都具有集成圖形功能，而無需獨立的顯卡。這些主板能輕松地處理二維圖像，因而能夠提高工作效率，并且非常適合于互聯網應用環境。如果在一塊這樣的主板上插入獨立的顯卡，則會覆蓋板載圖形功能。

　　很多廠商還都另行開發出特定的技術，以幫助GPU應用顏色、陰影、紋理和圖案。

　　GPU在生成圖像時，需要有個地方能存放信息和已完成的圖像。這正是顯卡RAM用途所在，它用于存儲有關每個像素的數據、每個像素的顏色及其在屏幕上的位置。有一部分RAM還可以起到幀緩沖器的作用，這意味著它將保存已完成的圖像，直到顯示它們。通常，顯卡RAM以非常高的速度運行，且采取雙端口設計，這意味著系統可以同時對其進行讀取和寫入操作。

　　RAM直接連接到數模轉換器，即DAC。這個轉換器也稱為RAMDAC，用于將圖像轉換成監視器可以使用的模擬信號。有些顯卡具有多個RAMDAC，這可以提高性能及支持多臺監視器。

　　RAMDAC通過線纜將最終圖像發送到監視器。

　　顯卡輸入和輸出

　　ADC連接器蘋果公司曾經制造過使用專利產品AppleDisplayConnector（ADC）的監視器。盡管這些監視器目前仍在使用，但蘋果公司新出的監視器已改為使用DVI連接設備。顯卡通過主板連接到電腦主板為顯卡供電，并使其可以與CPU通信。對于較新的顯卡，主板所提供的電能往往不足，所以顯卡還直接連接到電腦的電源。

　　與主板的連接通常是借助以下三種接口之一來實現的：

　　外設部件互連（PCI）

　　高級圖形端口（AGP）

　　PCIExpress（PCIe）

　　在這三種接口中，PCIExpress是最新型的接口，它能在顯卡和主板之間提供最快的傳輸速率。此外，PCIe還支持在一臺電腦中使用兩塊顯卡。

　　大多數顯卡都具有兩個監視器連接設備。通常，其中一個是支持LCD屏幕的DVI連接器，另一個是支持CRT屏幕的VGA連接器。有些顯卡配備的是兩個DVI連接器。但這并不意味著無法使用CRT屏幕；CRT屏幕可以通過適配器連接到DVI端口。

　　大多數人僅使用他們具有的兩種監視器連接設備中的一種。需要使用兩臺監視器的用戶可以購買具有雙頭輸出功能的顯卡，它能將畫面分割并顯示到兩個屏幕上。理論上，如果電腦配有兩塊具有雙頭輸出功能且提供PCIe接口的顯卡，則它能夠支持四臺監視器。

　　

　　這塊RadeonX800XL顯卡具有DVI、VGA和ViVo連接設備。

　　除了用于主板和監視器的連接設備以外，有些顯卡還具有用于以下用途的連接設備：

　　電視顯示：電視輸出或S-Video

　　模擬攝像機：ViVo（視頻輸入/視頻輸出）

　　數碼相機：火線或USB有些顯卡還自帶了電視調諧器。

　　接下來，我們將考察對顯卡的速度和效率有影響的因素。

　　DirectX和OpenGLDirectX和OpenGL都是應用程序編程接口，簡稱API。API提供用于復雜任務（例如三維渲染）的指令，以此幫助軟硬件更高效地通信。開發人員針對特定的API來優化大量使用圖形的游戲。這就是最新的游戲通常需要DirectX或OpenGL的更新版才能正確運行的原因。

　　API不同于驅動程序。驅動程序是使硬件可以與電腦的操作系統進行通信的程序。但如同更新版的API一樣，更新版的設備驅動程序可以幫助程序正確運行。

　　什么樣的是好顯卡？

　　頂級顯卡很容易辨認，它應該具有大量內存和速度很快的處理器。此外，與其他任何要安裝到電腦機箱中的部件相比，它通常是最令人關注的。很多高性能顯卡都聲稱需要或直接配備了外形夸張的風扇或散熱器。

　　但高端顯卡提供的功能超出了大多數人的真實需要。對于主要使用電腦來收發電子郵件、從事文字處理或上網沖浪的用戶來說，帶有集成顯卡的主板便能夠提供所有必要的圖形功能。對于大多數偶爾玩游戲的用戶來說，中端顯卡已經足以滿足需要。只有游戲迷和那些需要完成大量三維圖形工作的用戶才需要高端顯卡。

　　

　　有些顯卡帶有用于電視和視頻的連接設備以及電視調諧器，例如ATI的All-in-Wonder顯卡。

　　顯卡性能的一個很好的整體衡量標準是它的幀速，它是以每秒的幀數（FPS）為單位加以衡量的。幀速說明了顯卡每秒鐘能顯示多少幅完整的圖像。人眼的處理能力約為每秒25幀，而動感快速的游戲至少需要60FPS的幀速才能提供平滑的動畫和滾動。影響幀速的因素包括：

　　每秒生成的三角形數或頂點數三維圖像是由三角形或多邊形組成的。這項指標說明了GPU能夠以多快的速度計算整個多邊形或對該多邊形進行定義的頂點。一般而言，它說明了顯卡能以多快的速度生成線框圖像。

　　像素填充速率：這項指標說明了GPU一秒鐘內能處理多少個像素，從而也就說明了顯卡能以多快的速度對圖像進行光柵化處理。顯卡的硬件對其速度具有直接影響。以下是對顯卡速度影響最大的硬件性能指標及其衡量單位：

　　GPU時鐘速度（MHz）

　　內存總線的容量（位）

　　可用內存的數量（MB）

　　內存時鐘速率（MHz）

　　內存帶寬（GB/s）

　　RAMDAC速度（MHz）

　　電腦的CPU和主板也對顯卡速度有一定影響，因為非常快速的顯卡并不能彌補主板在快速傳輸數據方面的能力的不足。同樣，顯卡與主板之間的連接以及它從CPU獲取指令的速度都會影響其性能。

　　超頻有些用戶選擇將自己顯卡的時鐘速度手動設置為更高的速率，以此來提高顯卡的性能，這稱為超頻。人們通常選擇對顯卡的內存進行超頻，因為對GPU進行超頻可能會導致過熱。雖然超頻可以獲得更好的性能，但它也會使制造商的質保失效。