显卡结构及其影响因素

显卡的主要部件有：GPU、显存、供电、接口、BIOS、驱动等，如图5-1所示。这几部分“相互作用”，对显卡的性能产生直接的影响。多功能显示卡上还有可以连接彩电的TV端口或S端口，以及数字视频接口DVI端口。新型高端显卡还采用了一种数字高清接口标准HDMI。与传统的DVI相比，HDMI可以传输数字音频信号和高分辨率视频信号。

1.显示芯片

显示芯片也就是常说的GPU（Graphic Processing Unit）即图形处理单元，是显卡的核心。显示芯片的主要任务就是处理系统输入的视频信息，并对其进行转换或渲染等工作。早在硬件发展的初期并没有GPU这个概念，它是由NVIDIA公司在GeForce 256图形处理芯片时代提出的。目前显示芯片生产厂商只有AMD和NVIDIA两家，而集成显卡市场的则是AMD（APU）与Intel的天下。GPU使显卡减少了对CPU的依赖，并进行部分原本CPU的工作，尤其是在3D图形处理时。

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。显卡的等级直接由显卡芯片来划分，所以很多显卡只需要了解它使用的显卡芯片，就能对整块显卡的性能略知一二了。以NVIDIA显卡GPU核心命名为例：主要有GK104、GK106、GK107（性能由高到低），其中GK104是主打高端型号，GK106布局中端的型号，而GK107算是补全性质的低端型号。与GPU核心相互关系的就是通常俗称的显卡命名：其中采用GK104核心的显卡主要有GeForce GTX 680、GeForce GTX 670、GeForce GTX 670；采用GK106核心的显卡主要有GeForce GTX 660、GeForce GTX 650 Ti；采用GK107核心的显卡主要包括GeForce GTX 650。

影响GPU性能的关键因素很多，主要是最大加速频率、CUDA核心数量（流处理器数量）、晶体管数量、纹理单元数量、ROP单元数量、显存位宽等。

显卡的核心频率是指显示核心的工作频率，其工作频率在一定程度上可以反映出显示核心的性能。其中最大加速频率，可以理解为显卡工作时的最高频率（显卡的频率越高性能就越强）。CUDA核心数量其实就是流处理数量，只不过N卡有CUDA技术，所以才称之为“CU-DA核心数量”。流处理器的数量的多少，已经成为了决定显卡性能高低的一个很重要的指标。NVIDIA和AMD都在不断地增加显卡的流处理器数量，使显卡的性能达到了跳跃式增长。

目前显卡的渲染流程是：顶点单元构建模型骨架，纹理单元处理纹理贴图，像素单元处理光影特效，ROP（光栅）单元负责3D转2D光栅化输出。如果以人体来比喻的话，顶点单元就是骨骼，纹理单元就是肌肉和皮肤，ROP（光栅）单元就是人的力气大小。

显存位宽是显存在一个时钟周期内所能传输数据的位数，位数越大则瞬间所能传输的数据量就越大，这是显存的重要参数之一。目前市场上的显存位宽有128位、192位和256位三种。显存位宽越高显卡性能越好。

图5-1 显卡

以上几点就是影响GPU性能的关键要素。除此之外，显卡芯片的架构、制程工艺对GPU的性能也有一定的影响。虽然显示芯片决定了显卡的档次和基本性能，但只有配备合适的显存才能使显卡性能完全发挥出来。

显示芯片通常是显示卡上最大的芯片（也是引脚步最多的），一般上面都有散热片或散热风扇。显示芯片上印有商标、生产日期、型号和厂商名称等，如图5-2所示。

2.显存

显存也称做帧缓存，其主要功能是暂时储存显示芯片要处理的数据和处理完毕的数据。图形核心的性能愈强，需要的显存也就越多。它的作用是用来存储显卡芯片处理过或者即将提取的渲染数据。计算机显示器上的画面是由一个个像素点构成的，而每个像素点都以4～32位甚至64位的数据来控制它的亮度和色彩。这些数据必须通过显存来保存，再交由显示芯片处理，最后把运算结果转化为图形输出到显示器上。决定显卡性能的第一个要素是显示核心，第二个要素就是显存。显存的作用就好比内存，它的强弱对显卡性能有着直观的影响。

影响显存性能的主要因素包括：显存类型、显存容量、显存位宽、显存带宽、显存频率、读取速度等。

显存类型指的是显存的种类，如GDDR3、GDDR5等。目前主流的显存容量有512 MB、1 GB、2 GB等。需要说明的是显卡性能的强弱，和显存容量没有直接的关系，只有当显卡核心在足够强的情况下大显存容量的显卡才能发挥出性能优势。显存带宽=显存频率×显存位宽/8。在显存频率相当的情况下，显存位宽将决定显存带宽的大小，显存位宽越高则显卡性能越好。显存频率是指默认情况下，该显存在显卡上工作时的频率，以兆赫兹（MHz）为单位。显存频率一定程度上反映了该显存的速度。显存频率会随着显存的类型和性能的不同而不同（最直观的表现是GDDR5显存强于GDDR3显存）。

显存的读取速度一般以ns为单位，常见的显存有6 ns、5.5 ns、5 ns、4 ns、3.8 ns等。目前主要的显存生产厂商有：美国的Micron（美光）、德国的Infineon（英飞凌）和韩国的SA-MSUNG（三星）、HY（现代）等。最新的主流高端级显卡都采用的是GDDR5的显存，之前主流的GDDR3显存颗粒也正式退居二线，而GDDR4显存仅仅是个过渡型产品，市售的显卡所见不多。GDDR5相对于GDDR3的核心优势在于显存带宽大幅度提升。显存芯片如图5-3所示。

图5-2 显卡的显示芯片

图5-3 显存芯片

3.显卡BIOS

显卡BIOS固化在显卡所带的一个专用存储器中。BIOS中含有显卡的硬件控制程序和显卡型号、规格、生产厂家、出厂时间等相关信息，其作用和主板BIOS相同。系统驱动后第一个出现在显示器上的就是显卡BIOS的信息提示，只有显卡正常工作，显示器才可能显示其他内容。显卡性能好的坏除了要有硬件支持，还需要软件层支持。BIOS的强弱一方面展现上游厂商的研发实力，另一方面也直接影响着显卡的性能。在BIOS中，用户可以调节显卡的频率、核心电压和风扇转速等参数。一流的显卡厂商都在推出自家的BIOS调节工具（超频软件），以方便用户进行超频。

早期显卡BIOS是固化在ROM中的，而现在的多数显示卡则采用了大容量的Flash Mem-ory，它可以通过不断升级驱动程序来适应新的规范、提升显卡的性能。显卡的BIOS与显卡超频有着直接的关系。

4.显卡的驱动程序

显卡的驱动程序即添加到操作系统中的一小块代码，其中包含有关硬件设备的信息。有了此信息，计算机就可以与设备进行通信。各个硬件厂商为了保证硬件的兼容性及增强硬件的功能会不断升级驱动程序。(www.xing528.com)

5.显卡与主板的接口

在显卡正面的下方，有一排双面金色的针脚，它们被称为金手指，是与主板连接进行数据交换的通道。现在这个接口主要有PCI-E 2.0和PCI-E 3.0两种。

现一些主流显卡都采用了PCI-E 3.0接口，如图5-4所示。在理论上，PCI-E 3.0接口传输带宽是PCI-E 2.0的两倍。

图5-4 主板上的PCI-E插槽和显卡的PCI-E接口

6.输出接口

如果要显卡处理好的图像要显示在显示设备上，则就离不开显卡的输出接口。现在最常见的输出接口有：VGA接口、DVI接口、S端子这三种输出接口。

（1）VGA接口

图5-5 15芯VGA接口

VGA接口的作用是将转换好的模拟信号输出到CRT或者LCD显示器中，如图5-5所示。几乎每款显卡都有VGA接口，标准的VGA接口采用非对称分布的15 PIN连接方式，其工作原理是将显存内以数字格式存储的图像信号在RAMDAC里经过模拟调制成模拟高频信号，然后再输出到显示器中成像。

（2）DVI接口

DVI接口是一种完全的数字视频接口，如图5-6所示，它可以将显卡产生的数字信号原封不动地传输给显示器，从而避免了在传输过程中信号的损失。DVI接口可以分为两种：仅支持数字信号的DVI-D接口（见图5-6a）和同时支持数字与模拟信号的DVI-I接口（见图5-6b）。DVI-D接口只能接收数字信号，接口上只有3排8列共24个针脚，其中右上角的一个针脚为空，不兼容模拟信号。DVI-I接口可同时兼容模拟信号和数字信号。兼容模拟信号并不意味着模拟信号的接口D-Sub接口可以连接在DVI-I接口上，而是必须通过一个转换接头才能使用，一般采用这种接口的显卡都会带有相关的转换接头。显示设备采用DVI接口具有速度快和画面清晰的优点，不过由于成本问题和VGA的普及程度，目前的DVI接口还不能全面取代VGA接口。

图5-6 DVI接口

a）DVI-D接口 b）DVI-I接口

（3）S-Video（S端子）

S端子也叫二分量视频接口，一般采用五线接头，完成向电视机或监视器之类的显示设备上输出视频信号的功能。5个插孔呈半圆分布，与电视机上的S端子完全相同。主要功能是为了克服视频节目复合输出时亮度与色度的互相干扰。S端子的亮度和色度分离输出可以提高画面质量。

（4）HDMI和DP

HDMI（High Definition Multimedia Interface）即高清晰度多媒体接口。它可以提供高达5Gbit/s的数据传输带宽（见图5-7），并可以传输无压缩的音频信号及高分辨率视频信号。同时无须在信号传输前进行数-模或者模-数转换，就可以保证最高质量的影音信号传输。应用HDMI的好处是，只需要一条HDMI线，便可以同时传输影音信号，而不像现在需要多条线材来连接。同时，由于无须进行数-模或者模-数转换，因此能取得更高的音频和视频传输质量。

图5-7 HDMI接口与DP接口

DP（Display Port）是由视频电子标准协会（VESA）发布的显示接口。作为DVI的继任者，DP在传输视频信号的同时加入对高清音频信号传输的支持，同时支持更高的分辨率和刷新率。它能够支持单通道、单向、四线路连接，数据传输率10.8 Gbit/s，足以传输未经压缩的视频和相关音频。还支持1 Mbit/s的双向辅助通道，供设备控制之用，此外还支持8位和10位颜色。在数据传输上，DP使用了“Micro-PackeTised”格式。VESA还表示，DP具备高度的可扩展性，可以在今后不断加入更多新内容。

7.供电接口

供电接口为显卡提供电力支持，常见的有6PIN、8PIN、8+6PIN，一般高端的显卡需要的供电接口较多。