Dokumentation Grafikkarte

Lerndokumentation
Grafikkarte
Ausbildung
Vorlehre Informatik
Lerndokumentation
Grafikkarte
Bild: Aktuelles Flaggschiff von Asus, GTX-690 Dual-GPU mit 2 x 2GB GDDR5
Autor: Ramon Schenk
Lerndokumentation
Arbeitsspeicher
Ausbildung
Vorlehre Informatik
Inhaltsverzeichnis
1
Übersicht Dokumentation ....................................................................................... 2
2
Die Grafikkarte und ihre Verwendung.................................................................... 2
3
Signalausgänge einer Grafikkarte .......................................................................... 2
4
5
3.1
VGA & Mini-VGA ........................................................................................................... 2
3.2
DVI & Mini-DVI .............................................................................................................. 2
3.3
HDMI ............................................................................................................................. 2
3.4
DisplayPort .................................................................................................................... 2
3.5
S-Video & Component-Out ............................................................................................ 2
Die verschiedenen Grafiklösungen ........................................................................ 3
4.1
OnBoard Lösungen ....................................................................................................... 3
4.2
Enterprise/Business Lösungen ...................................................................................... 3
4.3
Gaming Lösungen ......................................................................................................... 3
4.4
Profi Lösungen .............................................................................................................. 3
Aufbau einer Grafikkarte ......................................................................................... 3
5.1
Speicher ........................................................................................................................ 3
5.2
GPU .............................................................................................................................. 3
5.3
Schnittstellen zum System ............................................................................................. 4
5.4
Kühlung ......................................................................................................................... 4
5.5
RAMDAC ....................................................................................................................... 4
5.6
SLI & CrossFire ............................................................................................................. 4
6
Geschichte der Grafikkarte ..................................................................................... 5
7
Reflektion ................................................................................................................. 5
7.1
Fach- und Methodenkompetenz .................................................................................... 5
7.2
Selbst- und Sozialkompetenz ........................................................................................ 5
Lerndokumentation: Grafikkarte
s
18.10.12
Seite 1 von 5
Lerndokumentation
Arbeitsspeicher
Ausbildung
Vorlehre Informatik
1 Übersicht Dokumentation
Ausbildungsbereich:
Grundlagen in der Informatik
Arbeit / Projekt / Thema:
Die Grafikkarte
Name, Ort und Datum:
Ramon Schenk, Bern, 07. Mai 2012
2 Die Grafikkarte und ihre Verwendung
Die Grafikkarte ist dafür verantwortlich dass wir visuell mit dem Computer interagieren können. Ohne Grafikkarte bzw. Grafik
Chipsatz bei OnBoard Lösungen, hätten wir keine Möglichkeit den Monitor mit Bildern und Farben zu versorgen. Ein Programm
veranlasst den Prozessor dazu, Daten zu berechnen, und diese an die Grafikkarte weiterzuleiten. Die Grafikkarte wandelt alles um,
so dass wir auf dem Monitor etwas sehen können, und so die Möglichkeit haben den PC zu steuern.
3 Signalausgänge einer Grafikkarte
3.1
VGA & Mini-VGA
VGA „Video Graphics Array“ überträgt mit 15 Polen ein analoges RGB-Signal an den Bildschirm. Bei beschränktem Platzangebot
wird auf den Mini-VGA Anschluss zurückgegriffen, wie z.B bei einem Apple iBook oder anderen Notebooks.
VGA:
3.2
Mini-VGA:
DVI & Mini-DVI
DVI „Digital Visual Interface“, ist der Nachfolger von VGA, und ist bei heutigen Flat-Screens und Grafikkarten am meisten verbreitet.
DVI existiert als DVI-D (Ausschliesslich Digital) und DVI-A (Ausschliesslich Analog). DVI-D gibt es als Single und Dual-Link
Variante, letztere hat doppelt so viele Datenleitungen und hat dadurch eine grössere Bandbreite, welche für Bildschirmauflösungen
jenseits von 1920 x 1200 (WUXGA) unabdingbar ist, dabei wird eine Bildwiederholfrequenz von mindestens 60 Hertz gewährleistet.
Wie bei VGA bietet auch DVI eine Mini Variante für kompakte Geräte wie Notebooks.
DVI:
3.3
Mini-DVI:
HDMI
HDMI „High Definition Multimedia Interface“ wird seit 2007 auch in Grafikkarten als Ausgang verbaut.
Ursprünglich in der TV & Unterhaltungselektronik beheimatet hat sich HDMI auch im PC Bereich durchgesetzt, die meisten
zeitgemässen Grafikkarten und Notebooks verfügen über diesen Ausgang, um beispielsweise einen TV als Bildschirm zu nutzen.
HDMI unterstützt auch das DVI-D Signal, kann im Gegensatz zu DVI jedoch auch Tonsignale übertragen und verschlüsselte Inhalte
mittels HDCP „High-bandwith Digital Content Protection“ übertragen was bei DVI-D nur bei gewissen Modellen & Herstellern
möglich ist. HDCP ist ein verzweifelter Versuch der Rechteverwerter ihre Medien zu schützen. Man kann ihnen dabei nur viel Erfolg
wünschen.
HDMI Port:
3.4
DisplayPort
Der DisplayPort ist relativ neu, er überträgt sowohl Bild als auch Tonsignale. DisplayPort ist kompatibel mit VGA, DVI und HDMI.
Des Weiteren unterstützt der DisplayPort HDCP und ein eigenes Kopierschutzverfahren DPCP „DisplayPort Content Protection“.
Das grössere Farbspektrum und die hohen Auflösungen sind die Stärke des DisplayPort. Momentan ist der DisplayPort mehrheitlich
im Profisegment vorhanden, eine Verbreitung im Office und Heim Sektor ist jedoch in Zukunft nicht auszuschliessen.
DisplayPort:
3.5
S-Video & Component-Out
Neben den oben genannten Ausgängen gibt es noch gewisse Anschlüsse die eher selten anzutreffen sind, bzw. in der Regel
zusätzlich zu VGA/DVI/DP/HDMI als „Extra“ in den Grafikkarten und Notebooks verbaut waren/sind. Dazu gehört unter anderem der
Video-Out bzw. S-Video Port, dieser kann mit einem Fernseher oder Projektor gekoppelt werden. Leider ist die Signalqualität von
S-Video ziemlich bescheiden, was unter anderem daran liegt das es sich um ein analoges Signal handelt, und die meisten
Grafikkarten nicht das Bestmögliche aus diesem Ausgang rausholen. Ein Weiterer Ausgang ist der Component-Out, oder wie ich
gerne sage: „Die Chinch Variante von HDMI“ dieser Ausgang ist aus Platzgründen jedoch selten direkt auf der Grafikkarte zu
finden.
S-Video
Component-Out:
Lerndokumentation: Grafikkarte
s
18.10.12
Seite 2 von 5
Lerndokumentation
Arbeitsspeicher
Ausbildung
Vorlehre Informatik
4 Die verschiedenen Grafiklösungen
Es gibt verschiedene Grafik Lösungen, je nach Einsatzgebiet bzw. Anforderungen des Users. Denn gute Grafikleistung ist immer
auch ein Kostenpunkt, und ein Office PC benötigt bei weitem nicht so viel Leistung wie es ein PC für Gaming, CAD oder GrafikDesign benötigt.
4.1
OnBoard Lösungen
OnBoard Lösungen haben den Vorteil dass sie günstig, kompakt und zuverlässig sind, zudem haben sie einen geringen
Stromverbrauch was den Einsatz vor allem bei Notebooks oder Embedded PCs sinnvoll macht. Bei extrem minimalistischen
Varianten verzichten die Hersteller sogar auf den Grafikspeicher und nutzen stattdessen einen Teil des Arbeitsspeichers.
Die Leistung solcher OnBoard-Grafik-Chipsätze ist beschränkt, es werden zwar alle 2D-Funktionen unterstützt, im 3D Bereich sind
sie, in der Regel, bestenfalls „ausreichend“ und können einer richtigen Grafikkarte mit eigenem Speicher nicht das Wasser reichen.
Diese Lösung empfiehlt sich in Bereichen mit geringer Anforderung an die Grafikleistung wie z.B Office Workstations, oder bei
mobilen Geräten bei denen der geringe Stromverbrauch von Vorteil ist.
4.2
Enterprise/Business Lösungen
Hierbei handelt es sich um vollwertige Grafikkarten, bei denen man bewusst weniger auf die 3D Funktionen geachtet hat, sondern
vor allem auf ein scharfes und kontrastreiches Bild, welches auch nach längerem betrachten noch angenehm wirkt. Es gibt auch
Lösungen mit 3D Zusatzfunktonen für 3D-Anwendungen die entsprechende Grafikleistung erfordern. Diese Karten werden nach
den Bedürfnissen des Kunden ausgewählt und sind in der Regel günstiger als die „Allrounder-Karten“ für den Heim & Multimedia
gebrauch.
4.3
Gaming Lösungen
Gaming Grafikkarten sind das wichtigste Segment der Kartenhersteller, die Zukunft entsteht in der Regel hier und findet ihren Weg
in die anderen Segmente. Die Preislage liegt zwischen 100 und 1400 Franken. (Grafikkarte auf dem Titelblatt: 1111.-).
Diese Grafikkarten zeichnen sich durch viel Grafikspeicher und eine Schnelle GPU aus, je nach Ausstattung beanspruchen solche
Geschosse auch gerne mal zwei Steckplätze.
Zurzeit gibt es zwei wichtige Chiphersteller, NVIDIA mit der GeForce Reihe und AMD (ehemals ATI) mit der Radeon Serie.
Verschiedenste Hardware Hersteller verbauen die NVIDIA oder AMD Grafikchips dann auf ihren Grafikkarten. Wichtig bei diesen
Grafikkarten ist die Direct3D Unterstützung. Direct3D ist unter Windows dafür verantwortlich das 3D Games & Programme so
dargestellt werden wie wir es kennen. Alternativ dazu bietet sich noch die OpenGL Grafik-API, welche einen etwas grösseren
Funktionsumfang als Direct3D bietet, jedoch spielt OpenGL im Gaming-Segment nur noch eine untergeordnete Rolle.
4.4
Profi Lösungen
Profi Grafikkarten erkennt man meistens daran, dass sie unscheinbar aussehen und ein halbes vermögen kosten. Oder auch an der
Anzahl bzw. Art der Ausgänge. Im Gegensatz zu Gaming Grafikkarten verzichtet man weitgehend auf ein schönes Äusseres und
legt den Schwerpunkt unter anderem auf die Ausgänge und die Funktionen des Grafikchips. Auch hier konkurrieren AMD und
NVIDIA, AMD mit der FireGL und Nvidia mit der Quadro FX. Die Profikarten sind Derivate von Gaming Karten, ein Unterschied liegt
darin, dass die Karten für OpenGL optimiert sind. Der Preis lässt sich durch die Verwendung der teuren SRAM und umfangreichen
Support rechtfertigen, zudem sind die meisten Profikarten mit mehreren DisplayPorts ausgestattet was einen höheren Farbumfang
bietet. Diese Karten sind ideal für CAD und GIS Anwendungen. Ein Beispiel wäre die NVIDIA Quadro FX5800, mit 4096MB
GDDR-3 RAM (nicht GDDR-5), sie besitzt 2x VGA, 2x DVI-I, 1x DisplayPort und kostet um die 6000.-.
5 Aufbau einer Grafikkarte
Eine Grafikkarte ist an und für sich schon fast ein Computer für sich, sie besitzt eigenen Speicher, eine Zentrale Recheneinheit,
die GPU, und einen eigenen kleinen Chipsatz. Das alles ist nötig um den heutigen Anforderungen die wir an die Grafik stellen
gerecht zu werden.
5.1
Speicher
Der Grafikspeicher ist ähnlich wie der Arbeitsspeicher dafür verantwortlich Daten zwischen zu speichern die für die
Grafikdarstellung nötig sind, darunter fallen z.B Texturen welche viel Platz beanspruchen. Was die Grösse des Speichers angeht,
sind für Gaming Karten 1024, 2048, 3072 oder sogar 2x 2048MB GDDR5 RAM normal. Profi Karten gibt es mit bis zu 16GB
Speicher. OnBoard Lösungen bedienen sich auch gerne mal am PC eigenen Arbeitsspeicher (Shared Memory).
5.2
GPU
Die GPU „Graphics Processing Unit“ ist zuständig für verschiedene Grafikberechnungen. Heutzutage sind einige GPUs der
Rechenleistung von CPUs überlegen, es ist auch möglich sie zu übertakten.
Lerndokumentation: Grafikkarte
s
18.10.12
Seite 3 von 5
Lerndokumentation
Arbeitsspeicher
5.3
Ausbildung
Vorlehre Informatik
Schnittstellen zum System
Die allerersten Grafikkarten, meist noch „Grafikbeschleuniger“ genannt wurden noch über die mittlerweile veraltete ISA Schnittstelle
in den PC eingebaut, es folgten Grafikkarten die man in den PCI Slot einbauen konnte, danach war die AGP Schnittstelle lange Zeit
die meist verwendete Lösung. Mittlerweile hat PCIe16x diesen Platz eingenommen und hat sich auch etabliert.
5.4
Kühlung
Genau wie eine CPU muss auch die GPU gekühlt werden um die Energie die durch elektrischen wiederstand erzeugt wird
abzuleiten. Je nach Leistung und Einsatzgebiet kann es ausreichend sein die GPU Passiv zu kühlen, in der Regel sind Passiv
gekühlte Karten die günstigere Wahl und eher für Multimedia, Office und Freizeit PCs gedacht. Durch den Öko-Wahn in den letzten
Jahren haben sich auch sogenannte „Green-Cards“ auf dem Markt verteilt, diese stromsparenden, passiv gekühlten und in
Recycling-Verpackung gehüllten Grafikkarten sind im Grunde genommen nicht besser oder schlechter als andere Passiv gekühlten
Karten, aber können je nach Gesinnung besser für das Gewissen sein. Je mehr Leistung, desto mehr Wärme wird produziert, daher
sind leistungsfähige Grafikkarten in der Regel mit einem oder mehreren Lüftern versehen. Die Drehzahl der Lüfter richtet sich nach
der Temperatur und der Beanspruchung der GPU. Es ist auch möglich eine Grafikkarte mit Wasser zu kühlen, die Meisten
Bausätze für Wasserkühlung beinhalten auch einen Kühleraufsatz für die GPU.
5.5
RAMDAC
RAMDAC „Random Access Memory Digital / Analog Converter) ist ein Chip, dessen Job es ist digitale Signale aus dem
Videospeicher in analoge für den Monitor umzuwandeln. Von RAMDAC werden die Signalausgänge angesteuert, er kann auch in
der GPU integriert sein.
5.6
SLI & CrossFire
SLI „Scalable Link Interface“ ist nicht direkt ein Bestandteil einer Grafikkarte sondern eine Technik von NVIDIA die es ermöglicht bis
zu 4 Grafikkarten in einem PC zu verbauen. Früher bedeutete der Begriff SLI „Scan Line Interleave“ und ermöglichte die Kopplung
mehrerer Grafikchips bei 3dfx Karten. (Siehe Bild). AMD hat ein ähnliches System welches sich CrossFire nennt.
Bild: Voodoo5 6000 Prototyp mit 4x GPU
Lerndokumentation: Grafikkarte
s
18.10.12
Seite 4 von 5
Lerndokumentation
Arbeitsspeicher
Ausbildung
Vorlehre Informatik
6 Geschichte der Grafikkarte
1981
kam die erste Grafikkarte für IBM-PC auf den Markt, sie ermöglicht die einfarbige Darstellung von Text und galt als MDA
„Monochrome Display Adapter“.
1982
erschien eine sehr viel bessere Karte von der Firma Hercules, die Hercules Graphics Card.
Es folgten CGA Grafikkarten „Color Graphics Adapter“ die eine Palette von 16 Farben boten.
1984
kam die EGA Karte „Enhanced Graphics Adapter“ welche CGA ablöste, EGA bot 64 Farben insgesamt.
1987
folgte dann VGA „Video Graphics Array“. VGA bot eine Palette von 262‘144 Farben. Jede heutzutage verbaute
Grafikkarte unterstützt VGA deshalb wird auch der „Abgesicherte Modus“ bei Windows so dargestellt.
Später legte die VESA „Video Electronics Standards Association“ einen Standard für Videomodi bis zu einer Auflösung
von 1280 x 1024 Punkten und 16 Bit Farbtiefe fest, dieser Standard wird von jeder neueren Grafikkarte unterstützt.
1991
erschienen erste Grafikkarten die man als eigenständige kleine Computer mit eigener GPU betrachten kann, dies war vor
allem wichtig für die grafische Benutzer Oberfläche GUI von Windows.
1995
folgten Funktionen zur Beschleunigung von Videoformaten wie z.B .AVI und das Dekodieren von komprimierten
Videodaten wie z.B .MPEG, auch Videobeschleunigung genannt. Vorher wurde dies durch separate „Beschleuniger“Karten verwirklicht.
1996
Nachdem das Videospiel Doom auf den Markt kam, welches man im weitesten Sinne als eines der ersten 3D Spiele
bezeichnen kann, begann der Boom der 3D-Beschleuniger, vor allem 3dfx etablierte sich hier mit ihrem Voodoo Grafik
Chipsatz, bald darauf wurde 2D Grafikkarte und 3D Beschleuniger in einer Karte vereint und die Moderne Grafikkarte wie
wir sie heute kennen wurde zum Standard.
7 Reflektion
7.1
Fach- und Methodenkompetenz
Ich habe vertiefte Kenntnisse über Grafikkarten und deren Funktion erlangt die ich vorher nicht hatte. Vor allem was DisplaPort und
Profi Karten angeht habe ich viel gelernt, über die internen Abläufe in einer GPU bzw. die verschiedenen Architekturen etc. könnte
man ein Buch füllen, ich habe mich jedoch auf die wenigen Seiten hier beschränkt, und hoffe das wichtigste erwähnt zu haben.
Besonders die rasante Entwicklung der GPUs ist beeindruckend, vor allem wenn man bedenkt das einige GPUs schon mehr
Leistung haben als die meisten CPUs.
7.2
Selbst- und Sozialkompetenz
Dieses Thema ist mir relativ leicht gefallen, da ich in der Abklärung bereits eine kleine Hardware Dokumentation über Grafikkarten
geschrieben habe und schon relativ viel wusste. Trotzdem ist es immer wieder erstaunlich wie schnell sich die Hardware im
Grafikbereich entwickelt. Zudem habe ich eine Schwäche für das Design der Grafikkarten, auch wenn sie intern verbaut werden
sind einige Exemplare rein optisch ein Kunstwerk für sich. Das Thema hat mich auch in eine Nostalgische Grundstimmung versetzt,
da zu meiner Schulzeit eine gute Grafikkarte noch ein Statussymbol war, und ich deshalb immer den neusten Modellen
nachgerannt bin.
Besonderes und Bemerkung: _____________________________________________________
Der Ausbilder – Ort und Datum: ___________________________________________________
Benotung und Kommentar: _______________________________________________________
Lerndokumentation: Grafikkarte
s
18.10.12
Seite 5 von 5