3D显示加速卡漫谈

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从3D游戏到三维设计，我们都需要3D技术的支持。目前，高不可攀的专业3D技术正在渐渐走入寻常人家。低价3D技术正广泛应用于我们使用的台式系统中，而不再只是主板供应商为了商业竞争而提供的一种选择。为了有效地减轻CPU的负担以及提供完美的3D特殊效果，最佳的处理方式是在显示卡的绘图芯片上，增加直接负责3D图形处理和提供3D特殊效果的能力，也就是所谓的硬件加速能力。3D显示技术也不再局限于应用在令人眼花缭乱的游戏上，虽然3D 技术的引进最早的初衷正是3D游戏；通用的三维技术正一步步悄悄地走近我们的生活。同时，三维软件需要统一的开发和使用平台，这方面，3D软件支持平台的开发和市场争夺正在如火如荼地进行着。

　　3D硬件发展简况

　　3D芯片是如今最热门的话题之一，一块好的3D加速卡可以大大减轻CPU的负担，甚至可以使一块速度很慢的CPU在三维图形上的表现大大超出另一块速度虽然很快但没有好3D加速卡的CPU。虽然3D加速芯片分担CPU的处理任务的原理是大体相同的，但3D芯片的结构千差万别，有些芯片可以编程，如Renditon公司基于RISC的Vrit和Chromatic公司的Mpact， Mpact 2，它们都采用了超长指令集（VLIW）结构。

　　大多数可编程3D芯片的性能依赖于驱动它的低层软件扩展程序。Rendition和Chromatic目前的芯片都支持固件（FIRM WARE）模式。OEM厂家编写自己的低级代码来加强对算法、数据结构和新特性的开发。

　　专业的3D加速卡有的中间件微代码模块允许系统设计者开启或关闭特定的应用，如3D图形、视频会议和电话通信等。与此不同，另外一些专业3D卡则包括专门用于实用时3D操作的"像素管道"硬件电路，用来作纹理映射和混合，另外，RISC内核负责几何造型和滤波（Filtering），这些都极大减轻了CPU的负担。这种硬件电路解决方案牺牲了灵活性，但通常可以获得更高的性能。当API和其它标准修改或升级时，用户都得依赖这些厂家提供新的软件驱动程序。这些就是专业的3D加速卡的3D技术解决方案。

　　但专用的3D解决方案并不一定适用于今天的PC机，相反，今天的3D加速卡可以以"像素泵"并行工作方式、以独立的PCI卡形式与图形卡协同工作，即当3D芯片计算出像素点位置后通过PCI总线传送到图形显示卡上。这方面的例子有：3DfxVoodoo Graphics加速芯片和Voodoo II，Video logic的PowerVR等专用3D芯片，都要求一块现有的图形加速卡。

　　新一代3D加速芯片中较为突出的几款是：

• 3Dfx Voodoo系列：包括Voodoo Graphics，Voodoo Rush，Voodoo II，VoodooBanshee。游戏效果无与伦比，速度非常快，而且又有众多的游戏支持，已经成为3D游戏的首选标准。但只对游戏有效；
• NVIDIA系列：包括Riva 128，Riva 128ZX，Riva TNT。总的说速度最快，效果总体上不如Voodoo系列，2D/3D的全能显卡，是目前热销的系列显卡；
• 3D Labs系列：Premedia 2，Premedia 3等。对OpenGL的全面支持，提供专业级的3D加速，是专业3D人员的首选卡；游戏效果也不错，2D/3D速度都很好；
• Matrox G100和G200：很快的2D/3D速度，但在游戏中的效果并不是太好；使用SDRAM的版本会在较大程度上影响其速度表现；
• ATI 3D RAGE PRO：3D速度中规中距，采用独特的ASIC结构。2D方面的性能很出色。

　　除了使用的芯片外，3D加速卡的性能与以下几个因素都有很大关系：

　　１、显存： 显存是显示卡的重要组成部分，随着加速芯片的发展，显存也逐步改变着。从早期的普通DRAM到现在广泛流行的SGRAM，显存的速度以及它对3D加速卡性能的影响也越来越大。显存通常用来存储显示芯片(组)所处理的数据信息。当显示芯片处理完数据后会将数据输送到显存中，然后RAMDAC从显存中读取数据并将数字信号转换为模拟信号，最后将信号输出到显示屏。所以显存的速度以及带宽直接影响着一块加速卡的速度，如果你的3D加速卡有一颗强劲的“芯”，但是显存却无法将处理过的数据即时传送，那么结果就是你还是无法得到满意的显示效果，这同PC机的CPU和内存的关系差不多。

　　在容量一定的条件下，我们都知道在购买系统内存总是要买速度快的，同样显存也存在速度的差别，不同类型(甚至不同品牌)的显示卡用的显存也不尽相同。比如老式的FPM和EDO DRAM的对比。很多FPM都是60ns，而当EDO DRAM广泛采用后显存的速度达到了25ns，更高的速度带来的往往是更大的数据传输带宽，这对整个显示系统性能的影响是很大的。但是在同种类型显存中，显存速度的提高对显卡性能的影响就不十分显著。

　　数据传输带宽指的是显存一次可以读入的数据量，这是影响显示卡性能的关键，它决定着你的显示卡可以支持更高的分辨 率、更大的色深和合理的刷新率。显存的种类很多，但大体上可以分为两类，单端口显存和双端口显存。单端口显存从显示芯片读取数据以及向RAMDAC传输数据都是经过同一个端口，这样一来数据的读写和传输就无法同时进行。

　　单口的显存包括：

• FPM DRAM：快页式DRAM，一般只工作在5-3-3-3状态的 66 MHz下；
• EDO DRAM：可以工作在5-2-2-2状态和75MHz下；
• SDRAM： SDRAM与早期产品的设计思路完全不同，它可以在一个时钟周期内进行数据的读写，从而节省了等待时间。SDRAM现在已经成为显存市场上的主导产品，这主要是因为其低廉的价格和较佳的性能，通常SDRAM可以工作在5-1-1-1和100MHz下；
• SGRAM：SGRAM是一种比较新的同步显存，而且它是为专为显示卡所设计的，它改进了过去低效能显存传输率较低的缺点，为显示卡性能的提高创造了条件。SGRAM可以工作在125MHz或更高的频率，而且价格也比较合理，所以应用日渐广泛；
• 以VRAM为代表的双口显存在性能上更具备优势，Video RAM的双端口较好地解决了单端口时影响显卡速度的这一难题，大多数时间内，数据从显示芯片通过一个端口传送到显存中，而与此同时另一个端口又可以将显存中已有的数据传送到RAMDAC中，这样就避免了数据进出时所浪费的等待时间。但VRAM应用并不广泛，这是因为Video RAM是为显示卡所量身定作的，只能运用在显示卡上，需求范围较狭窄；而且Video RAM的合成需要更多的硅，价格非常高，只有专业的加速卡才使用它；
• WRAM：是VRAM的一个改进产品，与VRAM相比WRAM的带宽要高出25%，而且当运用例如块填充时WRAM可以达到更高的效能，此外最重要的是WRAM的制造工艺要比VRAM简单，其价格自然要比VRAM低；当然，相比单口的显存，价格还是很高的；不过，这些优点已经足以使其成为新一代的显存新贵。

　　2、RAMDAC （Random Access Memory Digital-to-Analog Converter）

　　在显存中存储的当然是数字信息，因为计算机是以数字方式运行的，对于显卡来说这一堆0和1控制着每一个像素的色深和亮度。然而显示器并不以数字方式工作，它工作在模拟状态下，这就需要在中间有一个“翻译”。RAMDAC的作用就是将数字信号转换为模拟信号使显示器能够显示图象。RAMDAC的另一个重要作用就是提供显卡能够达到的刷新率，它也影响着显卡所输出的图象质量。现在新的3D加速卡的RAMDAC的工作频率都在200MHz以上。