LAS TARJETAS GRÁFICAS

1. UNIDAD 5 LAS TARJETAS GRÁFICAS

2. Introducción Es el componente informático que transmite al monitor la información gráfica que debe presentar en la pantalla. Realiza dos operaciones: Interpreta los datos que le llegan del procesador, ordenándolos y, tras calcular el valor de cada píxel, lo almacena en la memoria de video para poder presentarlos en la pantalla. Desde la memoria de video, coge la salida de datos digitales resultante del proceso anterior y la transforma en una señal analógica que pueda entender el monitor.

3. Introducción Estos dos procesos suelen ser realizados por uno o más chips: El microprocesador gráfico (el cerebro de la tarjeta gráfica) El conversor analógico-digital o RAMDAC aunque en ocasiones existen chips accesorios para otras funciones o bien se realizan todas por un único chip. El microprocesador puede ser muy potente y avanzado, tanto o más que el propio micro del ordenador, incluso los hay con arquitecturas de 256 bits, el cuádruple que los Pentium.

4. Historia de las tarjetas gráficas • En un principio, todas las entradas y salidas de datos se realizaban mediante tarjetas de datos perforadas, o mediante el teclado y primitivas impresoras. • Hasta que un día alguien pensó que era mucho más cómodo acoplar una especie de televisor al ordenador para observar la evolución del proceso y los datos, y surgieron los monitores, que debían recibir su información de cierto hardware especializado: la tarjeta de vídeo.

5. Historia de las tarjetas gráficas En la siguiente tabla se recoge la evolución de las tarjetas graficas

6. Historia de las tarjetas gráficas • Modo texto • carácter: código ASCII + atributo (2 bytes) • la tarjeta almacena la definición píxel a píxel de cada carácter • Modo gráfico • los píxeles se manejan de forma individual • color del píxel: suma de 3 colores binarios RGB • bits de cada píxel: determina el número de colores posible • modo VGA estándar: 4 bits  16 colores // 8 bits  256 colores • modo high color: 16 bits  65.536 colores • modo true color: 24 bits  16 millones colores • La más alta: 32 bits  4.300 millones colores • necesidad de gran cantidad de memoria

7. Historia de las tarjetas gráficas • MDA • Monochrome Display Adapter • Las primeras tarjetas de vídeo presentaban sólo texto monocromo, generalmente en un tono ámbar o verde fosforito, muy molesto para la vista.

8. Historia de las tarjetas gráficas • MDA Fotografía de una tarjeta MDA

9. Historia de las tarjetas gráficas • CGA • Computer Graphics Array • Capaz de presentar gráficos • Aparecieron multitud de juegos que aprovechaban al máximo tan reducidas cualidades, además de programas más serios, y los gráficos se instalaron para siempre en el PC.

10. Historia de las tarjetas gráficas • CGA Fotografía de una tarjeta CGA

11. Historia de las tarjetas gráficas • HÉRCULES • Tarjeta gráfica de corte profundamente profesional. • Su ventaja, poder trabajar con gráficos a 720x348 puntos de resolución, algo impresionante para la época . • Su desventaja, que no ofrecía color. Es por esta carencia por la que no se extendió más.

12. Historia de las tarjetas gráficas • HÉRCULES Fotografía de una tarjeta Hércules

13. Historia de las tarjetas gráficas • EGA • Enhanced Graphics Adapter • Capaz de presentar gráficos con estas características: • Estas cifras hacían ya posible que los entornos gráficos se extendieran al mundo PC (los Apple llevaban años con ello), y de esta forma pudo surgir el entorno Windows y otros muchos.

14. Historia de las tarjetas gráficas • EGA Fotografía de una tarjeta

15. Historia de las tarjetas gráficas • VGA • Video Graphics Array • El estándar, la pantalla de uso obligado desde hace más de 10 años. • Tiene multitud de modos de vídeo posibles, aunque el más común es el de 640x480 puntos con 256 colores, conocido generalmente como "VGA estándar" o "resolución VGA".

16. Historia de las tarjetas gráficas • VGA Fotografía de una tarjeta VGA

17. Historia de las tarjetas gráficas • SVGA, XGA y superiores • El éxito del VGA llevó a numerosas empresas a crear sus propias ampliaciones del mismo, siempre centrándose en aumentar la resolución y/o el número de colores disponibles. • Aparecen estándares diferentes según el fabricante  estándar VESA Super VGA • Mejoras de VGA (800x600, 1024x768, .... 16 bits de color) • La frontera entre unos estándares y otros es sumamente confusa, puesto que la mayoría de las tarjetas son compatibles con más de un estándar, o con algunos de sus modos. • Algunas tarjetas ofrecen modos adicionales al añadir más memoria de vídeo.

18. Historia de las tarjetas gráficas • SVGA, XGA y superiores Fotografía de una tarjeta SVGA Fotografía de una tarjeta 3D

19. Historia de las tarjetas gráficas CGAEGA VGA SVGA Gráficos 3D

20. Características La resolución y el número de colores La resolución es el número de puntos que es capaz de presentar por pantalla una tarjeta de vídeo, tanto en horizontal como en vertical. Así, “800x600” significa que la imagen está formada por 600 rectas horizontales de 800 puntos cada una. Para que nos hagamos una idea, un televisor de cualquier tamaño tiene una resolución equivalente de 800x625 puntos. En cuanto al número de colores, son los que la tarjeta puede presentar a la vez por pantalla. Así, aunque las tarjetas EGA sólo representan 16 colores a la vez, los eligen de una paleta de 64 colores.

21. Características La resolución y el número de colores La combinación de estos dos parámetros (resolución y número de colores) se denomina modo de vídeo; están estrechamente relacionados: a mayor resolución, menor número de colores representables, y a la inversa. En tarjetas modernas (SVGA y superiores), lo que las relaciona es la cantidad de memoria de vídeo (la que está presente en la tarjeta, no la memoria general o RAM). Cabe destacar que el modo de vídeo elegido debe ser soportado por el monitor, ya que si no éste podría dañarse gravemente. Por otra parte, los modos de resolución para gráficos en 3D (fundamentalmente juegos) suelen necesitar bastante más memoria, en general unas 3 veces más.

22. Características La velocidad de refresco El refresco, es el número de veces que se dibuja la pantalla por segundo (como los fotogramas del cine); evidentemente, cuanto mayor sea, menos se nos cansará la vista y trabajaremos más cómodos y con menos problemas visuales. Se mide en hertzios (veces/segundo), por lo que por ejemplo, 70 Hz significa que la pantalla se dibuja 70 veces por segundo.

23. Características La velocidad de refresco - EntrelazadoAntiguamente se usaba una técnica denominada entrelazado, que consiste en que la pantalla se dibuja en dos pasadas, primero las líneas impares y luego las pares, lo que cansa la vista sobremanera. Afortunadamente, actualmente la técnica está en desuso. No entrelazado: refresco de todas las líneas en una sola pasada.

24. Características • La velocidad de refresco - EntrelazadoEl motivo de las técnicas de entrelazado y no entrelazado es que construir monitores que soporten buenas velocidades de refresco a alta resolución es bastante caro, por lo que la tarjeta de vídeo empleaba estos “trucos” para ahorrar a costa de la vista del usuario. Sin embargo, tampoco todas las tarjetas de vídeo pueden ofrecer cualquier velocidad de refresco. Esto depende de dos parámetros: • La velocidad del RAMDAC , el conversor analógico digital.Se mide en MHz, y debe ser lo mayor posible, preferiblemente superior a 200 MHz. • La velocidad de la memoria de vídeo , preferiblemente de algún tipo avanzado como WRAM, SGRAM o SDRAM.

25. Componentes de la tarjeta

26. CHIP GRÁFICO (GPU)

27. ¿Qué es la GPU? • Es un procesador dedicado exclusivamente al procesamiento de gráficos • Aligera la carga de trabajo del procesador central en aplicaciones como los videojuegos y aplicaciones 3D interactivas. • De esta forma la CPU puede dedicarse a otro tipo de cálculos

28. ¿Qué es la GPU? • Implementa ciertas operaciones gráficas llamadas primitivas, optimizadas para el procesamiento gráfico. • La GPU está dividida/segmentada en una gran cantidad de unidades funcionales. Estas unidades funcionales se encargan de procesar vértices y píxeles. • La memoria de la GPU destaca por su rapidez, y va a jugar un papel relevante a la hora de almacenar los resultados intermedios de las operaciones y las texturas que se utilicen.

29. ¿Qué es la GPU? • Una de las primitivas más comunes para el procesamiento gráfico en 3D es el antialiasing, que suaviza los bordes de las figuras para darles un aspecto más realista. • Otras primitivas permiten dibujar rectángulos, triángulos, círculos y arcos.Las GPU actualmente disponen de gran cantidad de primitivas, buscando mayor realismo en los efectos.

30. Diferencias entre CPU y GPU • Las GPU son muy potentes y pueden incluso superar la frecuencia de reloj de una CPU antigua (más de 500MHz). • La GPU a diferencia con una CPU están pensadas para desarrollar cálculo con valores en coma flotante, predominantes en los gráficos 3D. • La CPU se basa en el modelo de Von Neumann mientras que la GPU se basa en el Modelo Circulante (gran segmentación en unidades funcionales) el cual facilita un procesamiento en paralelo a pesar de trabajar a unos 500-600 Mhz (muy inferior a la de una CPU actual).

31. Micros que combinan en un mismo chip: • CPU multinúcleo • GPU • northbridge • bus de interconexión de alta velocidad • controlador de memoria Accelerated processing unit(APU AMD Fusion)

32. Accelerated processing unit(APU AMD Fusion) APU Típica configuración AMD

33. Accelerated processing unit(APU AMD Fusion)

34. LA RAMDAC Random Access Memory Digital-to-Analog Converter

35. ¿Qué es la RAMDAC? • Transforma las señales digitales con las que trabaja el ordenador en una salida analógica que pueda ser interpretada por el monitor. • Su velocidad se mide en MHz. Esta velocidad influye en una mejor calidad gráfica y una mayor frecuencia de refresco, lo que implica en una mejor visión y un menor cansancio visual al estar varias horas delante del monitor. • La SRAM actúa como una tabla de búsqueda de color.

36. Tipos de RAMDAC • Externa: • Implica más costes de fabricación. • Se usa en tarjetas de gama alta. • Mejor calidad de imagen y mayor velocidad de refresco.

37. Tipos de RAMDAC • Integrada en la GPU: • Abaratar costes de fabricación. • Se usa en tarjetas de gama baja y media. • Inferior calidad de imagen y velocidad de refresco.

38. Tendencias en la RAMDAC • Su uso es cada vez más reducido debido a: • En los modos de color verdadero (true color) la SRAM es “puenteada”. • Con el uso de DVI, HDMI y otras tecnologías de interfaz digital la parte DAC (conversión digital-analógico) se está volviendo obsoleta.

39. Dispositivos refrigerantes • Debido a las cargas de trabajo a las que son sometidas, las tarjetas gráficas alcanzan temperaturas muy altas. Si no es tenido en cuenta, el calor generado puede hacer fallar, bloquear o incluso averiar el dispositivo. Para evitarlo, se incorporan dispositivos refrigerantes que eliminen el calor excesivo de la tarjeta. Se distinguen dos tipos: • Disipador: dispositivo pasivo; compuesto de material conductor del calor, extrae éste de la tarjeta. Su eficiencia va en función de la estructura y la superficie total, por lo que son bastante voluminosos. • Ventilador: dispositivo activo; aleja el calor emanado de la tarjeta al mover el aire cercano. Es menos eficiente que un disipador y produce ruido al tener partes móviles.

40. Dispositivos refrigerantes • Ambos tipos de dispositivo son compatibles entre sí y suelen ser montados juntos en las tarjetas gráficas; un disipador sobre la GPU (el componente que más calor genera en la tarjeta) extrae el calor, y un ventilador sobre él aleja el aire caliente del conjunto. • En ocasiones el calor generado en los componentes es demasiado elevado como para poder emplear disipadores de dimensiones razonables, llegando a ser necesarias emplear otras formas de refrigeración como la refrigeración líquida.

41. Dispositivos refrigerantes

42. Memorias de la tarjeta • Almacena los datos (imágenes procesadas por la GPU) que van a mostrarse en la pantalla • Distintas velocidades • Memoria gráfica ≠ Memoria del procesador

44. Memorias de la tarjeta Los tipos más comunes son: • DRAM: en las tarjetas más antiguas, ya descatalogadas. Malas características; refrescos máximos entorno a 60 Hz. • EDO o “EDO DRAM”: Hasta hace poco estándar en tarjetas de calidad media-baja. Muy variables refrescos dependiendo de la velocidad de la EDO, entre 40 ns las peores y 25 ns las mejores. • VRAM y WRAM: bastante buenas, aunque en desuso; en tarjetas de calidad, muy buenas características. • MDRAM: un tipo de memoria no muy común, pero de alta calidad. • SDRAM y SGRAM: actualmente utilizadas mayoritariamente, muy buenas prestaciones. La SGRAM es SDRAM especialmente adaptada para uso gráfico, en teoría incluso un poco más rápida. • DDR y GDDR: podrían englobarse en la categoría anterior, muy usadas en la actualidad en tarjetas de gama media-alta, permiten altas velocidades de refresco y gran capacidad para el tratamiento de imágenes en 3D ya que permite resoluciones de hasta 2048x1536.

45. BIOS de vídeo Contiene la configuración de tarjeta gráfica, en especial, los modos gráficos que puede soportar el adaptador.

46. El ZBuffer • Zbuffer: gestiona las coordenadas de profundidad en imágenes 3D (la coordenada Z) • Concepto de renderización (proceso de cálculo complejo destinado a generar una imagen 2D a partir de una escena 3D.)

47. Interfaces con la Placa Base (buses)

48. Interfaces con la Placa Base (buses) ISA : el conector original del PC, poco apropiado para uso gráfico; en cuanto llegamos a tarjetas con un cierto grado de aceleración resulta insuficiente. Usado hasta las primeras VGA “aceleradoras gráficas”, aquellas que no sólo representan la información sino que aceleran la velocidad del sistema al liberar al microprocesador de parte de la tarea gráfica mediante diversas optimizaciones. VESA Local Bus: más que un slot un bus, es un conector íntimamente unido al microprocesador, lo que aumenta la velocidad de transmisión de datos. Una solución barata usada en muchas placas 486, de buen rendimiento pero tecnológicamente no muy avanzada. PCI: hasta hace poco, este ha sido el estándar de las tarjetas gráficas (y otros muchos periféricos). Suficientemente veloz para las tarjetas que no precisen una gran aceleración 3D.

49. Interfaces con la Placa Base (buses) AGP: Puerto estándar para conexión de tarjetas gráficas, pensado únicamente para tarjetas gráficas que transmitan cientos de MB/s de información, típicamente las 3D. Presenta poca ganancia en prestaciones frente a PCI, pero tiene la ventaja de que las tarjetas AGP pueden utilizar memoria del sistema como memoria de vídeo (lo cual, sin embargo, penaliza mucho el rendimiento).Tiene varias subcategorías de BUS que influyen en su velocidad, el AGP 1x, 2x, 4x y el 8x. PCI EXPRESS: PCI Express es una nueva arquitectura de bus cuyo ancho de banda es 3.5 veces superior a AGP8x y PCI en el PC y da como resultado una velocidad superior a 4GB por segundo en las trasferencias de datos en ambas direcciones, lo que la convierte en lo mas recomendable a la hora de adquirir una tarjeta gráfica.

50. Alimentación • Problema actual: consumen mucha energía (PCIe) • PCIe Power connector