显示适配器

显示适配器又叫显示卡、图形加速卡，它工作在CPU和显示器之间，基本作用就是控制计算机的图形输出。显示适配器有两种安装形式，一种是独立的显示适配器，其外观如图2.2所示。另一种是把显示适配器集成在主机板上的“二合一”产品，目的是为了降低成本、缩小体积、简化安装。

图2.2 显示适配器外观

1. 显示适配器的基本原理

显示适配器的主要作用是对图形函数进行加速。在早期的计算机中，CPU和标准的EGA或VGA显示适配器以及帧缓存（用于存储图像）可以对大多数图像进行处理，但它们只起到一种传递作用，用户所看到的内容是由CPU提供的。这对早期操作系统环境（如DOS），以及文本文件的显示是足够的，但是这种组合对复杂的图形和高质量的图像进行处理就显得不够了，特别是在Windows操作环境下，CPU已经无法对众多的图形函数进行处理，而最根本的解决方法就是采用图形加速卡。图形加速卡拥有自己的图形函数加速器和显存，专门用来执行图形加速任务，因此可以大大减少CPU所必须处理的图形函数。这样CPU就可以执行其他更多的任务，从而提高了计算机的整体性能，多媒体功能也就更容易实现。

实际上现在的显示适配器都已经是图形加速卡，它们都可以执行一些图形函数。通常所说的加速卡的性能，是指加速卡上的芯片集能够提供的图形函数计算能力，这个芯片集通常也称为加速器或图形处理器。芯片集可以通过它们的数据传输带宽来划分，最近的芯片多为64位或128位，而早期的显示适配器芯片为32位或16位。更多的带宽可以使芯片在一个时钟周期中处理更多的信息。但是128位芯片不一定就比64位芯片快两倍，更大的带宽带来的是更高的解析度和色深，加速卡的速度很大程度上受所使用的显存类型以及驱动程序的影响。

2. 显示适配器的作用

显示适配器的基本作用就是将系统中输出的显示信息加以处理、转换和控制，并将输出信息发送到显示器上，呈现能被视觉感知的文字、数据、图形界面、彩色照片、计算机动画和视频画面等可视信息。同样，主处理器也可从显示适配器读回所需要的显示状态等信息。

显示适配器进行信息模式的转换包括两个方面：并行数据信号转换为串行信号，数字信号转换为模拟信号。

显示适配器发送到显示器的输出信号除含有模拟视频信号外，还含有许多控制信号。例如，在显示器中为使传入的视频信号按时序从左到右、从上到下进行逐行或隔行扫描，显示适配器发送的信号除需要包含视频信号、亮度信号外，还要包括垂直和水平同步控制信号，通过显示器接口电路，将这些信号送到显示器内不同的电路中去完成各自不同的功能，从而实现同步扫描和控制图像扫描频率或屏幕刷新频率的目的。

此外，诸如显示模式的控制，调色板的选择，光标的设置以及状态的读取等其他控制功能，都可以在软件的配合下由显示适配器来完成。

3. 显示适配器的组成

显示适配器主要由图形加速芯片、显示存储器、BIOS芯片、RAMDAC等组成。它们集成在一块插件板上，通过主板上的I/O接口与系统总线相连，并通过电缆将输出信号传输到显示器上。

（1）图形加速芯片。图形加速芯片又称为图形处理芯片或显示芯片，它是显示适配器的核心部件，拥有图形加速器，决定了显示适配器的类型、档次和大部分性能。

在显示适配器中体积最大、插脚最多的芯片就是图形加速芯片，比较高档的芯片一般都会有较大的散热片或散热风扇。一般来说，在芯片的内部会有一个时钟发生器和图形函数硬件加速电路，有的芯片还将RAMDAC集成在内部。它们的数据传输带宽，目前一般多为64bit以上。较大的带宽可以使芯片在一个时钟周期中处理更多的信息。

图形加速芯片提供了图形函数的计算能力，是专门来执行图形加速任务的，可以大大减少CPU的负担，现在所有的芯片都能加速处理三维图像，提供实时和动态的三维图形应用支持，所以显示芯片也可称为3D加速芯片，可以加速处理的3D效果包括混合、灯光、纹理贴图、透视矫正、过滤和抗失真等。为了处理和构造复杂的三维图像，这类芯片可以处理X轴、Y轴的像素，还以Z缓存（Z-Buffer）来存储图像的深度信息。Z缓存位数表征了显示芯片所提供的景物纵深感的精确度，目前一般显示适配器可提供32位以上的Z缓存。

生产显示芯片的厂家很多，例如，NVidia、S3、Matrox、Trident、TsengLabsET等。

（2）显示存储器。显示存储器简称显存，根据显示存储器的功能，它也被称为帧缓冲器（Frame Buffer）、视频存储器（Video RAM）或位图存储器（Bitmap Memory）等。显存是图形加速卡的重要组成部分，通常用来存储显示芯片（组）所处理的数据信息，主要存储图形加速芯片处理后的一帧显示图形的数据，这是与显示屏幕上一帧图形上各像素点一一对应的像素值，这些数据可以直接映射到屏幕上从而在屏幕上形成一帧与显示存储器中所存位图数据相对应的可见画面。

有一些高级加速卡不仅将图形数据存储在显存中，而且还利用显存进行计算，特别是具有3D加速功能的显示适配器更是需要显存进行3D函数的运算。进行数据交换时，只有当芯片集完成对显存的写操作后，RAMDAC［见下面内容（3）］才能从显存中得到数据。在高解析度和色深的环境下，这会影响加速卡的速度，因为此时的数据量越大，所要等待的时间就越多。目前的加速卡通过提高显存的带宽来增大数据交换速度以便减少等待时间。

（3）随机存储数/模转换器（RAMDAC）。RAMDAC即Random Access Memory Digital to Analog Converter的缩写，也就是随机存储数/模转换器。它主要用于将显示存储器中输出的串行图形数据实时地转换为显示器所能接收的模拟信号，并发送到显示器且显示出来。RAMDAC的转换速率单位是MHz，它决定了显示刷新频率的高低，该数值决定了在足够的显存下，显示适配器最高支持的分辨率和刷新率。目前显示适配器的RAMDAC芯片工作频率至少是170 MHz，大多数则在230 MHz以上，高档显示适配器的RAMDAC的芯片频率可达300 MHz以上，已彻底解决了显示刷新频率的“瓶颈”问题。为了降低成本，有些厂商将RAMDAC集成到了图形加速芯片内，成为内置的RAMDAC，在这些显示适配器上找不到单独的RAMDAC芯片。但是一些专业的图形显示适配器仍使用外置的RAMDAC。

（4）基本输入/输出系统（BIOS ROM）。显示适配器中的BIOS是一种特殊的只读存储器（ROM）芯片，称为基本输入/输出系统，主要存放生产厂家提供的硬件图形加速芯片与驱动软件之间的输入/输出逻辑控制程序，此外，还存放显示适配器的名称、型号以及显示内存的信息等。BIOS的性能决定了显示适配器硬件与操作系统之间的配合程度，以及能否充分利用图形加速芯片的功能。

系统启动后，显示适配器BIOS中的信息数据就被映射到内存里，并出现在显示屏上，固化在BIOS ROM中的控制程序就会对显示控制器进行初始化设置，控制整个显示适配器的正常工作。只有显示适配器正常工作，显示器才有可能显示其他内容。

（5）总线接口。大部分显示适配器是一种板卡总线式结构。对外部而言，显示适配器要通过总线接口与计算机主板连接进行相互间的数据交换。对内部而言，它将板卡总线作为图形加速芯片、显示存储器、显示控制器等卡内部件的数据传输通道，因此，板卡总线或总线接口的传输速率是决定显示适配器总体效能的重要因素。

总线接口的类型有很多种，但一般采用的总线接口只有PCI总线接口和AGP高级图形接口两种。

PCI（Peripheral Component Interconnect）即周边总线接口，这种接口方式的显示适配器使用32 bit或64 bit的数据传送方式，它的工作频率为33 MHz，最高设计传输速率可达到132MB/s和264 MB/s。PCI总线支持一次传送多批数据，可有效提升显示适配器读和写的效率，可使显示适配器获得系统总线的主控权，支持CPU和内存的同时工作。这些特点一度使PCI总线结构成为主流类型。但是随着三维图像设计的发展，PCI总线的瓶颈现象逐渐明显。如果要在处理三维图像设计的同时处理其他工作，则PCI总线上的全部工作就必须分步处理，这样在大数据量的三维图像设计面前，PCI总线就显得力不从心。目前市场上使用PCI总线的显示适配器已经比较少了。

AGP（Accelerated Graphics Port）称为加速图形总线接口，是建立在PCI总线基础上，专门针对3D图形处理而开发的高效能总线。与通用系统总线PCI不同，AGP是专用的总线接口，仅用于图形，AGP插槽上也只能插AGP显示适配器，而不能插其他任何板卡。它不会与其他外设共享时间（而在PCI下是可以的），从而大大提高了处理图像数据的能力。目前市场上的多数显示适配器都是采用AGP总线。

（6）显示适配器插口。在显示适配器上还包括几个插口：VGA插口、VGA Feature插口和视频S端子插口。

VGA插座是显示适配器的输出接口，与显示器的相连，用于模拟信号的输出。它是一个15孔插座，分3排，每排5个孔。有些高档显示适配器还有两个VGA插头，称为双头显示适配器，可以在2个插头上输出不同的图像。

VGA Feature插口通常用于扩展显示适配器的视频功能，是显示适配器与视频设备交换数据的通道，早期用于连接MPEG硬解压卡或VGA-TV转换卡等，现在并不常用。

视频S端子插口用于向电视机（或监视器）输出视频。