智能網(wǎng)聯(lián)汽車計算平臺部署與測試 課件 3.1 顯卡的基本認知

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計算平臺部署與測試項目三NVIDIA顯卡的認知與安裝任務(wù)1顯卡的基本認知目錄01.顯卡概述02.顯卡的基本結(jié)構(gòu)和原理03.顯卡分類04.顯卡接口05.顯卡主要參數(shù)06.任務(wù)實施01.顯卡概述顯卡的定義及重要性顯示接口卡（Videocard，Graphicscard），又被稱為視頻卡、視頻適配器、圖形卡、圖形適配器和顯示適配器等，被用于連接中央處理器與顯示器，將中央處理器送來的影像數(shù)據(jù)處理成顯示器認識的格式，再送到顯示器形成圖像，是連接顯示器和個人電腦主板的重要元件，是人機交互的重要設(shè)備之一。顯卡概述自1981年IBM推出第一塊顯卡以來，顯卡技術(shù)已經(jīng)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(xiàn)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。通過量子擴展圖矩陣（QuantumExtendedGraphicsArray，QXGA）等高性能標準，顯卡可以在最高達2040x1536像素的分辨率下顯示數(shù)百萬種顏色。根據(jù)二進制數(shù)據(jù)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(chuàng)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(jié)奏的游戲，電腦每秒鐘必須執(zhí)行此過程約60次。如果沒有顯卡來執(zhí)行必要的計算，則電腦將無法承擔(dān)如此大的工作負荷。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(tǒng)（BIOS）芯片，該芯片用于存儲顯卡的設(shè)置以及在啟動時對內(nèi)存、輸入和輸出執(zhí)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(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)和幾何計算而設(shè)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(shù)甚至超過了普通CPU。GPU會產(chǎn)生大量熱量，所以它的上方通常安裝有散熱器或風(fēng)扇。除了處理能力以外，GPU還使用特殊的程序設(shè)計來幫助自己分析和使用數(shù)據(jù)。市場上的絕大多數(shù)GPU都是AMD和NVidia生產(chǎn)的，并且這兩家公司都開發(fā)出了自己的GPU性能增強功能。為了提高圖像質(zhì)量，這些處理器使用全景抗鋸齒技術(shù)，它能讓三維物體的邊緣變得平滑，以及各向異性過濾，它能使圖像看上去更加鮮明。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(guān)每個像素的數(shù)據(jù)、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(shè)計，這意味著系統(tǒng)可以同時對其進行讀取和寫入操作。RAM直接連接到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，即DAC。這個轉(zhuǎn)換器也稱為RAMDAC，用于將圖像轉(zhuǎn)換成監(jiān)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(jiān)視器。顯卡概述02.顯卡的基本結(jié)構(gòu)和原理顯卡的基本結(jié)構(gòu)和原理顯卡的主要部件包括主板連接設(shè)備、監(jiān)視器連接設(shè)備、處理器和內(nèi)存。主板連接設(shè)備，主要用于傳輸數(shù)據(jù)和供電；處理器，又稱為顯示芯片（Videochipset）、圖形處理器（GPU）或視覺處理器（VPU），是顯卡的主要處理單元，用于決定如何處理屏幕上的每個像素，由于它工作時會產(chǎn)生大量熱量，所以它的上方通常安裝有散熱器或風(fēng)扇；內(nèi)存，常被稱為“顯示存儲器”，簡稱顯存，用于存放有關(guān)每個像素的信息以及暫時存儲已完成的圖像；監(jiān)視器連接設(shè)備便于我們查看最終結(jié)果。顯卡的基本結(jié)構(gòu)和原理不同顯卡的工作原理基本相同，即CPU與軟件應(yīng)用程序協(xié)同工作，以便將有關(guān)圖像的信息發(fā)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(fā)送到監(jiān)視器。數(shù)據(jù)離開CPU后，必須通過如下4個步驟，最后才會到達顯示屏：（1）從總線(bus)進入GPU（圖形處理器），將CPU送來的數(shù)據(jù)送到GPU（圖形處理器）里面進行處理。（2）從videochipset（顯卡芯片組）進入videoRAM（顯存），將芯片處理完的數(shù)據(jù)送到顯存。（3）從顯存進入DigitalAnalogConverter(RAMDAC)，由顯示顯存讀取出數(shù)據(jù)再送到RAMDAC進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工作(數(shù)碼信號轉(zhuǎn)模擬信號)。（4）從DAC進入顯示器(Monitor)，將轉(zhuǎn)換完的模擬信號送到顯示屏。03.顯卡分類集成顯卡核心顯卡獨立顯卡顯卡分類集成顯卡集成顯卡是指在主板的芯片組內(nèi)集成了顯示芯片，不需要單獨的顯卡就能夠?qū)崿F(xiàn)電腦的各種顯示功能，滿足普通電腦使用者、一般的家庭影音娛樂以及某些辦公使用的需求，節(jié)省了獨顯的開支。由于使用集成顯卡的主板大多數(shù)不帶有單獨的顯存，所以往往使用一部分內(nèi)存作為顯存，功耗低、發(fā)熱量小。但是可維護性和擴展性較差，不能單獨升級替換顯卡，只能和主板一起更換。核心顯卡核心顯卡實際上也是集成顯卡的一種，只不過它的顯卡集成位置在CPU上，而不是主板上。核顯是集顯后期發(fā)展起來的，因為它集成在CPU上，可以帶來高性能低功耗的特性。GPU和CPU“融合”在一起，可以更好地通信，共用總線資源，是目前大部分輕薄筆記本電腦和臺式一體機所使用的顯卡結(jié)構(gòu)，其性能也能滿足作圖和運行部分3D游戲的需要，但是因此造成的功耗發(fā)熱較大。不過其極具性價比的特點，甚至比有些獨立顯卡還要受歡迎。獨立顯卡獨立顯卡就是插在主板擴展插槽中（一般用PCI-E接口）的顯卡，它將顯示芯片、顯存及相關(guān)電路單獨集成在一塊電路板上，形成一塊獨立的板卡。獨立顯卡具備單獨的處理芯片、顯示內(nèi)存、處理模塊和緩存，并且還有專門的散熱風(fēng)扇。獨立顯卡在技術(shù)上比集成顯卡要先進，能夠得到更好的顯示效果和性能，升級顯卡只需更換獨立顯卡即可，更容易進行升級。但更強的性能也帶來了更高的功耗，發(fā)熱量也較大，比較適合對顯示性能要求較強的游戲用戶選用。獨立顯卡目前分為兩大陣營，即NVIDIA和AMD，這兩家同時也是顯卡芯片的生產(chǎn)廠商，也就是經(jīng)常說的N卡和A卡，目前N卡在市場份額最大，從入門到旗艦級的產(chǎn)品線更加豐富，并在高端顯卡市場遙遙領(lǐng)先，在技術(shù)上相對更有優(yōu)勢，功耗上也相比A卡要低一些，優(yōu)化上也更勝一籌。而A卡的產(chǎn)品線不是特別全面，用戶選擇性的較少，不過A卡相對性價比高，同級別顯卡，價格更為便宜實惠。公版與非公版顯卡獨立顯卡又可以分為非公版和公版。公版指的是采用NVIDIA或AMD原廠設(shè)計(或者授權(quán)設(shè)計)的PCB板型，具有一致的核心頻率，并且在電路、接口、用料、散熱等方面有統(tǒng)一標準的，由指定OEM廠商生產(chǎn)的顯卡。非公版顯卡指的是采用NVIDIA和AMD提供的GPU芯片，但是在外觀、做工用料、接口、燈效、散熱等方面由各OEM廠商自行設(shè)計的顯卡。市場上的華碩、微星、技嘉、影馳、七彩虹、耕升、索泰、映眾、銘瑄、藍寶石、迪蘭等品牌均為非公版。04.顯卡接口VGA接口VGA（VideoGraphicsArray）接口，也叫D-Sub接口，是顯卡上模擬信號的輸出接口。早期的CRT顯示器由于制造上的原因，只能接受模擬信號的輸入。如圖所示，VGA接口是一種D型接口，上面共有15個針腳，分成3排，每排5個，定義如下：VGA接口是顯卡上應(yīng)用最為廣泛的接口類型，多數(shù)顯卡都帶有這種接口。有些不帶VGA接口但是帶有DVI接口的顯卡，也可以通過一個簡單的轉(zhuǎn)接頭將DVI接口轉(zhuǎn)換成VGA接口。DVI接口DVI（DigitalVisualInterface）接口，即數(shù)字視頻接口，是一種視頻接口標準，目的是通過數(shù)字化的傳送來強化個人電腦顯示器的畫面品質(zhì)，目前廣泛應(yīng)用于LCD、數(shù)字投影儀等顯示設(shè)備上。DVI接口可以傳送未壓縮的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)到顯示設(shè)備。如圖

所示為常用的DVI接口。如圖所示，從正面看DVI接口，共有29個針腳，分別是1-24及C1-C5。每個針腳的定義如下圖所示。HDMI接口常用的HDMI（HighDefinitionMultimediaInterface）接口，即高清多媒體接口，是一種數(shù)字化視頻/音頻接口技術(shù)，是適合影像傳輸?shù)膶Ｓ眯蛿?shù)字化接口，可以同時傳輸音頻和視頻信號，最高數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率為5Gbps，同時不需要在數(shù)據(jù)傳輸前進行數(shù)/?；蚰?數(shù)轉(zhuǎn)換。HDMI接口還可以搭配寬帶數(shù)字內(nèi)容保護（HDCP），以防止具有著作權(quán)的影音內(nèi)容遭到未經(jīng)授權(quán)的復(fù)制。HDMI規(guī)格書中定義了4種HDMI接口：TypeA、TypeB、TypeC和TypeD。標準的TypeA接口具有19個腳位，如圖所示。每個針腳的定義如圖所示。HDMI不僅可以滿足1080P的分辨率，還能支持DVDAudio等數(shù)字音頻格式，支持八聲道96kHz或立體聲192kHz數(shù)碼音頻傳送，是一種高清輸入接口。具有HDMI接口的設(shè)備有“即插即用”的特點，信號源和顯示設(shè)備之間會自動進行“協(xié)商”，自動選擇最合適的視頻/音頻格式。與DVI相比，HDMI接口的體積更小，DVI的線纜長度不能超過8米，否則將影響畫面質(zhì)量，而HDMI最遠可傳輸15米。只要一條HDMI纜線，就可以取代最多13條模擬傳輸線，能有效解決家庭娛樂系統(tǒng)背后連線雜亂糾結(jié)的問題。DP接口DP（DisplayPort）也是一種高清數(shù)字顯示接口標準，可以連接電腦和顯示器，也可以連接電腦和家庭影院。DisplayPort定義了兩種接口，全尺寸（FullSize，如圖所示）和迷你尺寸（Mini，如圖所示），兩種接口都有20針，但是迷你接口的寬度大約是全尺寸的一半。DisplayPort接口共定義了20個針腳DisplayPort接口具有高帶寬、高可擴展，以及內(nèi)容保護技術(shù)更可靠等特點。DisplayPort接頭的最長外接距離可以達到15米，接頭和接線的相關(guān)規(guī)格已為日后升級做好了準備，即便未來采用新的2X速率標準(21.6Gbps)，接頭和接線也不必重新進行設(shè)計。除實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的連接外，DisplayPort還可用作設(shè)備內(nèi)部的接口，甚至是芯片與芯片之間的數(shù)據(jù)接口。05.顯卡主要參數(shù)顯卡的主要參數(shù)（一）顯示芯片顯示芯片又稱圖形處理器GPU，它在顯卡中的作用，和CPU在電腦中的作用一樣。GPU讓顯卡減少了對CPU的依賴，并進行部分原本CPU的工作，尤其是在處理3D圖形時。GPU所采用的核心技術(shù)有硬件T&L（幾何轉(zhuǎn)換和光照處理）、立方環(huán)境材質(zhì)貼圖和頂點混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，GPU的主要廠商有NVidia和AMD。（二）開發(fā)代號開發(fā)代號是顯示芯片制造商為了便于顯示芯片在設(shè)計、生產(chǎn)、銷售方面的管理和驅(qū)動架構(gòu)的統(tǒng)一而對一個系列的顯示芯片給出的相應(yīng)的基本的代號。開發(fā)代號作用是降低顯示芯片制造商的成本、豐富產(chǎn)品線以及實現(xiàn)驅(qū)動程序的統(tǒng)一。同一種開發(fā)代號的顯示芯片使用相同的驅(qū)動程序，這為顯示芯片制造商編寫驅(qū)動程序以及消費者使用顯卡都提供了方便。（三）制造工藝GPU生產(chǎn)過程中，需要加工各種電路和電子元件，并制造導(dǎo)線連接各個元器件，通常其精度以nm(納米)來表示（1mm=1000000nm），精度越高，代表生產(chǎn)工藝越先進，在同樣的材料中可以制造更多的電子元件，連接線也越細，芯片的集成度越高，芯片的功耗也越小。微電子技術(shù)的發(fā)展與進步，主要是依靠不斷改進工藝技術(shù)，使得元器件的特征尺寸不斷縮小，集成度不斷提高，功耗不斷降低，最終實現(xiàn)器件性能的持續(xù)提高。1995年以來，芯片制造工藝不斷提高，從0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、0.09微米，再到主流的65納米、55納米、40納米、28納米、14納米、7納米等。（四）核心頻率顯卡的核心頻率是指顯示核心的工作頻率，在一定程度上可以反映出顯示核心的性能。在同樣級別的芯片中，核心頻率高的則性能要強一些，提高核心頻率是顯卡超頻的方法之一。但是顯卡的性能是由核心頻率、流處理器單元、顯存頻率、顯存位寬等多因素共同決定的，因此在顯示核心不同的情況下，核心頻率高并不代表此顯卡性能強勁。比如GTS250的核心頻率達到了750MHz，要比GTX260+的576MHz高，但在整體性能上GTX260+要強于GTS250。（五）顯卡BIOS與主板BIOS的作用一樣，顯卡BIOS也是用于存放顯示芯片與驅(qū)動程序之間的控制程序，此外還存有顯示卡的型號、規(guī)格、生產(chǎn)廠家及出廠時間等信息。計算機啟動時，通過顯示BIOS內(nèi)的一段控制程序，將這些信息顯示到屏幕上。早期顯示BIOS是固化在ROM中的，不可以修改?，F(xiàn)在的多數(shù)顯示卡采用了大容量的EPROM，即FlashBIOS

，可以通過專用的程序進行改寫或升級。顯卡的主要參數(shù)顯卡的主要參數(shù)（六）顯存顯示內(nèi)存的簡稱，其主要功能與內(nèi)存相同，即暫時儲存顯示芯片要處理的數(shù)據(jù)和處理完畢的數(shù)據(jù)。圖形核心的性能愈強，需要的顯存也就越多。在高級的圖形加速卡中，顯存不僅用來存儲圖形數(shù)據(jù)，而且還被顯示芯片用來進行3D函數(shù)運算。從早期的EDORAM、MDRAM、SDRAM、SGRAM、VRAM、WRAM等到今天廣泛采用的DDRSDRAM，顯存經(jīng)歷了很多代的發(fā)展。市場中所采用的顯存類型主要有SDRAM，DDRSDRAM，DDRSGRAM三種。SDRAM顆粒主要應(yīng)用在低端顯卡上，頻率一般不超過200MHz，在價格和性能上它比DDR都沒有什么優(yōu)勢，因此逐漸被DDR取代。DDRSDRAM是市場中的主流（包括DDR2和DDR3），一方面是工藝的成熟，批量的生產(chǎn)導(dǎo)致成本下跌，使得它的價格便宜；另一方面它能提供較高的工作頻率，帶來優(yōu)異的數(shù)據(jù)處理性能。DDRSGRAM，它是顯卡廠商特別針對繪圖者需求，為了加強圖形的存取處理以及繪圖控制效率，從同步動態(tài)隨機存取內(nèi)存（SDRAM）所改良而得的產(chǎn)品。SGRAM允許以方塊(Blocks)為單位個別修改或者存取內(nèi)存中的資料，它能夠與中央處理器(CPU)同步工作，可以減少內(nèi)存讀取次數(shù)，增加繪圖控制器的效率，盡管它穩(wěn)定性不錯，而且性能表現(xiàn)也很好，但是它的超頻性能很差勁，目前也極少使用。顯卡的主要參數(shù)（七）顯存位寬顯存位寬是顯存在一個時鐘周期內(nèi)所能傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)，位數(shù)越大則瞬間所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大，這是顯存的重要參數(shù)之一。目前市場上的顯存位寬有64位、128位和256位幾種，習(xí)慣上稱為64位顯卡、128位顯卡和256位顯卡。顯存位寬越高，性能越好，價格也就越高。因此256位寬的顯存更多應(yīng)用于高端顯卡，而主流顯卡基本都采用64和128位顯存。顯存帶寬＝顯存頻率×顯存位寬/8。在顯存頻率相當(dāng)?shù)那闆r下，顯存位寬將決定顯存帶寬的大小。顯卡的顯存是由一塊塊的顯存芯片構(gòu)成的，顯存總位寬同樣也是由顯存顆粒的位寬組成。顯存位寬＝顯存顆粒位寬×顯存顆粒數(shù)。顯存顆粒上帶有相關(guān)廠家的內(nèi)存編號，可以在網(wǎng)上查找其編號，就能了解其位寬，再乘以顯存顆粒數(shù)，就能得到顯卡的位寬。（八）顯存速度顯存速度一般以ns（納秒）為單位。常見的顯存速度有1.2ns、1.0ns、0.8ns等，越小表示速度越快、越好。顯存的理論工作頻率計算公式是：等效工作頻率（MHz）＝1000/（顯存速度×n）（n因顯存類型不同而不同，如果是GDDR3顯存則n=2；GDDR5顯存則n=4）。（九）顯存頻率顯存頻率一定程度上反應(yīng)了顯存的速度，以MHz（兆赫茲）為單位，顯存頻率隨著顯存的類型、性能的不同而不同；DDRSDRAM顯存能提供較高的顯存頻率，因此是采用最為廣泛的顯存類型，無論中、低端顯卡，還是高端顯卡大部分都采用DDRSDRAM，其所能提供的顯存頻率也差異很大，主要有400MHz、500MHz、600MHz、650MHz等，高端產(chǎn)品中還有800MHz或900MHz，乃至更高。顯卡的主要參數(shù)（十）流處理單元在DX10顯卡出來以前，并沒有“流處理器”這個說法。GPU內(nèi)部由“管線”構(gòu)成，分為像素管線和頂點管線，它們的數(shù)目是固定的。頂點管線主要負責(zé)3D建模，像素管線負責(zé)3D渲染。由于它們的數(shù)量是固定的，這將導(dǎo)致當(dāng)某個游戲場景需要大量的3D建模而不需要太多的像素處理時，會造成頂點管線資源緊張而像素管線大量閑置。在這樣的背景下，人們在DX10時代首次提出了“統(tǒng)一渲染架構(gòu)”，顯卡取消了傳統(tǒng)的“像素管線”和“頂點管線”，統(tǒng)一改為流處理器單元，它既可以進行頂點運算也可以進行像素運算，這樣，在不同的場景中，顯卡就可以動態(tài)地分配進行定點運算和像素運算的流處理器數(shù)量，達到資源的充分利用?，F(xiàn)在，流處理器的數(shù)量的多少已經(jīng)成為決定顯卡性能高低的一個很重要的指標，NVidia和AMD也在不斷地增加顯卡的流處理器數(shù)量使顯卡的性能跳躍式增長。（十一）3DAPI3DAPI是指顯卡與應(yīng)用程序直接的接口。程序員只需要編寫符合接口的程序代碼，就可以充分發(fā)揮顯卡的性能，不必再去了解硬件的具體性能和參數(shù)，這樣就大大簡化了程序開發(fā)的效率。同樣，顯示芯片廠商根據(jù)標準來設(shè)計自己的硬件產(chǎn)品，以達到在API調(diào)用硬件資源時最優(yōu)化，獲得更好的性能。有了3DAPI，便可實現(xiàn)不同廠家的硬件、軟件最大范圍兼容。目前個人電腦中主要的3DAPI有DirectX和OpenGL。DirectX是由微軟公司開發(fā)的用途廣泛的API，它包含有DirectGraphics(Direct3D+DirectDraw)、DirectInput、DirectPlay、DirectSound、DirectShow、DirectSetup、DirectMediaObjects等多個組件，在3D圖形方面有著優(yōu)秀表現(xiàn)，而今已發(fā)展成為對整個多媒體系統(tǒng)的各個方面都有決定性影響的接口。最新版本為DirectX12。OpenGL是O