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Die Grafikkarte - Geschichte, Funktionsweise und vieles mehr!

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Alt 18.02.2007, 14:23   #1
EffizienzGuru
 
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Standard Die Grafikkarte - Geschichte, Funktionsweise und vieles mehr!

Der Inhalt des Threads wurde abgeändert und ist in der Ursprungsform eine Projektarbeit von mir für die Berufsschule.


Inhaltsverzeichnis

1. Projektanlass/Ausgangssituation
2. Geschichte der Grafikkarte
3. Aufbau und Funktionsweise
4. Bussysteme
5. Die GPU
6. Der Grafikspeicher
7. RAMDAC
8. Von der Festplatte zur Ausgabe
9. Rendering und Filtering
10. Anschlüsse
11. Schlusswort etc.




1. Projektanlass/Ausgangssituation
Die Entwicklung des „Personal Computers“ schreitet seit seiner Erfindung Anfang der 70er Jahre stetig voran. Seine Einsatzgebiete: Textverarbeitung, Abspielen von Videos und Musik, Organisation, Speicherung und Verarbeitung von Datenmengen nahezu unbegrenzter Größe und Vielfalt. Doch durch die steigende Leistungsfähigkeit und die – besonders grafisch – immer höheren Ansprüche der Endanwender mussten und wurden weitere Anwendungsgebiete exploriert und Marktlücken sowohl erkannt als auch geschlossen. Die immer detailgenauere Darstellung immer aufwändigerer, visueller Inhalte stellt besonders die Entwickler von Grafikkarten und Bus-Architekturen immer wieder erneut vor eine schwierige Aufgabe.

Diese Dokumentation befasst sich sowohl mit der historischen, gegenwärtigen bzw., sofern möglich, zukünftigen Entwicklung und technischen Funktionsweise von Grafikkarten, als auch mit weiteren Bauteilen und Architekturen, die für die visuelle Darstellung von Daten notwendig sind.


2. Geschichte der Grafikkarte
2.1 Die erste Generation

Der erste Computer, der Daten visuell (und farbig) darstellen konnte, war der „Apple II“, welcher April 1977 auf den Markt kam. Der „Apple II“ hatte, im Gegensatz zu anderen damaligen Computern, einen digitalen Zeichen- und Grafikgenerator, welcher in der Lage war, vom gängigen „LoRes“ (48*10 px @ 16 Farben) zum revolutionären „HiRes“ (280*192 px @ 16 Farben) zu wechseln.

Der Gigant IBM hingegen hat dieser Neuerung zunächst keine Aufmerksamkeit geschenkt und geschlagene 4 Jahre später die ersten IBM-PCs vermarktet, welche mit einer Karte ausgestattet waren, die lediglich die einfarbige Darstellung von Text ermöglichte. Der erste Anzeigestandard, der MDA (= Monochrome Display Adapter) war geboren. Trotz der Ausschöpfung aller Möglichkeiten des MDA-Standards durch das US-Unternehmen Hercules, wurde der CGA-Standard (=Color Graphics Adapter), welcher auch von IBM entwickelt wurde, immer populärer und drängte das veraltete System ins Abseits. Doch wie auch sein Vorgänger, konnte sich der CGA nicht allzu lange halten. Der EGA-Standard (=Enhanced Graphics Adapter), welcher im Jahre 1984 (IBM) veröffentlicht und gefeiert wurde, ersetzte das vorherige Prinzip.
Doch auch dieser konnte sich aufgrund der rasenden Entwicklung nicht entziehen und wurde knapp 5 Jahre später, im Jahre 1989, von dem noch heutigen VGA (=Video Graphics Array) sowohl in Leistungsfähigkeit, als auch in Popularität und Verbreitung übertroffen.
Alle bisherigen Standards stammten aus IBMs Feder, was sich im Laufe des Jahres 1989 änderte. Die Video Electronics Standards Association, kurz VESA, entwickelte weitere Maßstäbe (während sie die alten übernahm), die allerdings nur nebensächlich zur Entwicklung der Grafikkarte beitrugen.

2.2 Die zweite Generation

Die damalige „Grafikkarte“ war mit der heutigen kaum Vergleichbar. Bis 1990 beschränkte sich ihre Funktion darauf, die im VRAM (siehe Seite 7, Grafikspeicher früher) abgelegten Daten in Ausgangssignale umzuwandeln. Diese erste Generation der Grafikkarten, die nur Textmodus oder pixelgenau (Pixel = „Picture Element“, einzelner Bildpunkt, der dargestellt wird) programmierte „Grafiken“ unterstützte, wurde bald darauf von der zweiten Generation, den „Windows-Beschleunigern“ abgelöst. Diese wesentlich schnelleren Grafikkarten unterschieden sich besonders dadurch von ihren Vorgängermodellen, dass sie sich zunehmend zu eigenständigen Computern entwickelten, die neben einer eigenen GPU (=Graphics Processing Unit) auch die Möglichkeit boten, über ihre „Pixel Engine“ Befehle zum Zeichnen von Linien, Anlegen und Füllen von Flächen und ähnlichem abzuschicken. Da dies dazu führte, dass eine Grafikkarte wesentlich mehr Platz im System beansprucht, wurden ab diesem Zeitpunkt mainboardunabhängige Steckkarten produziert, die sowohl auswechselbar waren, als auch die Möglichkeit zur nachträglichen Erweiterung des Systems boten.

2.3 Die dritte Generation

Nachdem Mitte der 90er Jahre, durch das Spiel „Doom“ initialisiert, der Boom der 3D-Spiele begonnen hatte, wurden die Forderungen nach leistungsstärkeren Grafikadaptern immer offensichtlicher. Das Unternehmen 3dfx erkannte diesen Hype frühzeitig und veröffentlichte den ersten 3D-Beschleuniger-Standard, den Voodoo Graphics Chipsatz, dessen wesentliches Prinzip war, die CPU durch den Einsatz einer GPU, zu welcher alle grafischen Berechnungen delegiert wurden, welche bei vorangegangenen Grafikkarten von der CPU erledigt werden mussten, zu entlasten.

Diese Generation von Grafikkarten ist stark mit heutigen Modellen vergleichbar, obgleich sich die Leistung im Laufe der Entwicklung vervielfacht hat. Auch das heutzutage nicht mehr außergewöhnliche SLI/Crossfire (das Verwenden von mehreren Grafikkarten) oder Verbauen von mehreren GPUs auf einer Grafikkarte gab es schon zur Zeit der Voodoo-Karten von 3dfx.

Anmerkung: SVGA und XGA sind keine Grafikstandards sondern lediglich Indikatoren für mögliche Auflösungen (XGA = 1027*768).


3. Aufbau und Funktionsweise
3.1 Prinzipieller Aufbau


Grundsätzlich besteht eine Grafikkarte heutiger Generationen aus einigen Bestandteilen:
  • Grafikschnittstelle (Bus)
  • Grafikchip/-prozessor (GPU)
  • Grafikspeicher (VRAM)
  • RAMDAC
  • Monitor-Schnittstelle


4. Bussysteme
4.1 PCI Conventional

Das hauptsächlich im PC-Umfeld angesiedelte Bus-System PCI Conventional (=Peripheral Component Interconnect), welches seit ca. 1994 in nahezu allen IBM-kompatiblen PCs verwendet wird, ist das älteste relevante Bus-System, welches von Grafikkarten als Schnittstelle genutzt wird. Aufgrund der für damalige Verhältnisse hohen Geschwindigkeit (33,33Mhz), planten die Entwickler des PCI Conventional ursprünglich, mit diesem Bus die Anforderungen in PCs für Grafik-, Netzwerk- und andere Schnittstellenkarten über einen langen Zeitraum zu erfüllen. Da die Entwicklung der Grafikkarten für den PCI-Bus allerdings nicht pausierte, war „PCI“ bald nicht mehr der „Allround-Bus“, sondern eine für Grafik ungenügende, für alles andere aber mehr als ausreichende Schnittstelle.

4.2 AGP

3 Jahre nach Einführung des PCI-Bus, also 1997, wurde der AGP-Bus (=Accelerated Graphics Port), welcher von Intel entwickelt wurde, zum ersten Mal in einem Pentium-II-System in den Chipsatz integriert. Schon in der „AGP 1x“-Version ist er schneller als sein Vorgänger, da er mit 66,66Mhz eine theoretische Übertragungsrate von 266 MB/s erreicht.

Um den Datendurchsatz zu steigern, wurde das so genannte Double-Data-Rate-Verfahren (DDR) entwickelt. Durch den Einsatz dieses Verfahrens, welches in Verbindung mit dem Prefetch-Verfahren (d.h. das „Vorladen“ von Daten) die doppelte Übertragungsgeschwindigkeit ermöglicht, konnte die - bis kürzlich – schnellste Grafik-Schnittstelle „AGP 8x“ in die Chipsätze integriert werden, welche einen theoretischen Datendurchsatz von 2133 MB/s ermöglicht.

4.3 PCI-Express

Da die Hauptintention des AGP-Bus die war, eine schnelle Punkt-zu-Punkt-Verbindung zum Arbeitsspeicher des Computers zu liefern (da schneller VRAM sehr teuer war), verliert er mit steigender Grafikspeicher-Geschwindigkeit zunehmend an Sinn und Verbreitung.
Um auch weiterhin die Entwicklung von schnelleren Grafikkarten zu ermöglichen, wurde der PCI-Express-Bus entwickelt, welcher eine technische Nachfolge des PCI-Bus darstellt.

Beim PCI-Express-Bus wird die Datenübertragung seriell und Punkt-zu-Punkt durchgeführt. Die Übertragung findet über so genannte „Lanes“ (dt. Spuren, Bahnen) statt. Während der PCI-E x1 (d.h., dass nur eine Lane verwendet wird) ein Datendurchsatz von theoretisch 250 MB/s ermöglicht, können mit dem PCI-E x16, welcher das momentane Maximum pro Schnittstelle darstellt, ca. 4 GB/s erreicht werden. Dadurch stehen auch die Einsatzgebiete der verschiedenen PCI-Express-Geschwindigkeiten fest: PCI-E x1 als Ersatz für den herkömmlichen PCI-Bus und PCI-E x16 als wesentlich schnellere (ca. doppelte Geschwindigkeit) Schnittstelle für Grafikkarten.
Mittlerweile ist die Version 2.0 des PCIe Standards existent, so dass bis zu 500MB/s theoretisch möglich sind. Grafikkarten, die einen PCIe 2.0 fähig sind, sind abwärtskompatibel zum PCIe 1.0 Standard. Jedoch muss mit einem minimalem Leistungsverlust gerechnet werden.


5. Die GPU
Die GPU, die „Graphic Processing Unit“, dient dem System einzig durch die Berechnung der darstellungsrelevanten Grafikinformationen. Durch diese Entlastung der CPU ist es möglich geworden, neben der proprietären 2D-Darstellung auch 3D-Objekte auf dem Bildschirm auszugeben. Per Definition ist die GPU als eine Abart der CPU, welche darüber hinaus mit Transform-, Lighting-, Rendering-Engines (siehe Seite 7 Grafikspeicher) uvm. ausgestattet ist.

Spricht man von „der GPU“, so wird im Volksmund oftmals der Chip an sich benannt, nicht aber dessen Funktion und Einsatzgebiet, welche, neben der Anzahl pro Sekunde berechneter Polygone, die oftmals zu diesem Zweck herangezogen wird, Indikatoren für dessen Leistung darstellen. Etwas vertiefter unterscheidet man zwischen den folgenden Verwendungsarten:

„Externe“ Grafikkarte: Findet eine GPU auf einer Grafikkarte Verwendung, welche zur Erweiterung des Systems gebraucht wird (daher „extern“), so ist dies ein Indikator dafür, dass hier mehr Leistung vorhanden ist, als auf Onboard-Grafikchips.

Onboard-Grafikchips: Eine GPU, welche „onboard“, d.h. fest auf dem Mainboard verbaut, ist, hat oftmals – aus rein platz- und abwärmetechnischen Gründen, sowie durch die Tatsache bedingt, dass diese keinen eigenen Speicher verwendet, d.h. den Arbeitsspeicher des Systems benutzt – weniger Leistung, als Grafikerweiterungskarten.

Hybride Grafikkarte: Eine hybride Grafikkarte ist im Wesentlichen eine onboard verbaute, „externe“ Grafikkarte. Sie vereint in sich die (annähernde) Geschwindigkeit einer vollwertigen Grafikkarte und den Platzbedarf einer Onboard-Variante, hat allerdings den Nachteil, dass der RAM des Computers von der GPU mitverwendet wird, wobei weiterhin eigener Speicher zur Verfügung steht („Shared Memory“). Solche Lösungen werden oftmals in Notebooks und low-end-PCs verwendet.

Stream Processing/GPGPU: Eine GPGPU, d.h. General Purpose Graphics Processing Unit, ist eine GPU, deren Leistung nicht nur auf grafische Aspekte, sondern auch zur Unterstützung der CPU angewandt wird. Durch die „Stream Processing“-Technologie, also eine Technologie zur – bisher außer Konkurrenz stehenden – Bündelung von Rechenleistung, ist es möglich, die GPGPU besonders effizient einzusetzen. Diese Technologie ist noch sehr neu und befindet sich zur Zeit noch in der Test- bzw. Entwicklungsphase.



6. Grafikspeicher


6.1 Grafikspeicher früher

Bis Ende der 70er Jahre gab es keine gesonderten Einheiten für die Verarbeitung und Ablage der Bilddaten. Sie wurden von der CPU verarbeitet und im Hauptspeicher des Systems abgelegt.
Die Grafikkarten der ersten Generation übernahmen diese Aufgaben. Der Speicher diente bis Anfang der 90er Jahre jedoch nur als Framebuffer. Es wurden hier also nur die fertigen Bilddaten für einen Frame abgelegt und zur Ausgabe an ein Anzeigegerät bereitgehalten. Dem entsprechend klein war dieser Speicher dimensioniert. Ein kleines Rechenbeispiel wird dies verdeutlichen:

Grundlage: VGA Auflösung 640*480 px bei 4 Bit Farbtiefe (16 Farben):

640 x 480 = 307.200 px
307.200 x 4 Bit  1,23 MBit  1,71 MB

Zum Einsatz kam hier bis Mitte der 90er Jahre meist der FPM-DRAM welcher zum EDO-DRAM weiterentwickelt wurde und von diesem etwa 1996 abgelöst wurde. Da die GPU im Laufe der Zeit immer mehr Operationen auf dem Grafikspeicher durchführte, wuchsen parallel dazu die Ansprüche an diesen. Er war nun für die Ausgabe der Bilddaten zuständig und diente fortan als Berechnungsgrundlage für die GPU.

Es wurde der VRAM entwickelt dessen getrennte Ein- und Ausgabeleitungen ein gleichzeitiges Schreiben und Lesen ermöglichen. Hier wurde eine logische Trennung zwischen dem eigentlichen Bildspeicher (SAM, serial access memory) und dem Arbeitsspeicher (DRAM, dynamic random access memory) durchgeführt:
Während der SAM die fertigen Bilddaten für den RAMDAC bereithält und ein rasches Auslesen ermöglicht, da er nur sequenziell ausgelesen werden kann und keine Adressierung unterstützt wird, werden im DRAM die Berechnungsgrundlagen (z. Texturen) für die GPU hinterlegt und von dort aus fertige Zeilen auf Anfrage in den SRAM kopiert.

Weiterentwicklungen:
WRAM (Window RAM) ist analog zu VRAM mit getrennten Lese- und Schreibleitungen ausgestattet, bietet aber schnellere Zugriffszeiten und ist billiger in der Herstellung. Z. B. verfügen die Grafikkarten Matrox MGA Millennium und die Number Nine Revólution 3D "Ticket to Ride" über WRAM.
SGRAM (Synchronous Graphics RAM) ist ein technologisch mit SDRAM verwandter single-ported Speicher, d. h. gleichzeitige Lese- und Schreibzugriffe sind nicht möglich. Er bietet einen um Grafikoperationen erweiterten Funktionsumfang (z. B. blockweises Lesen und Schreiben) und höhere Taktfrequenzen.
MDRAM (Multi-bank DRAM) ist als Feld unabhängiger Speicherbänke aufgebaut, die über einen gemeinsamen Bus verbunden sind. Mit dieser Struktur ist ein hoher Grad der Parallelisierung möglich. Die Grafikkarte Hercules Dynamite 128 (GPU: TSENG ET6000) verfügt über bis zu 4 MB MDRAM.
CDRAM (Cache DRAM) ist eine Mischung aus statischem Speicher (SRAM) und dynamischem Speicher (DRAM). Ähnlich dem Cache moderner Prozessoren werden beim CDRAM häufig benutzte Daten im schnellen SRAM abgelegt, was zu einer Leistungssteigerung führt.
3D RAM ist eine Entwicklung von Mitsubishi bestehend aus Speicherbausteinen mit dazwischen befindlicher integrierter Logik. So sind einige Grafikoperationen (z. B. z-Buffer Test) direkt im Speicher ausführbar. Einsatz findet dieser Speicher in der UltraSparc von Sun Microsystems.
GDDR-SDRAM (Graphics Double Data Rate SDRAM) ist ein auf DDR-SDRAM basierender Grafikspeicher, der sich durch optimierte Zugriffszeiten und hohe Taktfrequenzen auszeichnet.

6.2 Grafikspeicher heute

Aufgrund der stetig wachsenden Ansprüche an die Grafikkarte wuchsen auch die Ansprüche an den Grafikspeicher. Heute aktuell ist der GDDR-Speicher in der 3. Generation. Ebenso wurde der Grafikkarte eine Schnittstelle zur Verfügung gestellt, welche direkten Zugriff auf den Arbeitsspeicher des Computers ermöglicht (AGP, siehe Seite 5, Bussysteme).
Im Folgenden ein kleiner Überblick über die Informationen, die im Grafikspeicher abgelegt werden:
Framebuffer: hier liegt das fertige Bild für den RAMDAC bereit
z-Buffer
Vertex-Shader- und Pixel-Shader Programme
Geometriedaten
Texturdaten
Die Texturdaten (siehe Seite 11, Der Aufbau einer 3D-Welt) nehmen den größten Anteil des Grafikspeichers ein. Ausschlaggebend hierfür ist deren Auflösung und Farbtiefe.

Der heute eingesetzte GDDR-Speicher ist eine speziell für den Einsatz in Grafikkarten entwickelter DDR-Speicher. Er zeichnet sich durch seine zwei I/O-Interfaces aus, damit CPU und GPU gleichzeitig schreiben können. Bei einer Taktrate von 500 – 800 MHz ist ein maximaler Datendurchsatz von 51,2 GB/s möglich, da wie beim DDR-Speicher pro Takt 2 Bits übertragen werden können.



7. RAMDAC


Der RAMDAC (Random Access Memory Digital/Analog Converter) ist dafür zuständig die fertigen Bilder (Frames) aus dem Speicher der Grafikkarte in ein analoges Signal zu wandeln. Dieses analoge Signal ist bei analogen Anzeigegeräten nötig (z.B. Bildschirm mit Kathodenstrahlröhre). Häufig wird zu den technischen Daten einer Grafikkarte die Arbeitsgeschwindigkeit (Pixelfrequenz) des RAMDACs in MHz angegeben. Diese ist ausschlaggebend für die Bildwiederholfrequenz einer Grafikkarte bei einer bestimmten Auflösung (Anzahl der Pixel pro Bild). Dabei wird jedes Pixel in die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau aufgeteilt, da jeder Monitor ein Pixel aus Subpixeln dieser 3 Farben erstellt.
Hier ein Rechenbeispiel:

Grundlage: Ausgabe an einen Monitor mit einer Auflösung von 1024*768px bei 100 Hz Bildwiederholfrequenz

1024 x 768 x 3 = 2.359.296 (Subpixel RGB)
2359296 x 100 = 235.929.600 px/s => 236 MHz RAMDAC

Gängig ist heute eine Pixelfrequenz von 400 MHz, was nach dem vorherigen Rechenbeispiel mehr Leistungspuffer als wirklich effiziente Nutzung dessen zu sein scheint. Es ist jedoch auch möglich an eine Grafikkarte mehrere Anzeigegeräte anzuschließen. Müssen sich also zwei Monitore einen RAMDAC teilen, kann die Auflösung von 1024*768 px nicht mehr mit 100 Hz dargestellt werden. Deshalb kommt es heute häufig vor, dass 2 RAMDACs auf einer Grafikkarte verbaut werden, um eine flimmerfreie und hoch auflösende Ausgabe an mehreren Geräten zu ermöglichen.



8. Von der Festplatte bis zur Ausgabe


8.1 Der Aufbau einer 3D-Welt

Um zu verstehen, wie ein Bild aufgebaut wird, muss man zunächst verstehen, was alles benötigt wird, um eine virtuelle Welt darzustellen. Im Folgenden soll durch Begriffserklärungen etwas Grundverständnis aufgebaut werden.

Das Grundgerüst jeder 3D-Darstellung (am PC) ist das Polygon. Ein Polygon ist eine (meist) Dreiecksfläche, mit dessen Hilfe jedes erdenkliche zwei- oder dreidimensionale Objekt dargestellt werden kann. Um ein Quadrat darzustellen, werden einfach 2 Polygone aneinander gelegt – für einen Kreis sind es beliebig viele, je nach qualitativen Ansprüchen.
Wie die nebenstehende Grafik verdeutlicht, wird ein darzustellender Kreis runder, desto mehr Polygone dazu verwendet werden, ihn darzustellen.

Da es zu aufwändig wäre, jedes Polygon einzeln einzufärben, um die gewünschte Darstellung zu erreichen, werden farbige „Mäntel“ über Polygone bzw. Polygongerüste gelegt – die Texturen. In diesem Zusammenhang ist auch nicht verwunderlich, dass bei zunehmendem grafischen Realismus in Spielen und Animationen neben der Erhöhung der Anzahl angezeigter Polygone auch die Auflösung von Texturen drastisch vergrößert wurde.

Doch auch das pixelgenaue Berechnen der Texturen würde die Rechenintensität drastisch erhöhen. Aus diesem Grund wurden so genannte Texel, „Textur Elemente“, zur Hilfe gezogen, die im Endeffekt nichts weiter sind, als farbgleiche Ansammlungen von Pixeln in einer Textur. Zur grundsätzlichen Darstellung von mehrdimensionalen Objekten sind Texel nicht von großer Bedeutung, was bei verschiedenen Filtering-Methoden, auf die noch im genaueren eingegangen wird, anders ist.

Neben den Texeln gibt es zur Vereinfachung und Beschleunigung der Grafikberechnungen ein weiteres Hilfsmittel, die MIP Maps, deren Name sich von dem lateinischen Begriff „Multum in Parvo“ (Viele unter Gleichen), sowie dem englischen Begriff „Map“ (Karte), ableitet. MIP Maps sind im wesentlichen immer wieder – in verschiedenen Auflösungen und verschiedener Qualität - auftretende Texturen, die zur eigentlichen Darstellung des Bildes nicht von Nöten sind, sondern erst im MIP-Mapping-Verfahren Verwendung finden.



9. Rendering und Filtering


9.1 2D-Computergrafik

Mit der 2D-Computergrafik sind Grafiken gemeint, die sich in einer Ebene beschreiben lassen. Es gibt zwei bedeutsame Arten der 2D-Computergrafik: Die Vektor- und die Rastergrafiken. Vektorgrafiken sind simple Beschreibungen der mathematischen Bestandteile von Linien, Kreisen und Polygonen. Eine Rastergrafik dagegen besteht nur aus Pixeln, die in einer Matrix angeordnet sind. Eine Rastergrafik ist im Gegensatz zu einer Vektorgrafik nicht verlustfrei skalierbar und enthält viele redundante Informationen, da jedes Pixel z.B. von einem Kreis einzeln gespeichert werden muss, bei der Vektorgrafik hingegen nur die Funktion um diesen zu berechnen.

9.2 3D-Computergrafik

Bilineare Filterung
Früher waren Texturen relativ grob aufgelöst, daher wirkten Grafiken nicht besonders scharf und oft auch verschwommen, weil die Übergänge zwischen den Farbwerten deutlich sichtbar waren. Das wurde mit der Einführung der bilinearen Filterung stark verbessert. Die bilineare Filterung vermischt vier verschiedene Texel und errechnet daraus einen Endpixel, der auf dem Monitor ausgegeben wird.
Nachteil dieser Methode ist, dass der Endpixel verschwommen wirken kann, wenn sich die vier Texel in ihrem Farbwert stark unterschieden.

MIP-Mapping
MIP-Mapping ist keine Filterung im eigentlichen Sinne, sollte aber in Verbindung mit der trilinearen Filterung erwähnt werden. Ohne MIP-Mapping ist es möglich, das gleiche Texturen auf unterschiedlichen Entfernungen unterschiedlich Wirken, sprich Flimmern oder grob aufgelöst wirken.

Trilineare Filterung
Die trilineare Filterung ist eine Verbesserung der bilinearen Filterung.
Bei der trilinearen Filterung werden nicht nur die von der bilinearen Filterung berechneten Texel, sondern auch die benachbarten Mip-Maps mit einbezogen. Dadurch entstehen weichere Kanten und Übergänge. Außerdem sind keine Grenzen zwischen den Texeln mehr sichtbar.

Anisotropische Filterung
Der Nachteil von bilinearer und trilinearer Filterung ist, das sie Texturen von geneigten Ebenen nicht glätten können. Hier schafft die anisotropische Filterung Abhilfe.
Der Unterschied zu den vorhergehenden Filterungen ist logisch zu erklären. Die anisotropische Filterung bezieht bei der Berechnung des Endpixeln mehr Texel mit in die Rechnung ein.
Es gibt die 2x, 4x, 8x und 16x fachte anisotropische Filterung. Bei der 2x werden 8 Texel, bei der 4x werden 4 x 16 Texel, bei der 8x werden 8 x 32 Texel und bei der 16x werden 16 x 64 Texel mit in die Berechnung einbezogen.

Kantenglättung
Da mit den heutigen Monitoren und Grafikkarten nicht immer höhere Auflösungen angezeigt werden können, kommt die Kantenglättung ins Spiel. Diese wird auch Antialiasing genannt.
Antialiasing optimiert das bestehende Bild, bei bestehender Auflösung, und lässt dadurch Kanten, Treppen etc. runder erscheinen.
Es gibt verschiedene Arten von Antialiasing. Unter anderem Supersampling, was von ATI verwendet wird, und Multisampling, welches von Nvidia bei der Kantenglättung Verwendung findet. Diese Hauptarten der Kantenglättung unterscheiden sich lediglich in der Berechnung der Kanten. Jede dieser Arten hat ihre Vor- und Nachteile.



10. Anschlüsse


10.1 VGA, DVI und HDMI

Der VGA-Anschluss ist ein Bildübertragungsstandard von der Grafikkarte zum Anzeigegerät. Je nach Qualität des VGA-Kabels kann es schon ab 5 Metern Länge zu Bildstörungen kommen. Aufgrund des Signals, welches beim VGA – im Gegensatz zu z.B. DVI – analog ist, findet diese Anschlussvariante nur bei (älteren) Kathodenstrahlröhrenmonitoren Verwendung. Ebenfalls wird bei Verwendung eines analogen Monitors empfohlen, die Auflösung nicht höher als 1280*1024px zu wählen. Da es sonst ebenfalls zu Bildstörungen kommen kann.

Der DVI-Anschluss ist der digitale Übertragungsstandard, der dem analogen VGA folgte. Das Bild kann direkt von der Grafikkarte zum Monitor übertragen werden, dadurch entfallen sämtliche Konvertierungen, was ein enormer Vorteil gegenüber der Übertragung des Vorgängers ist.
Das „Digital Visual Interface“ nutzt zur Datenübertragung den TDMS-Standard. Dieser Standard wurde von der Firma Silicon Image entwickelt. TDMS kann digitale Daten unkomprimiert vom PC zum Endgerät übertragen, ohne, dass dabei ein Qualitätsverlust statt findet. Von der verwendeten Datenbreite hängt es ab, welche TDMS-Variante bei der Übertragung gewählt wird. Man unterscheidet zwischen Single- und Doublelink, wobei mit Singlelink maximal 1600*1200 px, wenn Grafikkarte und Monitor reduced blanking unterstützen auch 1920*1200px, möglich sind.

Neben dieser allgemeingültigen „Grundform“ gibt es noch drei weitere Arten von DVI-Typen. Man unterscheidet zwischen DVI-I, DVI-D und DVI-A.
DVI-I kann sowohl digitales, als auch analoges Bildmaterial übertragen. Ob das Bildmaterial als Single- oder Doublelink übertragen wird, hängt von der Anzahl der Pins ab. Singlelink hat 18+5 Kontakte und Doublelink 24+5 Kontakte.
DVI-D überträgt nur rein digitales Bildmaterial. Wie beim DVI-I Kabel, hängt auch hier die Datenübertragung von dem gewählten Kabel ab. Singlelink ist hier mit 18+1 Kontakten und Doublelink mit 24+1 Kontakten angebunden.
Die letzte Möglichkeit ist das DVI-A, welches jedoch kaum verbreitet ist. Es überträgt nur rein analoges Material und ist daher häufig in DVI-zu-VGA-Adaptern zu finden.

HDMI ist eine 2003 entwickelte Schnittstelle, die neben Video- auch Audiosignale übertragen kann.
HDMI ist primär für die Unterhaltungselektronik entwickelt worden, die bis dato das Videosignal fast ausschließlich Analog ausgeben konnte. Um bestehende Kopierschutze durch Verwendung von HDMI nicht umgehen zu können, wurde HDMI mit dem HDCP-Standard ausgestattet. HDCP steht für High-bandwidth Digital Content Protection und soll ein umgehen des Kopierschutzes unmöglich machen.
Immer mehr Hersteller haben mittlerweile Monitore mit HDMI-Anschluss im Portfolio. Besonders attraktiv ist dieser Anschluss, wenn der Monitor neben dem bekannten 16:9 Format auch eine FullHD-Auflösung zur Verfügung stellt. Denn dann kann der Anwender DVDs und BluRays in gewohnter Fernsehqualität auf seinem PC-Monitor schauen.




11. Schlusswort etc.

Literaturverzeichnis

Wikipedia Foundation Inc.
Antialiasing - Wikipedia Aufgerufen am 22.01.07
Grafikprozessor - Wikipedia Aufgerufen am 22.01.07
Rastergrafik - Wikipedia Aufgerufen am 22.01.07
Vektorgrafik - Wikipedia Aufgerufen am 22.01.07
Computergrafik - Wikipedia Aufgerufen am 22.01.07
VRAM - Wikipedia Aufgerufen am 22.01.07
GDDR - Wikipedia Aufgerufen am 22.01.07

Whitianga Marketing Ltd., BVI
3DCenter - Die Geschichte der Grafikkarte Aufgerufen am 22.01.07

KUHN, Stefan; Thema Grafikkarten. Gewerbliche Schule Schwäbisch Hall
Grafikkarten
Aufgerufen am 22.01.07

Allround-PC.com
Allround-PC.com ---> All about Hardware & Games Aufgerufen am 22.01.07

das ELKO - das ELektronik-KOmpendium.de
Grafikspeicher Aufgerufen am 22.01.07


Ich habe für diesen Thread Texte gekürzt, umgeschrieben und Bilder weggelassen. Falls euch daher Fehler auffallen, sei es inhaltlich oder auch nur semantische Fehler, so teilt mir diese Bitte mit!

Sobald meine Arbeit es zulässt, werde ich das Ganze um DirectX, OpenGL, PCI-E 2.0 uvm. erweitern.

Viel Spaß beim Lesen!
__________________

Geändert von xpate (22.01.2009 um 09:20 Uhr)
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Alt 18.02.2007, 14:40   #2
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Wow Ein starkes Stück Arbeit. Inwiefern Projektarbeit? War es eine Facharbeit für Informatik oder Technik?

Find ich klasse, dass du die Arbeit hier veröffentlichst
__________________
The remainder is an unjustifiable egostical power struggle at the expense of the american dream, of the american dream,of the american...
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Alt 18.02.2007, 14:43   #3
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Ich mache eine Ausbilung zum Fachinformatiker für Anwendungsentwicklung.
Im Fach LF6(Fragt mich nicht wofür das nun steht) hat jeder eine Projektarbeit aufgedrückt bekommen.
Themen wie Mainboard, CPU, Halbleiterspeicher etc. waren auch dabei.

Das was Ihr hier lesen könnt, ist eine gekürzte und veränderte Form von meiner Dokumentation. Ein Handout und eine PowerPoint Präsentation gehören auch noch dazu.
__________________
xpate ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 18.02.2007, 15:09   #4
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LF6 bedeutet bei uns Lernfeld 6. Gibt ja mittlerweile bei der Berufsausbildung keine normalen Fächer mehr in der Berufsschule.

Die ganze Arbeit ist aber sehr schön und gegliedert aufgebaut, gut gemacht
__________________
"Fry, du kannst doch nicht den ganzen Tag vor dem Fernseher verbringen, du musst auch mal raus und die echte Welt sehen..."

"Aber wir haben HDTV, das hat eine wesentlich bessere Auflösung als die echte Welt"
wolfram ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 18.02.2007, 15:15   #5
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Zitat:
Zitat von wolfram Beitrag anzeigen
LF6 bedeutet bei uns Lernfeld 6. Gibt ja mittlerweile bei der Berufsausbildung keine normalen Fächer mehr in der Berufsschule.

Die ganze Arbeit ist aber sehr schön und gegliedert aufgebaut, gut gemacht
Danke fürs Lob

Lernfeld ist mir schon bewusst.
Das es keine Fächer mehr gibt ist mir dann wohl entgangen
__________________
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Alt 20.02.2007, 15:17   #6
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Schoener Artikel.

Vielleicht trotzdem ein paar Anmerkungen zu einigen Formulierungen die etwas zweideutig sind.

Bei dem Erwaehnen von VGA wuerde ich den Zeitpunkt des Erscheinens 1987 und der Marktdurchdringung 1989 trennen. Desweiteren fehlt irgendwie die 8514/A die der Vorlaeufer der SVGA Karten war, bzw. auch schon einiges mehr als nur die reinen Anzeigefunktionen konnte.

Dann steht bei GPU:
Zitat:
Das Unternehmen 3dfx erkannte diesen Hype frühzeitig und veröffentlichte den ersten 3D-Beschleuniger-Standard, den Voodoo Graphics Chipsatz, dessen wesentliches Prinzip war, die CPU durch den Einsatz einer GPU, zu welcher alle grafischen Berechnungen delegiert wurden, welche bei vorangegangenen Grafikkarten von der CPU erledigt werden mussten, zu entlasten.
Das Wort 'alle' ist ziemlich irrefuehrend in dem Satz. Schreib doch besser, welche Features den Knackpunkt darstellen beim Uebergang von 2D Win32 Beschleunigung zu 3D Beschleunigung - die 3dfx implementierte.
Im Prinzip ist der Weg zum Bild in modularen Schritten zuzuordnen der CPU oder GPU, wo immer mehr Dinge auf der GPU ausgefuehrt wurden. In der Weise kann man das gut darstellen denke ich.

Ansonsten ist mir aufgefallen, dass du oft in verschiedenen Kontext von Leistungsstaerkeren Karten redest. Vielleicht waere es gut, das spezieller zu fassen und jeweils zu sagen ob du RAM Groesse / Takt / Features / max. Aufloesung / Farbtiefe meinst.

Wenn man den RAM anspricht, sollte man vielleicht erwaehnen, dass der RAM auf Grafikkarten im allgemeinen als Punkt zu Punkt Verbindung angebunden ist und auf Mainboards als BUS. Das ist auch einer der Hauptgruende, warum man so hohe Transferraten erzielen kann.
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elianda ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 20.02.2007, 15:57   #7
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Danke für die Anregungen.
Bei passender Gelegenheit werde ich das anpassen.
Falls du Lust und Zeit hast, kannst du auch gerne paar Sachen abändern
Das Ganze hier muss ja nicht unbedingt als Werk von mir dargestellt werden, sondern kann selbstverständlich von allen erweitert werden, so dass ein Thread entsteht, an dem das gesamte Forum dran arbeitet.

Bei den VGA, SVGA Sachen sind solche Vorgänger, oder wie man sich auch nennen mag, bewusst hier und teilweise auch in der vollständigen Dokumentation nicht mit aufgeführt. Weil ich explizit die Anweisung bekommen habe, die Dokumentation relativ flach zu halten und möglichst wenig auf technische etc. Feinheiten einzugehen.
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Alt 22.01.2009, 08:57   #8
EffizienzGuru
 
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Es gab ein kleines Update, auch bezüglich PCIe 2.0.

Gruß Jan
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