Referat Die Grafikkarte - Basisaufbau einer Grafikkarte, Bustypen, 3D-Schnittstellen

Die Grafikkarte

Allgemeines:

Die Grafikkarte ist die Komponente eines Computers, die für die Bildschirmdarstellung zuständig ist. Sie entscheidet, besonders heute, über die Qualität und Geschwindigkeit der Grafikausgabe. Während es einer Grafikkarte vor ein paar Jahren noch Probleme bereitet hat, ein farbiges Bild mit einer geringen Auflösung darzustellen, so sind heute Auflösungen von 1600 x 1200 Bildpunkten bei 64000 oder mehr Farben selbstverständlich.

Basisaufbau einer Grafikkarte:

Wenn man sich eine Grafikkarte anschaut, so findet man immer 3 Komponenten:

Grafik-Chip

Bios-Baustein

Speicherbausteine

RAMDAC

Der Grafik-Chip:

Der Grafik-Chip ist der wichtigste Teil auf der Grafikkarte. Er befreit die CPU von allen grafikrelevanten Berechnungen und übernimmt diese. Erster richtiger 3D Chip 1996 von 3dfx, der Voodoo1. Die 3 Großen am Grafikchip-Mark sind im Moment nVidia mit seiner Geforce-Reihe, Ati mit seinen Radeon-Chipsätzen und ST mit seinen Kyro 1 und 2. Es kommen ca. alle 6 Monate neue Chips heraus, die wieder viel schneller sind und neue Features beinhalten. Grafikkarten-Hersteller gibt es wie Sand am Meer. Am verbreitesten sind Asus-, Guillemot-, MSI-Karten.

Der Bios-Baustein:

Eine Grafikkarte benutzt ihr eigenes BIOS, welches in einem ROM Chip gespeichert ist. Das Bios "verbindet" den Grafikprozessor mit dem System, und erlaubt eine Kommunikation untereinander. Das System "spricht" mit dem Bios, und dieses löst die Grafikfunktionen im Prozessor aus. Frühere Grafikkarten hatten kein eigenes Bios, die Funktionen wurden komplett vom Systembios ausgeführt. Doch die vielen neuen Grafikfunktionen machten ein "Gesamtbios" unmöglich. Da jede Grafikkarte (Grafikkartenchip) anders angesprochen wird, hätte im Systembios der Code für jede erdenkliche Grafikkartenkonfiguration vorhanden sein müssen. Im Grafikkarten-Bios sind Startinformationen wie Chip- und Herstellerkennung, Startlogo, Taktgeschwindigkeit, Spannungswerte und weitere Basis-Einstellungen.

Speicher-Bausteine:

Eine Grafikkarte besitzt auch einen eigenen Speicher der heutzutage auf handelsüblichen Grafikkarten durchaus 64 (128) MB Ram betragen kann. Es gibt verschieden Speicher Typen, die für Grafikkarten genutzt wurden bzw. werden. Einige waren Standart DRAMs, andere wurden speziell für die Anforderungen einer Grafikkarte (Durchsatz/Zugriffszeit) geplant und gebaut.

Außerdem findet man auf modernen Grafikkarten auch einen RAMDAC:

Der RAMDAC (RAM -Digital-Analog-Converter):

Der RAMDAC ist die Ausgangstufe der Grafikkarte. Hier werden die digitalen Informationen des Bildspeichers in ein Analogsignal umgewandelt, das vom Monitor dargestellt werden kann .Bis zu 400 Millionen mal pro Sekunde greift dieser Umwandler auf den Grafikspeicher zu und schickt die Werte auf dem Weg zum Monitor. Voraussetzung für ein perfektes Bild ist, dass die Grafikkarte von Pixel zu Pixel möglichst rasch den richtigen Spannungswert ausgibt. Man kann sagen, desto höher der RAMDAC getaktet ist, desto besser ist die Bildqualität. Für eine flimmerfreie Darstellung muß das Bild 85 mal pro Sekunde komplett neu aufbereitet werden.

Andere Bauteile:

Sei letztem Jahr findet man auf jeder neuen Karte einen TV-Encoder (meistens Booktree), der die digitalen Signale in analoge, für den Fernseher verständliche, Signale umwandelt.

Einen RMDS Transmitter Chip, der ein digitales Signal direkt zu einen digitalen Display schickt, wird aber noch eher selten verwendet.

Bustypen:

Heutzutage sind nur noch 2 Bustypen aktuell, die für Grafikkarten genutzt werden:

Der PCI Bus:

Er ermöglicht eine stabile und sehr schnelle Verbindung zwischen Highspeed Geräten und der CPU. Er ermöglichte außerdem den direkten Speicherzugriff (DMA= Direct Memory Access) ohne einen Befehl der CPU abwarten zu müssen. Geplant war, dass der PCI Bus 64bit (d. h. wie viele daten auf einmal gesendet werden können) breit ist und die Übertragungsgeschwindigkeit 66 MHZ beträgt. Beim Endverbraucher hat sich aber nur die 32bit/33 MHZ Version durchgesetzt.Er hat 132 mb/s Datendurchsatz. Der PCI Bus war bei seinem Erscheinen 1992 sehr schnell, bildet aber heutzutage ein Problem bei den immer höher werdenden Grafikanforderungen. Deshalb wurde für die Grafikkarte ein eigener Bustyp entwickelt.

Der AGP Bus (Accelerated Graphics Port):

Auf deutsch: beschleunigter Grafikkarten-Anschluß.

Die Idee hinter diesem Bus ist sehr einfach. Es sollte ein schneller, nur für die Grafikkarte zuständiger Anschluss geschaffen werden. AGP ist ein 32bit (32 Pins) breiter Bus, der mit 66 MHZ läuft. Ein weiteres Feature von AGP ist die Auslagerung von Daten in den Hauptspeicher des Rechners. Dort können z.B. Texturen für die Grafikdarstellung zwischengelagert werden. Mittlerweile gibt es 3 aktuelle  verschiedene AGP-Steckplätze auf den Hauptplatinen:

AGP 2x:

Wird nicht mehr verwendet. Die Bandbreite des AGP Busses kann nicht nur durch Erhöhung des Bustaktes vergrößert werden, sondern auch durch das Benutzen einer speziellen "Double Clocking" Technik. Dies erlaubt einer AGP Karte an beiden Enden eines Taktes 2 Signale zu senden, was die Bandbreite auf 533MB/sec. erhöht.

AGP 4x:

AGP 4x verdoppelt die Bandbreite erneut, indem er auf einer zweiten Welle ebenfalls 2 Signale pro Takt übertragt. Die Bandbreite beträgt dann 1.056MB/s. Ist der aktuellste AGP.

AGP Pro: Der AGP-Steckplatz ist länger, um spezielle Grafikkarten  mit Strom zu versorgen. (voodoo5, wildcat)

AGP Universal Slot: Auf ihn funktionieren 2xund 4xAGP Karten

Der neue AGP 8x steht bereits vor der Tür. Hier werden die Wellen pro Taktsignal noch mal verdoppelt. AGP 8x erreicht theoretisch eine Geschwindigkeit von 2.128MB/s. Er wird aber noch von keinem Chipsatz oder einer Grafikkarte unterstützt.

3D-Schnittstellen

sind die Verbindung zwischen Hard- und Software.

Vor ein paar Jahren mußte man sich noch für einen bestimmten Spielanbieter festlegen, wenn man Hardware kaufte. Es gab zu viele unterschiedliche Schnittstellen, deswegen mußte man sich auf etwas festlegen. Bis heute haben sich 2 Schnittstellen durchgesetzt:

DirectX und OpenGL.

DirectX:

DirectX ist eine Programmierschnittstelle. Über diese Schnittstelle kommuniziert das Spiel mit der Hardware des PC-Systems. Sie gibt Programmierern allgemeinen Zugriff auf Grafikprozessoren. DirectX besteht aus mehreren Teilbereichen für verschiedenste Zwecke. (DirectAudio für den Sound, DirectInput zur Kommunikation mit Joysticks etc. )Ein Teilbereich ist Direct3D. Dieses regelt den Hardwarezugriff auf die 3D Prozessoren (z.B.:  Drehe Dreieck, Rendere Dreieck mit Textur C,D,E usw.) Diese Funktionen erleichtern das Leben der Programmierer enorm. Die neueste Version ist DirectX 8.1. Sie beinhaltet viele neue Effekte, Funktionen und Möglichkeiten. In Entwicklung: 9.0

OpenGL:

Open GL wurde eher für professionelle Programme als für Spiele entwickelt. Allerdings gibt es genug Spielessoftware, die über Open GL läuft. Open GL ist eine Programmierschnittstelle innerhalb des Betriebssystems. Open GL ermöglicht es 3D-Anwendungen und Objekte, bei möglichst guter Ausnutzung der Grafikhardware geräteunabhängig zu programmieren und darzustellen.3D-Karten mit OpenGL-Treiber werden direkt unterstützt. OpenGL entwickelte sich aus einem 3D-Schnittstelle von SiliconGraphics (heute SGI) und wird von einer Gruppe verschiedener Firmen weiterentwickelt.
Microsofts 3D-API DirectX hat OpenGL ab der 8.0er Version integriert.
Für den Programmierer bietet OpenGL den Vorteil der einfacheren Erlernbarkeit. Open GL wir von jeden Betriebssystem unterstützt. Aktuelle Version 1.3. In Entwicklung: 1.4 und 2.0

Einige Begriffe:

Textur: Bild, das auf ein Dreieck aufgetragen wird. Definiert die

Oberflächenstruktur von Objekten und Landschaften.

Pixel: d: Bildpunkt. Kleinste Einheit zur Bilddarstellung auf Bildschirmen

Dreieck: Grundelement, aus dem jede dreidimensionale Spielewelt und die Objekte aufgebaut werden. Wird meist als Polygon (Vieleck) bezeichnet.

Pixel-Shading: pixelgenau 3D Effekte. Bei DX8:  "Pixel Shader"

Anti-Aliasing: Gleichzusetzen mit Kantenglättungsverfahren.

Füllrate: Maß für die Zeichengeschwindigkeit eines Grafikchip. Kann in

Pixel oder Texel ausgedrückt werden.

Bumb Mapping: Verfahren zur realistischen Darstellung von

Polygonoberflächen. Sehr rechenaufwendig

Texel:Jedes Texel besitzt einen Farbwert, der wichtig für das letztendliche

Aussehen einer Spielfigur/ eines Objektes.

3D-Engline:Wichtiger Bestandteil der Spiele-Engine, verantwortlich für

dir Darstellung der Spieldaten. Bekannte 3D-Engines sind

die Quake-, Unreal-, und Lithtech-Engine.

T&L: Transform & Lighting. Mathematische Berechnungen, welche

das Spiel mit jedem Dreieck des Spiels durchführt.