Die Grafikkarte
Grundsätzliches Eine Grafikkarte steuert die Bildschirmanzeige eines Personal-Computers. Grafikkarten werden entweder als PC-Erweiterungskarten über ISA (Industry Standard Architecture), VESA (Video Electronics Standards Association), PCI (Peripheral Component Interconnect), AGP (Accelerated Graphics Port) oder PCI-Express -Bussysteme mit der Hauptplatine (Mainboard) verbunden oder die Chipsets sind bereits auf der Hauptplatine integriert (onBoard).
Geschichte Das Grafikkarten-Prinzip wurde in Serienprodukten zum ersten Mal beim Mikrocomputer Apple II verwendet, dessen auf der Hauptplatine integrierten Grafikfähigkeiten durch eine zusätzliche Steckkarten verbessert werden konnte. Der erste IBM PC kam 1981 mit einer Karte auf den Markt, die einfarbige Darstellung von Text ermöglichte. Die Firma Hercules erkannte die Lücke und bot schon 1982 eine (ebenfalls einfarbige) Karte an, mit der die Pixel des Textmodus einzeln angesteuert werden konnten.
Bis 1989 setzten sich die Farb-Grafikkartentypen als Standards durch, die IBM neu auf den Markt brachte.Ab da hatte IBM die Standardisierungsmacht verloren. Das ist der Hintergrund, warum auch heute noch der VGA-Modus (640 × 480 Punkte in 16 Farben) der "Not-Modus" bei allen PCs ist, denn nur bis zu diesem Modus kann die Hardware aller PC-Grafikkarten von der Software auf einheitliche Weise angesprochen werden.Die weiteren Bezeichnungen SVGA, XGA usw. sind keine Grafikkartenstandards, sondern Kurzbezeichnungen für Bildschirmauflösungen, z. B. XGA: 1024 × 768 Punkte.
Bis 1990 beschränkte sich der Einsatzgebiet der Grafikkarten darauf, lediglich digitale Videodaten in analoge umzuwandeln, die an den Monitor weitergeschickt worden sind. Der Programmierer konnte im wesentlichen nur den Textmodus nutzen sowie im Grafikmodus einzelne Pixel auf eine bestimmte Farbe legen. Dies war die erste Generation der Grafikkarten.
Heutzutage kann man zwischen drei Typen von Grafikkarten unterscheiden
1. Onboard-Chips: Diese haben meist nur 2D-Funktionen (meistens auch stark veraltete 3D-Funktionen), erlauben aber auf einem Monitor meist ein Bild hoher Qualität (1600x1200 Pixel in 4 Byte Farbtiefe, s. g. 8 MB-Framebuffer). Solche Chips werden meist von der Firma S3 gefertigt.
2. Karten für den Business-Bereich: Diese Karten haben höchstens 32 MB Video-RAM, bieten 2D- und 3D-Funktionen (letztere jedoch nicht in der Leistung von Spieler-Karten), ein sehr scharfes Bild auf dem Monitor oder TV, und die Möglichkeit, mehrere Monitore – oder auch TV-Geräte für Präsentationen – zeitgleich anzusteuern. Diese Karten stammen meist von der Firma Matrox.
3. Karten für Computerspiele: Diese Grafikkarten gibt es in allen Preislagen. Die Karten stellen das technisch Machbare im Bereich 3D-Darstellung dar. Die neuesten Entwicklungen im Jahre 2005 sind hier mehrfache Vertex-Shader und Pixel-Shader, Mehrfach-Antialiasing und Transform and Lighting, sowie Anisotropes Filtern. Die Bildschärfe und vor allem die TV-Ausgabequalität können selten mit den Business-Karten mithalten. Bei Spielekarten konkurrieren hauptsächlich ATI und NVidia mit Chipsätzen, die allerdings auf einer Vielzahl von Grafikkarten anderer Firmen verbaut werden. Eine gewisse Außenseiterrolle nimmt Matrox mit der Parhelia-Karte ein, mehrere weitere Mitbewerber sind inzwischen aus diesem Markt ausgestiegen.
Grafikkarten
Grafikprozessor Der Grafikprozessor (englisch Graphics Processing Unit) dient zur Berechnung der Daten für die Bildschirmausgabe.Der Grafikprozessor übernimmt rechenintensive Aufgaben der 3D-Computergrafik und entlastet dadurch den Hauptprozessor (CPU). Die freigewordene Prozessorzeit kann somit für andere Aufgaben verwendet werden.
Die wichtigsten Faktoren für einen Grafikprozessor sind:- GPU Takt
- Transistoranzahl
- Anzahl der Pixel Pipelines
- Pixel- und Vertex-Shaderanzahl (dienen zur realistischeren Oberflächendarstellung in Spielen)
Aktuelle Grafikprozessoren:ATI und nVidia übertreffen sich jedes Jahr mit immer leistungsfähigeren Grafikprozessoren.Der aktuellste von ATI heißt R480 und der von nVidia, NV45.
| | ATi R480 | nVidia NV45 | | Herstellung | 160 Mill. Tr. in 130nm low-k | 222 Mill. Tr. in 130nm | | Technologie-Klasse | DirectX9 Shader 2.0 | DirectX9 Shader 3.0 | | Vertex Shader | 6 | 6 | | Pixel-Pipelines | 16 | 16 | | Speicheranbindung | 256 Bit | 256 Bit |
Grafikspeicher Der Grafikspeicher dient zur Ablage der im Grafikprozessor verarbeiteten Daten. Dies sind digitale Bilder, die dann auf dem Monitor ausgegeben werden. Die Größe des Grafikspeichers bestimmt die Bildauflösung und maximale Farbtiefe.Im Moment sind Grafikkarten mit Grafikspeicher mit bis zu 512 MB erhältlich, üblich sind jedoch 128 MB.Zwei wichtige Faktoren beeinflussen die Mindestanforderung an Grafikspeicher.
Auflösung:Mit Bildauflösung bezeichnet man die Anzahl der Bildpunkte pro Zeile (horizontal) und Spalte (vertikal) die dargestellt werden können.Übliche Auflösungen sind:
| Grafikmodus | Auflösung | | VGA (Video Graphics Array) | 640 × 480 | | SVGA (Super VGA) | 800 × 600 | XGA (Extended Graphics Array) | 1024 × 786 | | SXGA (Super XGA) | 1280 × 1024 | | UXGA (Ultra XGA) | 1600 × 1200 |
| Farbtiefe: Die Farbtiefe gibt bei digitalen Bildern die Menge der verfügbaren Farbinformationen in Bit pro Pixel an.Bei einer Farbtiefe von n Bit können 2^n verschiedene Farben angegeben werden. Die verfügbaren Bit werden auf die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau aufgeteilt.Das heisst bei 24 Bit gibt es 16.777.216 mögliche Farben die sich aus jeweils 256 verschiedenen Anteilen an rot, grün und blau zu je 8 Bit zusammensetzten.24 Bit stellt die maximale Anzahl an Farben dar, die das menschliche Auge unterscheiden kann.Eine 32 Bit-Farbtiefe kann auch 16.777.216 Farben erzeugen,hat aber noch einen 8 Bit Alphakanal, der für die Transparenz zuständig ist.Mit einer simplen mathematischen Formel lässt sich berechnen, wie viel Grafikspeicher nötig ist um eine Auflösung in einer bestimmten Farbtiefe sinnvoll zu erlauben.
Formel: horizontal x vertikal, z.B. 1024 x 768=>VRAM: horizontal * vertikal * (gewünschte bitfarbtiefe/8) / 1048576 MB.
Es sind also mindestens 3 MB Speicher erforderlich um XGA mit 32 Bit unterstützen zu können. |
Direct Memory Access (DMA) Die DMA-Technik erlaubt angeschlossenen Geräten, wie Grafikkarte oder Soundkarte, ohne Umweg über die CPU direkt mit dem Arbeitsspeicher zu kommunizieren. Die erste Grafikkarte die DMA unterstützt gab es schon anfangs der 1990er für den VESA-Bus.Der Vorteil der DMA-Technik ist die schnellere Datenübertragung bei gleichzeitiger Entlastung des Prozessors.
RAMDAC (Random-Access-Memory-Digital-Analog-Converter) Ein RAMDAC (Random Acces Memory Digital/Analog Converter) ist ein Chip auf der Grafikkarte, der für die Umwandlung von digitalen (Videospeicher) in analoge Bildsignale (Monitor) verantwortlich ist.Er enthält neben einem kleinen statischen Speicher, in dem Farbtabellen abgelegt sind, drei D/A-Wandler (für je eine der Grundfarben rot, grün, blau). Jeder dieser D/A-Wandler setzt den digitalen Farbwert für eine Grundfarbe mit Hilfe der Farbtabelle in einen, für den Monitor verständliche analogen Spannungswert um.Der RAMDAC ist entweder auf dem Grafikchip oder als externer Baustein realisiert.Das Leistungsmerkmal des RAMDAC ist die Pixelfrequenz, also die Anzahl der Pixel die der RAMDAC pro Sekunde umwandeln kann. Je höher die Geschwindigkeit des RAMDAC, desto höher kann die Auflösung bzw. die vertikale Bildwiederholfrequenz gewählt werden. Heutzutage besitzen so gut wie alle RAMDACs eine interne Frequenz von 400 MHz.
Grafikschnittstellen
Software-Grafikschnittstellen Die bekanntesten Software-Grafikschnittstellen sind DirectX und OpenGL, die es dem Programmierer ermöglichen, einfach und unabhängig von der Grafikkarte 3D-Effekte zu erzielen. Die Grafikschnittstellen setzen keine 3D-Funktionen bei der Grafikkarte voraus, nutzen diese aber (teils), falls sie vorhanden sind. 3D-Spiele können somit auch im Prinzip auf Computern mit Onboard-Grafik oder einer sehr schwachen 3D-Karte laufen, jedoch langsam und "ruckelig". Sehr aufwändige Spiele nutzen zusätzlich zur Grafikschnittstelle noch spezifische, neue Funktionen der Grafikkarte und arbeiten daher nur auf einer Karte mit speziellen Grafikchips.
| Bekannte Software-Grafikschnittstellen | | OpenGL | OpenGL (Open Graphics Library) ist eine Spezifikation für ein plattform- und programmiersprachenunabhängiges API (Application Programming Interface) zur Entwicklung von 3D-Computergrafik. Der OpenGL-Standard beschreibt etwa 250 Befehle, die die Darstellung komplexer 3D-Szenen in Echtzeit erlauben. Hersteller können jedoch auch eigene Erweiterungen definieren. | | DirectX | DirectX ist eine Sammlung von Application Programming Interfaces (APIs) für Multimediaprogramme auf der Windows-Plattform seit Windows 95. Es wird vorrangig zur Darstellung komplexer 2D- und 3D-Grafik benutzt. Es bietet aber auch Unterstützung für Audio, diverse Eingabegeräte (z.B. Maus, Joystick) und Netzwerkkommunikation. | | Glide | Glide ist eine, von 3dfx eingeführte, Grafikschnittstelle für Voodoo-Grafikkarten, die vor allem aufgrund ihrer einfachen Einbindung schnell Verbreitung fand. Sie konnte sich auf Dauer allerdings aufgrund der Beschränkung auf 3dfx-Hardware nicht durchsetzen. | | X11 | Das X Window Systemist eine Sammlung von Protokollen und Computerprogrammen zur Ansteuerung grafischer Bildschirme im Allgemeinen und zur Anzeige einer grafischen Benutzungsoberfläche vor allem unter Unix-Systemen. |
Hardware-Grafikschnittstellen
| Es gibt folgende Anschlüsse | | Es gibt folgende DVI-Typen | - VGA-Anschluss (Analog)
- DVI (Digital Visual Interface)
- TV-Out (für Fernseher, analog)
- S-Video-Anschluss
- Composite
| | - DVI-I (integrated)
- DVI-D (digital)
- DVI-A (analog)
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Üblich sind nur DVI-I und DVI-D, DVI-A ist eher unüblich. DVI-I überträgt sowohl analoge, als auch digitale Video- und Grafikdaten. Dagegen überträgt DVI-D nur die digitalen Informationen. Mit einem DVI-I auf VGA Adapter ist es möglich, einen handelsüblichen VGA-Bildschirm an einer DVI-Schnittstelle zu betreiben.
Virtuelle Grafikschnittstelle Eine Sonderform ist die virtuelle Grafikkarte, die dem Betriebssystem eines Computers mit einer Gerätetreibersoftware eine Grafikkarten-Hardware vortäuscht, bzw. emuliert. Als Software fehlt dieser jedoch die oben genannten Hardware-Grafikschnittstellen. Stattdessen sendet die virtuelle Grafikkarte die Bildschirmdaten über eine Netzwerkverbindung.
Unterschiede zwischen AGP und PCI-Express Die gängigen Grafikports werden als AGP und PCI-E bezeichnet und unterscheiden sich überwiegend durch ihre Konzeption und ihre technischen Möglichkeiten. Währen AGP mittlerweile als betagt angesehen wird, kommt PCI-E mit einer neuen Technologie auf: Die sogenannten Lanes.
| Details zu PCI-Express | | Details zu AGP | - Taktrate von 2,5 GHz
- 250 MB/s je Richtung pro Lane daher
- 500 MB/s in beide Richtungen (bidirektional) pro Lane
- bis zu 16 Lanes daher
- 8 GB/s bidirektional bzw. 4 GB/s pro Richtung
- maximal 60 Watt für PCI-EXPRESS x16
- Belastung mit Grafikkarten mit höhstens 450 Gramm
| | - Maximal 42 Watt aus dem AGP-Port
- Belastung durch Grafikkarten mit höhstens 250 Gramm
- 2 GB/s mit AGP8X
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Im Moment wird PCI-Express kaum ausgenutzt, da es kaum Anwendungen gibt, die für eine Auflösung von 1600*1200 und mehr ausgelegt sind.
Grafikkartenverbund
3dfx SLI Erstmals wurde diese Technik von der Grafikschmiede 3dfx benutzt. 3dfx stellte 3D-Beschleuniger Karten her, diese wurden mit einer vorhandenen 2D Grafikkarte mit einem analogen Monitorkabel miteinander verbunden. Zwei gleiche Voodoo2 3D-Beschleuniger Karten wurden in einem Rechner zusammengeschaltet. Dies steigerte die 3D-Leistung enorm und ermöglichte eine Auflösung von 1024x768 Pixeln.Die zwei Karten konnten durch ein spezielles SLI-Kabel miteinander verbunden werden. Danach teilten sich beide die Arbeit, wobei ein Chip die geraden, der andere die ungeraden Zeilen zu bearbeiten hatte.
| Das ist das SLI-Kabel | Verbindungskabel zwischen 2D und 3D Karte |  |  |
 nVidia's SLI Man benötigt ein SLI fähiges Motherboard (mit 2 PCI-E 16fach Slots) und zwei SLI fähige PCI-Express Grafikkarten des gleichen Typs. Diese werden dann über die NVIDIA SLI-Bridge, zu deutsch "Brücke", miteinander verbunden.Die Leistung verdoppelt sich beim Verbinden zweier Karten jedoch nicht. Je nach Anwendung und optimierter Software ist eine Mehrleistung von bis zu 70% möglich. Wobei diese Werte meistens nur in synthetischen Benchmarks erreicht werden.Momentan ist SLI noch ein wenig problematisch. Zum Einen benötigt man zwei Grafikkarten des selben Typs (z.B. 2x Geforce 6600GT), des selben Herstellers (MSI, Club3D,...) und der selben Bios-Version auf der Grafikkarte, ansonsten funktioniert SLI nicht.
ATI's Crossfire Ati hat sich viel Zeit gelassen um auf nVidia's SLi Lösung zu antworten. Vor kurzem hat ATi nun endlich ihre SLI-Lösung vorgestellt. Bei Ati's Crossfire ist es nicht nötig die gleiche Grafikkarten zu besitzen.
Man benötigt folgendes: Eine ATi x800 oder x850 Grafikkarte, ein Crossfire fähiges Motherbord (mit 2 PCI-E 16fach Slots) und eine ATi x800 oder x850 Crossfire Edition Grafikkarte.
Die zwei Grafikkarten werden über das DVI-Monitorkabel miteinander verbunden, dadurch wird auch der PCI-E Bus nicht zusätzlich belastet weiters stehen verschiedenste Render-Modi zur Verfügung.
| Grafik-Modi | | SuperTiling | | Scissor | | Mit SuperTiling wird das zu berechnende Bild in Schachbrettmuster unterteilt und somit ist eine auslastung von ca. 99 % möglich. SuperTiling ist nur unter Direct3D möglich. | | Scissor arbeitet ähnlich wie nVidias SLI. Das bild wird in zwei Teile geteilt, die eine Karte berechnet den oberen teil und die andere Karte den unteren teil. Die *Trennlinie* zwischen den beiden zu berechnenden Teilen, kann dann vom Treiber weiter nach oben oder weiter nach unten verlegt werden, damit die Auslastung der beiden Grafikkarten möglichst nahe bei 100 % liegt. Scissor ist unter Direct3D und unter OpenGL einsetzbar. | | | | | | AFR – Alternate Frame Rendering | | Super AA Mode | | Alternate Frame Rendering (AFR) wurde bereits von ATI bei der Rage Fury MAXX angewandt. Bei dieser Technik rendert jeder Grafikchip ein volles Bild (Frame) für sich. Genauer gesagt: Ein Chip übernimmt die „geraden“ und der zweite die „ungeraden“ Bilder. Durch das AFR verdoppelt sich die maximale Füllrate. Angewandt werden kann AFR sowohl bei Direct3D oder OpenGL Applikationen. | | Im Super AA Mode rendert jede Grafikkarte den gleichen Frame mit einem unterschiedlichen Samplemuster. Die CrossFire „Compositing Engine“ setzt beide Frames zusammen und ermöglicht so eine sehr gute Kantenglättung. Zurzeit steht Super AA nur für Direct3D Anwendungen zur Verfügung. |
Mehrfach-Head Grafikkarten
Dual-Head Bezeichnung für Grafikkarten mit zwei Anschlüssen für Monitore. Ermöglicht den gleichzeitigen Betrieb zweier Monitore an einem Rechner, meist auch mit unterschiedlichen Auflösungen, Farbtiefen und Bildwiederholraten für die beiden Monitore. Oft ist der zweite Ausgang nicht ganz so leistungsfähig wie der primäre Ausgang (maximale Bildwiederholrate). Die beiden Bildschirme können entweder das selbe Bild anzeigen (interessant für Präsentationen), der zweite zeigt einen frei wählbaren vergrößerten Ausschnitt des ersten (CAD, Bildbearbeitung) oder erweitert einfach den Anzeigebereich seitlich, der Desktop erstreckt sich dann über beide Bildschirme.
Quad-Head Ähnlich wie die Dual-Head Grafikkarte eignet sich eine Quad-Head Karte lediglich dazu weitere Bildschirme anzuschließen. Diesmal 4 statt 2. Eine derartige Möglichkeit bietet z.B. das Produkt Parhelia von der Firma Matrox. Diese leistungsmäßig, eher durchschnittliche Karte brachte es immerhin fertig eine Voll-3d-Darstellung gleichzeitig über 4 simultane Monitore zu rendern.
Grafikkartenhersteller Abit, Albatron, AOpen, ASUS, Chips & Technologies, Cirrus Logic, Connect3D, Creative Labs / 3Dlabs, Diamond Multimedia, ELSA, Gainward, Hercules Graphics, HIS, Leadtek, MSI, Number Nine, Oak Technology, Orchid Technologies, Paradise, PixelView, PNY, PowerColor, Sapphire, Sparkle, STB Systems, TerraTec, Trident, Tseng Labs, Video Logic, Video Seven uvm.
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