电脑显卡的几种接口类型_显卡结构及工作原理 - 全文

　　显卡概述

　　显卡（Video card，Graphics card）全称显示接口卡，又称显示适配器，是计算机最基本配置、最重要的配件之一。显卡作为电脑主机里的一个重要组成部分，是电脑进行数模信号转换的设备，承担输出显示图形的任务。显卡接在电脑主板上，它将电脑的数字信号转换成模拟信号让显示器显示出来，同时显卡还是有图像处理能力，可协助CPU工作，提高整体的运行速度。对于从事专业图形设计的人来说显卡非常重要。 民用和军用显卡图形芯片供应商主要包括AMD（超微半导体）和Nvidia（英伟达）2家。现在的top500计算机，都包含显卡计算核心。在科学计算中，显卡被称为显示加速卡。

　　显卡分类

　　1、集成显卡

　　一种是指主板芯片组集成了显示芯片，使用这种芯片组的主板就可以不需要独显就实现显示功能，满足一般的家庭影音娱乐和办公应用，节省购买独显的开支。集成显卡的主板一般不带有显存，使用系统的一部分内存作为显存，一般可以在主板的BIOS里面调整，具体常见最大不超过256MB。

　　一种是指处理器内部集成了显示芯片，即“核显”。一般分为AMD现在的“APU”和英特尔的“核芯显卡”。显存同样从内存分享而来，APU对内存的性能需求相对较大，所以一般在配置选购APU的时候我们都建议使用频率大于等于1600MHz的双通道内存。

　　2、独立显卡

　　独立显卡，简称独显，是指成独立的板卡存在，需要插在主板的相应接口上的显卡。独立显卡具备单独的显存，不占用系统内存（但当独立显存不够用时可以共享内存作为显存），而且技术上领先于集成显卡，能够提供更好的显示效果和运行性能。

　　3、核芯显卡

　　核心显卡是一个小主机的缩影，并不像CPU那样高度集成，而是在主板上预制了很多组件。

　　显卡的基本结构和主要器件

　　几乎所有的显卡都是由图形处理芯片、RAMDAC（数模转换器/Random Access Memory Digital-to-Analog Converter）芯片、显卡BIOS芯片、显存、主板安装接口、显示信号和功能扩展接口（也叫特性连接端口）所组成。

　　1.显卡BIOS芯片

　　显卡BIOS芯片主要用于保存VGA BIOS程序。VGA BIOS是视频图形卡基本输入、输出系统（Video Graphics Adapter Basic Input and Output System），它的功能与主板BIOS功能相似，主要用于显卡上各器件之间正常运行时的控制和管理，所以BIOS程序的技术质量（合理性和功能）必将影响显卡最终的产品技术特性。显卡BIOS芯片在大多数显卡上比较容易区分，因为这类芯片上通常都贴有标签，但在个别显卡如Matrox公司的MGA G200上就看不见，原因是它与图形处理芯片集成在一起了。另外在显卡BIOS芯片中还保存了所在显卡的主要技术信息，如图形处理芯片的型号规格、VGA BIOS版本和编制日期等。由于目前显卡上的图形处理芯片表面都已被安装的散热片所遮盖，用户根本无法看到芯片的具体型号，但能通过VGA BIOS显示的相关信息来了解有关图形处理芯片的技术规格或型号。

　　通常电脑在加电后首先显示显卡BIOS中所保存的相关信息，然后显示主板BIOS版本信息以及主板BIOS对硬件系统配置进行检测的结果等，由于显示BIOS信息的时间很短，所以必须注意观察才能看清显示的内容。VGA BIOS与主板BIOS一样具有版本，一般情况下版本高的BIOS功能强于低版本，也解决了版本升级前所存在的某些具体问题（BUG）。VGA BIOS目前基本上都使用快闪ROM保存，因此可以由用户根据需要使用特定工具软件进行版本升级，就像升级主板BIOS程序一样。升级显卡BIOS的原则与升级主板BIOS的相同，就是如果没有使用上的需要，就不必进行BIOS版本升级。即使确实须要升级VGA BIOS，也一定要使用原显卡生产厂家所提供或指定的升级工具软件和BIOS文件，这类资料一般由显卡生产厂家通过其在互联网上的主页提供。尽管有媒体曾报道个别发烧友采用不同厂家显卡BIOS文件升级获得成功，但我们最好不要尝试这样做，因为使用型号不同的显卡BIOS文件来升级自己的显卡BIOS版本风险很大，极有可能出现升级后显卡反而无法运行的严重后果。

　　2.图形处理芯片

　　图形处理芯片是显卡的核心，显卡的主要技术规格和性能基本上取决于图形处理芯片的技术类型和性能。

　　衡量显示处理芯片的技术先进性主要是看其所具有的2D/3D图形处理能力、芯片图形处理引擎的数据位宽度、与显存之间数据总线宽度和所支持的显存类型容量、内部RAMDAC的工作时钟频率、具备几条像素渲染处理流水线、所支持的图形应用程序接口（API）种类以及芯片生产工艺技术水平等。

　　由于表达显示芯片技术性能涉及的一些具体内容较复杂，所以在许多媒体中所列出的显示芯片技术参数中只强调了单位时间内每秒的像素填充率、生成三角形数量以及内核和显存的工作时钟频率、最大图像分辨率（水平点数&TImes;垂直点数）和刷新率（帧/秒）等。总之以图形芯片能独立、全部、快速完成所有显示2D/3D图形时所需的信息为最好。

　　根据以上标准，目前通用型和娱乐型图形芯片比较有代表性的应该算nVidia公司的GeForce 256（厂家代号NV10）和TNT2系列、Matrox公司的MGA G400系列和3dfx公司的Voodoo系列。其中目前最先进的图形芯片是GeForce 256，它在芯片中增加了以往各类图形芯片都不具备的T&L引擎（（几何）转换和光照处理/Transform & Lightning），因此它基本上可以脱离CPU的帮助独立处理所有2D/3D图形显示数据，所以成为第一块GPU（英语“图形处理器”的缩写）。nVidia公司的TNT2芯片中按性能分为4个等级，能适合不同的用户需求;Matorx公司的G400芯片，由于其特有的凹凸纹理贴图和双屏显示技术在重现图形精美的同时可联接两个显示器（或一个显示器和一个电视机）来分屏幕显示不同内容。相比之下3dfx公司的Voodoo系列则历来以流畅的3D游戏速度和还算精美的画面而为广大喜爱3D游戏的用户所拥戴。当然另外还有不少在性能上与TNT2等相差无几的图形芯片，如S3公司的Savage4和3Dlabs公司的Permedia3等。

　　3.显存

　　显卡中显存的用途主要是用来保存由图形芯片处理好的各帧图形显示数据，然后由数模转换器读取并逐帧（可以理解为一幅完整的图像）转换为模拟视频信号再提供给传统的显示器使用，所以显存也被称为“帧缓存”。衡量显存的技术性能有数据存取速度（可通过工作时钟频率体现）和显存容量。存取速度通常用纳秒（ns）表示，数值越小越快。显存容量使用MB表示，数值则是越大越好。

　　2D显卡中一般安装EDO DRAM显存，其数据存取速度在40～60ns之间，容量一般在1~4MB，部分2D显卡上预留有显存扩容插座可供用户对显存自行扩容;虽然不少速度更快的显存也能应用于显卡，如个别高档显卡中开始使用的DDR（双倍速率SDRAM）和RDRAM（由Rambus公司开发的一种新型高速DRAM），但由于其成本问题（如RDRAM的售价是普通SDRAM的8～10倍）一时难为多数用户所接受。所以除制图等专业性显卡外，一般通用3D显卡中广泛使用的显存仍然以SDRAM和SGRAM为主，这两种显存的数据存取速度在5～15ns之间，显存容量理论上越大越好，但由于显卡生产成本和图形芯片支持能力所限，一般显卡上显存配置容量为4～32MB，极个别显卡配置容量高达64MB。由于SGRAM的存取速度高于SDRAM，所以使用SGRAM显存的显卡在技术性能上比使用同等容量的SDRAM显存的显卡略有提高，但由于SGRAM芯片的生产成本高于SDRAM，所以售价也高于使用SDRAM的显卡。

　　EDO RAM、SDRAM和SGRAM这三种常用显存可以根据它们的外观区别，EDO RAM和SDRAM安装在显卡电路板上时只是芯片两边有引脚须要焊接，而SGRAM则在芯片四边都有引脚须要焊接在电路板上（具体参考图2）。

　　4.RAMDAC

　　由于目前大部分电脑所配置的显示器仍然是传统的模拟CRT（阴极射线管）显示器，这种显示器只能接受用信号电压幅度来控制显像管的发光亮暗程度，所以显卡中的RAMDAC必须将显示图形芯片处理后并存储在显存中的数字显示信号逐帧转换为由三种彩色亮度和行、帧同步信号所共同组成的视频信号，然后通过15针的D型插座输出供显示器使用。

　　RAMDAC的技术特性主要是工作时钟频率，只有足够高的工作频率RAMDAC才能在单位时间内转换更多帧的显示信号，而显卡的帧刷新率指标（帧/秒）的基本保证条件就是RAMDAC必须在单位时间内转换足够的帧显示信号。

　　目前有些主流显卡上并不存在独立安装的RAMDAC芯片，这是因为厂家在生产图形处理芯片时已经将RAMDAC集成在其中了。

　　显卡工作原理

　　数据（data）一旦离开CPU，必须通过4个步骤，最后才会到达显示屏：

　　1．从总线（Bus）进入GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器）：将CPU送来的数据送到北桥（主桥）再送到GPU（图形处理器）里面进行处理。

　　2．从 Video Chipset（显卡芯片组）进入 Video RAM（显存）：将芯片处理完的数据送到显存。

　　3．从显存进入Digital Analog Converter （= RAM DAC，随机读写存储数—模转换器）：从显存读取出数据再送到RAM DAC进行数据转换的工作（数字信号转模拟信号）。但是如果是DVI接口类型的显卡，则不需要经过数字信号转模拟信号。而直接输出数字信号。

　　4．从DAC进入显示器（Monitor）：将转换完的模拟信号送到显示屏。

　　显示效能是系统效能的一部分，其效能的高低由以上四步所决定，它与显示卡的效能（Video Performance）不太一样，如要严格区分，显示卡的效能应该受中间两步所决定，因为这两步的资料传输都是在显示卡的内部。第一步是由CPU（运算器和控制器一起组成的计算机的核心，称为微处理器或中央处理器）进入到显示卡里面，最后一步是由显示卡直接送资料到显示屏上。［3］

　　电脑显卡的四种接口类型

　　1、VGA接口

　　VGA接口是最常见，也就是我们通常的电脑显示器连接主机的那种，VGA接口是一种D型接口，上面共有15针，分成三排，每排五个。并且VGA接口扩展性比较强，可以轻松与DVI接口进行转换，VGA接口介绍如下图：

　　2、DVI接口

　　LCD显示器应运而生接口，DVI（Digital Video Interface），即数字视频接口。它是1999年由Silicon Image、Intel（英特尔）、Compaq（康柏）、IBM、HP（惠普）、NEC、Fujitsu（富士通）等公司共同组成DDWG（Digital Display Working Group，数字显示工作组）推出的接口标准。

　　DVI接口有3种类型5种规格，端子接口尺寸为39.5mm&TImes;15.13mm。三种类型包括DVI-A、DVI-D和DVI-I的接口形式。DVI-D只有数字接口，DVI-I有数字和模拟接口，目前应用主要以DVI-D为主，同时DVI-D和DVI-I又有单通道（Single Link）和双通道（Dual Link）之分，我们平时见到的都是单通道版的，双通道版的成本很高，因此只有部分专业设备才具备，普通消费者很难见到。DVI-A是一种模拟传输标准，往往在大屏幕专业CRT中能看见，不过由于和VGA没有本质区别，性能也不高，因此DVI-A事实上已经被废弃了。

　　3、HDMI接口

　　HDMI不仅可以满足1080P的分辨率，还能支持DVD Audio等数字音频格式，支持八声道96kHz或立体声192kHz数码音频传送。　　HDMI支持EDID、DDC2B，因此具有HDMI的设备具有“即插即用”的特点，信号源和显示设备之间会自动进行“协商”，自动选择最合适的视频/音频格式。　　与DVI相比HDMI接口的体积更小，DVI的线缆长度不能超过8米，否则将影响画面质量，而HDMI最远可传输15米。只要一条HDMI缆线，就可以取代最多13条模拟传输线，能有效解决家庭娱乐系统背后连线杂乱纠结的问题。

　　4、DP接口

　　Dp接口即DisplayPort 接口，一种高清晰音视频流的传输接口。DisplayPort的外接型接头有两种：一种是标准型，类似USB、HDMI等接头;另一种是低矮型，主要针对连接面积有限的应用，比如超薄笔记型电脑。两种接头的最长外接距离都可以达到15米，虽然这个距离比HDMI要逊色一些，不过接头和接线的相关规格已为日后升级做好了准备，即便未来DisplayPort采用新的2X速率标准（21.6Gbps），接头和接线也不必重新进行设计。除实现设备与设备之间的连接外，DisplayPort还可用作设备内部的接口，甚至是芯片与芯片之间的数据接口。

　　总结:

　　四种常用的显卡接口就介绍完成了，现在对于显卡显示输入接口的几条选择要点如下：

　　1、VGA接口由于是模拟信号，不可避免地造成了一些图像细节的损失，只适用于20吋以下的显示器使用；

　　2、若显示器采用1920*1200以下分辨率，DVI-I，DVI-D，HDMI，DP接口均可，屏幕尺寸影响较小；

　　3、若显示器采用超高分辨率，比如2560*1600或搭建多屏显示输出系统情况下，双通道DVI-D，HDMI，DP可以胜任；

　　4、若采用的是3D显示器，1920*1080分辨率下，DVI-D、HDMI和DP没太大问题，若是2560*1600以上最好选用HDMI和DP输出接口。