基于计算机显卡的研究

显卡的发展史与应用情况

摘要：显卡全称显示接口卡（Video card，Graphics card），又称为显示适配器（Video adapter），显示器配置卡简称为显卡，是个人电脑最基本组成部分之一。
显卡的用途是将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动，并向显示器提供行扫描信号，控制显示器的正确显示，是连接显示器和个人电脑主板的重要元件，是“人机对话”的重要设备之一。显卡作为电脑主机里的一个重要组成部分，承担输出显示图形的任务，对于从事专业图形设计的人来说显卡非常重要。民用显卡图形芯片供应商主要包括AMD(超威半导体)和Nvidia(英伟达)2家。

关键词：显卡 GPU 发展现状应用

概述:

显卡又称显示卡( Video card)，是计算机中一个重要的组成部分，承担输出显示图形的任务，对喜欢玩游戏和从事专业图形设计的人来说，显卡非常重要。主流显卡的显示芯片主要由NVIDIA（英伟达）和AMD（超微半导体）两大厂商制造，通常将采用NVIDIA显示芯片的显卡称为N卡，而将采用AMD显示芯片的显卡称为A卡。

配置较高的计算机，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。

显示芯片( Video chipset)是显卡的主要处理单元，因此又称为图形处理器(Graphic Processing Unit，GPU)，GPU是NVIDIA公司在发布GeForce 256图形处理芯片时首先提出的概念。尤其是在处理3D图形时，GPU使显卡减少了对CPU的依赖，并完成部分原本属于CPU的工作。GPU所采用的核心技术有硬件T&L（几何转换和光照处理）、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等，而硬件T&L技术可以说是GPU的标志。

显卡所支持的各种3D特效由显示芯片的性能决定，采用什么样的显示芯片大致决定了这块显卡的档次和基本性能，比如NVIDIA的GT系列和AMD的HD系列。

衡量一个显卡好坏的方法有很多，除了使用测试软件测试比较外，还有很多指标可供用户比较显卡的性能，影响显卡性能的高低主要有显卡频率、显示存储器等性能指标。

发展历史:

最早的显卡称为显示适配器，在“黑底白字”的DOS年代，对显示的要求是极低的。然而随着各种软件应用的普及，人们对于PC图形界面的需求越来越强烈，为此才出现了彩色显示。最早的显示类型是MDA（Monochrome Display Adapter），只能区别出黑白两色。早期使用8080、8088一直到80286都是使用这种类型的显示适配器。它的功能极为简单，一般集成16KB显存，是不为人关注的电脑配件。

到了286时，PC上出现了一些和图形相关的软件，开始有人在PC上设计一些图形，最早的就是CAD。那时的程序员们为了自己闲暇的消遣也开始编写一些小游戏，或是移植一些游戏机上的游戏到PC上来。因此出现了一种四色适配器，能认别三原色和黑白。当时这种适配器的效果是很差的，你能想像出只有三原色和黑白的图像效果是什么样吗？不过在当时这已经是一个大的进步了。由于这是第一种彩色的显示适配器，所以称为CGA（Color Graphics Adaptor，彩色图形适配器）。CGA时代对显卡的要求已经大幅度提高，但是当时的制作工艺仍然远远高于显卡芯片的需求，因此CGA显示适配器依旧整合在主板上，以一块单芯片的方式来实现，所以显卡尚未进入人们的视线。

CGA的分辨率太低，于是又有了EGA（Enhanced Graphics Adapter，增强图形适配器），以上MDA、CGA、EGA三种标准都是以TTL数字信号输出。而之后的VGA标准采用了模拟信号输出，因而其彩色显示能力大大加强了，原则上可以显示无穷多的颜色，因此VGA迅速成为了显示设备的标准，显卡也是从这一时代开始独立起来，成为真正意义上受到用户重视的显卡，而不仅仅是一块默默无闻的芯片。

VGA最初代表分辨率，在个人电脑的启蒙时代，能够输出VGA（640×480）这样的分辨率并不是一件容易的事情，VGA标准的出现对显示输出设备首次提出了较高要求，于是就催生了VGA Card，显卡正式诞生！

最早的个人电脑只有IBM和其它一些竞争者的整机在售，不存在兼容机、组装机一说，所有的电脑配件都不会单独零售，因此一些图形公司（如ATI）都是默默无闻，其产品的唯一出路就是OEM。

在1987年，ATI发售EGA Wonder和VGA Wonder家族显卡，使用了通用的ISA总线接口。这些显卡功能都比IBM PC自身的显示装置好，EGA/VGA Wonder是一种能用于市场上任何一种图形界面、软件和显示器的单卡，为传统个人电脑提供了更高速的图像，由此引起了个人电脑制造商和用户的重视！

也就是从这个时候开始，就有了真正意义上的第一代显卡，它的名字叫VGA Card，代表产品就是ATI VGA Wonder。ATI将Wonder这个词一直沿用至今，如大名鼎鼎的All in Wonder（已停产）和TV Wonder，而VGA一词时至今日还是可以代表显卡。

VGA Card的唯一功能就是输出图像，真正的图形运算全部依赖CPU，所以当微软Windows操作系统出现后，PC开始不堪重负了。可能很多人难以理解图形界面为什么会如此消耗资源，但您一定有过这样的经历：如果不装显卡驱动的话，比如在Windows安全模式下用鼠标拖动窗口，您会发现这个操作非常困难，无论CPU多么强大都无济于事！

1991年5月，ATI发布Mach8，这是ATI第一款优化微软Windows图形界面的显卡产品。ATI通过一颗专用的芯片来处理图形运算，从而将CPU解放了出来，让Windows界面运行起来非常流畅，从此图形化操作系统资源消耗大降、实用性大增。

Mach8就是ATI 38800-1芯片，但Mach8显卡是由两颗芯片组成的，主芯片为上一代的VGA Wonder XL 24（ATI 28800-6），负责显示输出，辅助芯片是Mach8专门加速Windows图形界面，通过双芯片的设计增强了绘图能力！

为了与单纯具备显示功能的VGA Card相区别，具备图形处理能的显卡被称为Graphics Card，也就是图形加速卡，它加速了Windows的普及，让PC走进了图形化界面时代。

接下来个人电脑开始进入多媒体时代，2D图形处理已经难不倒Graphics Card了，但越来越多的视频图形解码让CPU（486时代）不堪重负，关键时刻显卡伸出了援助之手，集成了一些简单的视频解码器，让CPU长出一口气。

1994年的Mach64是第一款为广为人知的多媒体芯片，Mach64硬件支持YUV-to-RGB颜色转换和硬件缩放。这样个人电脑能应付基本的AVI和MPEG-1播放，而不需要昂贵的专用硬件解码器，使得多媒体电脑的成本大幅下降。

之后，Mach64-VT从CPU接过了逐行扫描的工作，1996年的ImpacTV进一步支持800x600 VGA-to-TV编码，所有的这些产品并不是太昂贵。

同样的，为了与单纯具备图形加速能力的Graphics Card相区别，具备视频辅助解码的显卡被称为Video Card，也就是视频加速卡，这个称号曾被广泛使用，VCD和DVD时代很多显卡都具备视频辅助解码能力。

现在已经是HDTV时代了，视频编码是非常复杂的H.264和VC-1，各大显示芯片厂商也与时俱进，无论集成显卡还是独立显卡，无论NVIDIA还是ATI，对于HDTV硬件加速的支持都相当重视！

经过单色、彩色、2D、视频之后，3D图形时代终于来临了，3DFX旗下的Voodoo系列3D Accelerator Card异军突起，成为3D时代的王者，拥有一块3D加速卡成为那个时代的荣耀。

3D加速卡的功能很单一，它不具备显示功能，需要搭配一块2D显卡来使用，因此成本很高而且使用起来不够方便，因此集2D显示和3D加速于一身的真正3D显示卡出现了。

早期的3D显卡大都不够成熟，比如ATI的第一款3D芯片被称为3D Rage，它在3D、2D和视频方面的功能最全，可惜兼容性很差；NVIDIA的第一款产品NV1也拥有3D加速功能，还集成了声卡，可惜不支持D3D和GLIDE这两种主流的图形API，也不支持MPEG-1加速，因此没有实用价值。

随后的情况相信很多人都了解了，不思进取的3DFX开始走多芯片道路，而后起之秀NVIDIA则凭借性能强大的单芯片TNT和TNT2系列显卡超越3DFX，随后的GeForce 256彻底终结3DFX，无序混乱的3D图形加速卡成为了一段值得缅怀的历史。

GeForce 256是一款划时代的产品，NVIDIA将其称为第一款GPU（Graphic Processing Unit，图形处理器），显示芯片上升到了与CPU（Center Processing Unit，中央处理器）同样的高度，虽然当时显卡的作用还没受到足够多的重视，但随着时间的推移GPU这个词被赋予了更多的含义。

GeForce 256是被作为一个图形处理单元(GPU)来设计的，GPU是一个单芯片处理器。它有完整的转换、光照、三角形设置和渲染引擎(分别为:Transform、Lighting、Setup、Rendering)等四种3D处理引擎，一些以前必须由CPU来完成的图形运算工作现在可以由GeForce256 GPU芯片独立完成，大多数情况下具有完整的传输和光照相引擎的GPU运算速度比CPU快2-4倍，同时也有效地减轻了CPU的浮点运算负担，减少了对CPU的依赖性。

随后的图形市场成为NVIDIA和ATI的天下，ATI提出了VPU（Virtual Processing Unit，视觉处理器）的概念，其实VPU和GPU代表着同样的东西，也就是两家的显示芯片，这两种称号的呼声随着两大图形巨头的实力变化而此消彼长，VPU在9800/X800时代的上镜率很高，而GPU的使用率则是持续高速增长。

NVIDIA在GeForce 6/7/8三代产品中连续保持强劲势头，市场占有率节节攀升，GPU和VPU之争也开始分出高下，GPU渐渐的被越来越多的人所接受，而VPU这个词除了一些老玩家还记得之外，恐怕也就是ATI显卡在驱动弹出VPU Recovery警告时会被重视，如今在AMD/ATI的官方演示文稿中，VPU一词已经很少出现，GPU成为了事实上的标准用语，VPU则渐渐的被遗忘。

从GeForce和Radeon系列显卡开始，就属于现代显卡的范畴了，每一代GPU的发展都会让渲染能力大增，支持新的图形API（DX7、8、9、10），以及更多的附加功能。

事实上，回顾前面五代显卡的发展，每一代有了革命性进步的显卡都会从CPU手里剥夺一些功能，或者说是帮助CPU处理它并不擅长的工作，现在就来简单回顾一下：

VGA Card：640×480分辨率彩色图形显示，单纯的输出图像

Graphics Card：支持图形界面加速，减轻CPU负担

Video Card：支持视频解码加速，减轻CPU负担

3D Accelerator Card：支持3D图形渲染，3D技术走向普及

GPU：支持坐标转换和光源处理，消除3D渲染的瓶颈

如今到了DX10时代，GPU除了在图形渲染能力和指令方面得到增强之外，又多了一项新的功能——Geometry Shader（几何着色），第一次允许程序在图像处理器中创建新数据。这一革命性的事件使得GPU在系统中的角色由只可处理已有数据的处理器变成了可以以极快速度既可处理又可生成数据的处理器。在以前图形系统上无法实现的复杂算法现如今变成了现实。

而且，无论NVIDIA还是ATI，新一代GPU都采用了统一渲染架构，庞大的流处理器成为GPU的核心模块，流处理器不但可以处理器像素、顶点和几何着色，在未来如果有了API的支持，GPU就可以执行更多的非图形指令！

目前来看，GPU已经能够支持高清视频加速以及物理加速这两项新的功能，随着NVIDIA和AMD GPGPU技术的发展，更多的科学计算任务被安排给GPU计算，因为GPU强大的浮点运算能力比CPU的执行效率更高。

当然，任何硬件都需要软件的支持才能发挥出应有的效能，GPU的前景是广阔的，但发展是曲折的。GPU不仅仅是一颗3D图形处理器，它不是只能用于玩游戏，未来GPU更多实用的功能将会被开发出来，比如大型文档加速、视频转换、编码、查毒杀毒、压缩解压……没有做不到只有想不到！

工作原理:

显卡是插在主板上的扩展槽里的（一般是PCI-E插槽，此前还有AGP、PCI、ISA等插槽）。它主要负责把主机向显示器发出的显示信号转化为一般电器信号，使得显示器能明白个人计算机在让它做什么。显卡主要由显卡主板、显示芯片、显示存储器、散热器（散热片、风扇）等部分组成。显卡的主要芯片叫“显示芯片”（Video chipset，也叫GPU或VPU，图形处理器或视觉处理器），是显卡的主要处理单元。显卡上也有和计算机存储器相似的存储器，称为“显示存储器”，简称显存。

早期的显卡只是单纯意义的显卡，只起到信号转换的作用；我们一般使用的显卡都带有3D画面运算和图形加速功能，所以也叫做“图形加速卡”或“3D加速卡”。PC上最早的显卡是IBM在1981年推出的5150个人计算机上所搭载的MDA和CGA两款2D加速卡。

显卡通常由总线接口、PCB板、显示芯片、显存、RAMDAC、VGA BIOS、VGA功能插针、D-sub插座及其他外围组件构成，显卡大多还具有VGA、DVI显示器接口或者HDMI接口及S-Video端子和Display Port接口。

应用现状：

显卡作为电脑主机里的一个重要组成部分，对于喜欢玩游戏和从事专业图形设计的人来说显得非常重要。
主要起显示加速的作用。
在一般显示上的画面质量(网页、图片、一般视频播放)集成显卡和独立显卡的差别肉眼基本不能分辨，就是说感觉效果一样好。
独立显卡的优越性主要体现在大型3D游戏和高清(1080P)播放的显示速度上。在这两者的应用上独立显卡流畅的多效果也可以好的多(3D游戏的抗锯齿、贴图质量、光影效果、帧数，高清播放的流畅度)。
科学计算，挖矿，深度学习，跑分。

未来发展趋势:

1、更多多媒体资讯的信息时代，显卡的性能需求会越来越高，所以显卡的性能提升，在制程工艺进步微小的情况下，会进入多核时代。
2、高清4K的普及，会拉高入门级显卡的需求，将来的主流入门级显卡应该能达到目前的顶级配置，毕竟产量决定成本。
3、VR虚拟现实技术的普及，会拉高显卡的高端产品需求。

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