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Grafikkarten vom Textmodus zum 3D Spezialisten

Übersicht Geschichte Aufbau Hardware Schnittstellen Software Schnittstellen Wissenswertes 16.03.2006 Grafikkarten 2

Definition Eine Grafikkarte steuert in einem PC die Bildschirmanzeige. Grafikkarten werden entweder als Erweiterungskarten mit dem Mainboard verbunden, oder die Chipsets sind bereits auf dem Mainboard installiert (onboard). 16.03.2006 Grafikkarten 3

Geschichte I erster IBM PC (1981) mit MDA (Monochrome Display Adapter), einfarbige Darstellung von Text 1982 erste einfarbige Karte von Hercules, allerdings hier Ansteuerung der einzelnen Pixel 1984 EGA (Enhanced Graphic Adapter) Karte bis 1989 MCGA und VGA Karte (bis dahin noch alles Standards von IBM) ab 1989 immer neue Karten von mehr Herstellern (IBM verlor Vormachtstellung), daher heute immer noch 640x480 Pixel in 16 Farben = Notfall Modus 16.03.2006 Grafikkarten 4

Geschichte II VESA (Video Electronics Standards Association) stellte Videomodes Standard für Auflösung von 1280x960 in 2Byte Farben auf ab 1990 Entwicklung des sog. Windowsbeschleuniger Grafikkarten erhielten eigenen CPU mehr Funktionen standen nun zur Verfügung Mitte der 90er erste brauchbare 3D Beschleuniger von 3dfx sog. Voodoo-Karten (rendern wurde auf Grafikkarte delegiert Entlastung der CPU Leistungssteigerung in 3D-Spielen) 16.03.2006 Grafikkarten 5

Geschichte III in 2005 drei Typen von Grafikkarten: OnBoard-Chips: meist nur 2D Funktionen, diese dann aber in hoher Qualität (bis 1600x1200 in 4Byte Farben) Business-Bereich: Karten mit bis zu 32MB Video-RAM 2D und 3D Funktionen sehr scharfes Bild auf Monitor und TV Anschlussmöglichkeit mehrerer Monitore (für Präsentation u.ä.) Spiele-Bereich: optimiert für schnelle und ruckelfreie 3D- Darstellung Schärfe der Bilder & vor allem TV- Ausgabequaltität nicht so gut wie im Business-Bereich neue Entwicklungen bringen immer bessere Karten 16.03.2006 Grafikkarten 6

Aufbau Eine Grafikkarte besteht aus mindestens einem Grafikprozessor, dem Bildspeicher, einem Bus Interface und einem RAM DAC. 16.03.2006 Grafikkarten 8

Grafikprozessor oft GPU (Graphics Processing Unit) oder VPU (Visual Processing Unit) genannt technische Definition einer GPU: Ein Prozessor mit integrierten Transform-, Lighting-, Triangle-, Setup/Clipping-, und Rendering-Engines, der in der Lage ist, Millionen rechenintensiver Prozesse zu verarbeiten. Kennzahl ist hier meist die Anzahl berechneter Polygone / Sekunde GPU s sind echte Prozessoren auf Niveau einer CPU Leistungszuwachs mit einem Faktor von 2,4 übertrifft sogar das Mooresche Gesetz 16.03.2006 Grafikkarten 9

Video-RAM ist der Speicher in dem Bilddaten zwischengespeichert werden und auf dem auch Berechnungen durchgeführt werden je größer dieser Speicher desto mehr und höher auflösende Bilder können berechnet werden Framebuffer: im Textmodus 80x25 Bytes = ca. 2KBytes im Graphikmodus bei einer Auflösung von 1280x1024 & 32Bit Farben = 5 MBytes Verweis auf RAM Vortrag 16.03.2006 Grafikkarten 10

Bus Interface transferiert Daten über die jeweilige Schnittstelle (AGP, PCI usw.) zum CPU oder Computer-RAM über Northbrigde leitet ankommende Daten an verschiedene Verarbeitungszentren der Grafikkarte weiter kommuniziert ständig mit dem Grafikspeicher, der GPU, dem RAM-DAC 16.03.2006 Grafikkarten 11

RAM-DAC Random Access Memory Digital Analog Converter wandelt digitale Daten in ein Analoges Signal um um es z.b. über einen VGA Anschluss auf dem Monitor sichtbar zu machen durch Entwicklung der DVI Schnittstelle fast überflüssig geworden 16.03.2006 Grafikkarten 12

Hardware Schnittstellen I VGA: (Video Graphics Array) ist ein analoger Bildübertragungsstanda rd Anschluss wird auch als 15-poliger Mini-D- Sub-Stecker bezeichnet VGA für hohe Auflösungen (ab 1280x1024) nur bedingt geeignet, da Unschärfen auftreten können DVI: (Digital Visual Interface) ist eine Schnittstelle wird immer mehr zur Standard-Schnittstelle DVI-I (integrated) übeträgt sowohl analoge als auch digitale Signale DVI-D (digital) überträgt nur digitale Informationen TV-Out: dient als Anschlussmöglichkeit für Fernseher (analog) S-Video-Anschluss Composite 16.03.2006 Grafikkarten 14

Hardware Schnittstellen II AGP: (Accelerated Graphics Port) ist ein Hochgeschwindigkeits- Bussystem das Computer-Peripherie mit dem Mainboard verbindet Hauptzweck ist die Beschleunigung von 3D-Computergrafik mit AGP 8x ist diese Technik zu Ende entwickelt PCI: Bus-Standard zur Verbindung von Peripheriegeräten mit dem Chipsatz eines Prozessors universelle Schnittstelle für Grafikkarten ist er aber zu langsam (mittlerweile) PCI-Express: Nachfolger von AGP und PCI Daten werden nicht mehr parallel (32 Leitungen) sondern über sog. Lanes übertragen 1 Lane besteht aus 2 Leitungspaaren (duplexfähig) abwärtskompatibel 16.03.2006 Grafikkarten 15

Software Schnittstellen OpenGL: plattform- & programmiersprachenunabhängiges API beschreibt ca. 250 Befehle + eigene Erweiterungen zur Darstellung komplexer 3D- Szenen in Echtzeit wie das Betriebssystem die Befehle verarbeitet ist Sache des Grafikkartentreibers im professionellen Bereich führend wird im Consumer Bereich durch DirektX abgelöst DirektX: eine Sammlung von APIs für Multimedia-Programme Windows Betriebssystemen neben Darstellung komplexer 3D- und 2D Grafik auch Unterstützung für Soundeffekte, Musik, div. Eingabegeräte und Multiplayerspiele DirectX ermöglicht direkte Zugriffe auf Hardware langsame Schnittstellen können umgangen werden 16.03.2006 Grafikkarten 17

Wissenswertes NVidia und ATI Auswahl der richtigen Grafikkarte Einbau / Austausch Benchmarks 16.03.2006 Grafikkarten 19

nvidia Corporation I in nvidia (lat. invidia, ae, f. Neid, Missgunst) steht das n für unendlich und das vidia etwa für sehen Januar 1993 von Jen-Hsun Huang, Curtis Priem und Chris Malachowsky gegründet 1996 erster 3D-Beschleuniger-Prozessor NV1; dieser nutze das NURBS-Verfahren zum berechnen der Bilder Weiterentwicklung NV2 sollte auch in Sega-Konsole eingebaut werden Durch NURBS-Verfahren sehr unkompatibel mit vielen Spielen Erst 1997/98 durchschlagender Erfolg mit RIVA Serie 1999 wurde NVidia in den Nasdaq aufgenommen 16.03.2006 Grafikkarten 20

nvidia Corporation II 2000 kaufte NVidia 3dfx auf (bis dahin größter Konkurrent) NVidia wurde Zulieferer von Microsofts XBox Entwicklung von Chipsätzen für Athlon XP, 64 und FX unter der Marke nforce mit GeForce Serie (seit 1999 auf dem Markt) Führung auf dem Markt errungen durch Schwierigkeiten bei 5xxx Serie wurde nie die Leistung der Radeon Karten erreicht Erster Vertreter der 6. Generation war besser als alles auf dem Markt (zum Erscheinungszeitpunkt), wurde aber nur wenige Tage später von ATI s Radeon von der Leistungsspitze verdrängt 16.03.2006 Grafikkarten 21

nvidia Corporation III GeForce 6800 16.03.2006 Grafikkarten 22

ATI Technologies Ltd. I der Name `ATI` stammt ursprünglich von Array Technology Inc. ATI wurde 1985 von K.Y. Ho, Benny Lau und Lee Lau, Auswanderern aus Hongkong gegründet Hauptgeschäftsfeld ist die Entwicklung und Herstellung von Grafikprozessoren Neuerdings auch Hertsellung von Mainboard Chipsätzen für Prozessoren von AMD und Intel im Sockel 939 & 775 ATI ist mittlerweile leistungsführend im Sektor Grafikkarten 16.03.2006 Grafikkarten 23

ATI Technologies Ltd. II Radeon X800 16.03.2006 Grafikkarten 24

Auswahl der richtigen Grafikkarte I Auswahl der Grafikkarte ist abhängig von Leistung des Rechners und den Anforderungen des Users CPU vs. GPU: je schneller die CPU desto mehr Gegner können simuliert und/oder parallele Soundeffekte genutzt werden die GPU und CPU sollte gerade bei Einsatz neuerer Spiele auf dem letzten Stand der Technik sein Bsp.: Pentium 1GHz und Radeon X850Ultra da ist der CPU zu langsam für den GPU VGA vs. GPU: für 2-Monitornutzung empfiehlt es sich eine hochwertige 2D Grafikkarte zu nehmen da die Signale hier meist wesentlich besser sind wird meist nur für 2D Anwendungen wie DVD, Video und Desktop-Anwendungen benötigt zur Zeit sind trotzdem schon Auflösungen von 1024x768 in 32 Bit Farben möglich 16.03.2006 Grafikkarten 26

Auswahl der richtigen Grafikkarte II Leistungsfähigkeit der Chips lässt gut anhand der Bezeichnung erkennen Zusätze wie Pro, XT, GT oder Ultra verweisen auf höhere Leistungsfähigkeit Zusätze wie SE und LE stehen dagegen für Leistungsbeschränkte Varianten neuere Grafikkarten besitzen statt AGP auch PCIe Anschluss (erkennbar an Steg) bei ATI ab: Radeon X bei NVidia die Serie: GeForce PCX. Neue Karten besitzen oft sehr laute Lüfter und verbrauchen viel Strom Abstimmung mit dem Netzteil da Rechner sonst unter Volllast (beim Spiel z.b.) permanent abstürzt 16.03.2006 Grafikkarten 27

Auswahl der richtigen Grafikkarte III PCI Express AGP 16.03.2006 Grafikkarten 28

Einbau / Austausch Wie man es nicht machen sollte! 16.03.2006 Grafikkarten 30

Benchmarks I Benchmarkings sind genormte Testverfahren, mit deren Hilfe man die Leistung von EDV-Systemen oder Systemklassen ermitteln und diese nach bestimmten Kriterien miteinander vergleichen kann ein immer gleicher Test soll auf unterschiedlichen Geräten zeigen, welche Geräte/Gerätekombinationen am effektivsten ist/sind Benchmark für Grafikkarten soll zeigen, welche Grafikkarte am besten mit dem System zusammenspielt Grafikkarte ist immer noch limitierender Faktor! Betrachtung des Benchmarks 3DMark03 von Futuremark (DirectX 9 mind. DirectX8) 16.03.2006 Grafikkarten 32

Benchmarks II Unterteilt sich in mehrere Teiltests: Game Tests, CPU Tests und sonstige Tests Game Tests: Wings of Fury dient als Test für alle DirectX7 Funktionen Battle of Proxycon deutlich anspruchsvoller; Test von PixelShadern V1.1/ V1.4, und dynamischen Schatten; DirectX8.1 Troll s Lair Test von anisotropischer Beleuchtung (Haardarstellung); PixelShader V1.4 Mother Nature Test von DirectX9, PixelShader 1.4 und vor allem PixelShader 2.0 (Wassereffekte), sowie VertexShader 2.0 (Bewegung, Schatten, Vegetation) 16.03.2006 Grafikkarten 33

Benchmarks III CPU Tests: Wiederholung der ersten 2 Tests allerdings Berechnung der Bilder nur durch CPU Leistung der CPU lässt sich so gut ermitteln Sonstige Tests: Fillrate, VertexShader und PixelShader werden separat getestet PixelShader Test nur auf DirectX9 kompatibler Karte möglich Ragtroll testet kombinierte Fähigkeiten von Grafikkarte und CPU; ist Indiz für die Ausgewogenheit der Kombination aus Grafikkarte und Prozessor Sound Test: Exakte 3D Positionierung der Soundquelle und korrekte Berechnung des Dopplereffekts werden geprüft 16.03.2006 Grafikkarten 34

Benchmarks IV Berechnung der Punkte: Game Test 1 frame-rate x 7.3 + Game Test 2 frame-rate x 37 + Game Test 3 frame-rate x 47.1 + Game Test 4 frame-rate x 38.7 = GT-Score CPU Test 1 frame-rate x 4.6 + CPU Test 2 frame-rate x 27.5 = CPU Score Als Vergleichssysteme wurden damaliges TOP-System mit DX9 kompatibler Grafikkarte und 3GHz Prozessor genommen (5000 Punkte) und mit 1000 Punkten wurde ein System mit DX8 kompatibler Karte und 1GHz Prozessor bewertet. 16.03.2006 Grafikkarten 35

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Fragen? 16.03.2006 Grafikkarten 38

Quellen www.wikipedia.de www.nvidia.com www.ati.com www.intel.com www.elektronik-kompendium.de www.futuremark.com www.computerbase.de c t 19/2004, c t 22/2004 16.03.2006 Grafikkarten 39

Danke für Eure Aufmerksamkeit 16.03.2006 Grafikkarten 40

AGP (Accelerated Graphics Port) Arbeitsweise: AGP benutzt den normalen Arbeitsspeicher des PC s um dort Grafikdaten zu hinterlegen AGP-Bridge in Northbridge des Chipsatzes untergebracht für schnellsten Weg von Grafikkarte zu CPU und Arbeitsspeicher Erlaubt außerdem effizientere Nutzung des Frame Buffer-Speichers Beschleunigung von 2D-Grafik besitzt eine höhere Transferrate als PCI AGP eigentlich kein Bussystem, da nur der Anschluss eines einzigen Gerätes möglich ist weiter 16.03.2006 Grafikkarten 41

AGP (Accelerated Graphics Port) Entwicklung: AGP wurde von Intel entwickelt und 1997 das erste mal mit dem Pentium II Prozessor vorgestellt Damals neu: AGP Karten sind etwas länger als PCI Steckkarten ab 1998 Einführung in großem Stil erste Version AGP 1x mit 32-bit Bus und 66MHz schafft 266 MB/s (PCI schafft bei 33MHz 133 MB/s) Steigerung der Transferrate durch Double-Data-Rate- Verfahren (DDR) auf das 2 bis 8fache (AGP 2x 533MB/s, AGP 4x 1066MB/s, AGP 8x 2133 MB/s) zurück weiter 16.03.2006 Grafikkarten 42

AGP (Accelerated Graphics Port) weiter 16.03.2006 Grafikkarten 43

EGA Graphikkarte zurück 16.03.2006 Grafikkarten 44

CGA Graphikkarte zurück 16.03.2006 Grafikkarten 45

VESA Adapter zurück 16.03.2006 Grafikkarten 46

Windowsbeschleuniger zurück 16.03.2006 Grafikkarten 47

VGA Stecker 16.03.2006 Grafikkarten 48

DVI Stecker DVI I Stecker DVI D Stecker DVI VGA Stecker 16.03.2006 Grafikkarten 49

TV-Out Anschlüsse 16.03.2006 Grafikkarten 50

PCI - Anschluss 16.03.2006 Grafikkarten 51

PCI-Express Schnittstelle 16.03.2006 Grafikkarten 52