Cartes graphiques: fonctionnement, évolution et éléments techniques

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Carte graphique

Une carte graphique est un circuit électronique d'une très grande complexité. Pour cette raison, seuls les composants principaux seront mentionnés ici. En effet, une carte graphique est dotée de son propre circuit d'horloge, de son propre BIOS, de son propre microprocesseur, ainsi que sa propre banque de mémoire. Elle est également dotée d'un convertisseur numérique-analogique (RAMDAC), et certaines sont équipées d'un connecteur d'extension qui permet d'ajouter une carte additionnelle prévue pour des fonctions spécifiques comme la réception des signaux de télévision, l'accélération MPEG, etc. Ses performances sont directement liées à celles du moniteur. Ainsi, lors du choix d'une carte graphique, il est important de s'assurer que celle-ci est bien adaptée au moniteur. Cela signifie que, comme le moniteur, elle devra être choisie selon les besoins de l'utilisateur. Parfois, la carte graphique est intégrée à la carte principale. Elle se présente alors sous la forme d'un circuit intégré.
L'image ci-dessous montre une carte graphique avec les composants que l'on peut y trouver. Il s'agit d'une carte très ancienne, prévue pour un port AGP, qui n'est habituellement plus utilisé aujourd'hui. Les cartes plus récentes sont dotées d'un refroidisseur très imposant ne laissant presque pas percevoir les composants. C'est la raison pour laquelle nous avons choisi ici une carte graphique plutôt ancienne.

Exemple de carte graphique

Introduction au GPU

Le GPU (microprocesseur graphique) est l'élément maître de la carte graphique. Comme un microprocesseur "classique", il s'agit d'un composant à semi-conducteur à haute intégration. La différence se situe dans le fait que le GPU est spécialisé dans le traitement de l'image. Par conséquent, il est conçu de façon quelque peu différente d'un microprocesseur x86 classique. Le GPU effectue différentes opérations de géométrie décrites plus loin. Il effectue différentes tâches à cet effet, possède ses propres registres et a accès à la mémoire GRAM. Comme il fonctionne à une fréquence élevée, il chauffe dès son enclenchement. Pour cela, il est nécessaire de le refroidir. Les refroidisseurs utilisés peuvent être de type passif ou actif. Un refroidisseur passif est une structure en métal ne possédant pas de ventilateur, comme celui illustré ci-dessous.

Refroidisseur passif

Un refroidisseur actif, au contraire, possède un ventilateur et provoque un mouvement d'air sur le GPU, afin qu'il soit refroidi. Son inconvénient est qu'il présente parfois des défauts mécaniques après quelques années d'utilisation. Il est peut également être bruyant. Un refroidisseur actif est illustré ci-dessous.

Refroidisseur actif

Traitement géométrique et graphique

Le GPU effectue de très nombreux traitements géométriques et graphiques. Ces principales fonctions sont décrites ci-dessous. Il s'agit d'une liste non exhaustive. Il existe d'autres fonctions, trop nombreuses pour être énumérées ici.

Gestion des vertices: les vertices sont des données décrivant toutes les informations nécessaires à la géométrie en 3D. Elles sont composées d'une longueur (gauche / droite), d'une largeur (haut / bas), d'une profondeur Z et d'un valeur W décrivant la coordonnée homogène. La longueur est désignée par X et la largeur par Y. La valeur W sert de modificateur des autres valeurs. Nous obtenons les coordonnées finales par l'arithmétique de celles-ci. Plus précisément, les données finales sont obtenues par une suite de division:

X'=X/W
Y'=Y/W
Z'=Z/W

L'éclairage de la scène est également prise en charge. Nous distinguons alors l'éclairage en couleur diffuse et spéculaire. La lumière diffuse est la couleur d'une figure lorsque celle-ci est éclairée par une lumière blanche. La lumière spéculaire est renvoyée lorsque l'objet est frappé de façon directe par la lumière.

Un autre élément de la géométrie ayant une importance est la normale. La normale est l'axe qui est parfaitement perpendiculaire à une figure géométrique plane.

La gestion des textures se calcul à l'aide des coordonnées de celles-ci sur les figures géométriques. Elles déterminent la position exact d'une texture sur un objet. Elles utilisent des valeurs comprises entre 0.0 et 1.0. et sont désignées par U et V. Un nombre supérieur à 1.0 répète la texture.

Données primitives: une primitive est une figure simple, telle qu'une ligne, un point, un triangle, etc. Certaines primitives sont plus complexes, tels que les triangles strip ou fan, ou les points strip. Cela permet d'optimiser les performances.

Tesselateur: le tesselateur n'est pas utilisé systématiquement. Son rôle est d'améliorer la finesse d'une surface appartenant à une figure géométrique. Le tesselateur adapte également l'éclairage de la figure.

Vertex Pipeline: le vertex pipeline traite les données des vertices à partir de leurs coordonnées. Cela permet de déplacer, pivoter et redimensionner un élément graphique et géométrique. Il existe deux types de vertex pipeline: certains sont programmables, d'autres sont fixes. Dans le cas d'un élément programmable, le traitement des vertices peut être modifié et remplacé. Cet élément est également doté de plusieurs registres ayant un rôle bien défini. Ainsi, nous trouvons les registres suivants: registres d'entrée, temporaires, constants, d'échantillonnage, d'adressage, d'attributs, et enfin les registres compteurs de boucles. Les registres d'entrées contiennent toutes les données du vertex, telle que sa position ou sa couleur. Les registres temporaires sont utilisés pour le stockage des variables de traitement. Dans les registres constants sont stockées les valeurs communes à plusieurs vertex. Elle contient trois types de valeurs: entières, booléennes ou réelles. Les registres d'échantillonnage contiennent des données relatives aux textures. Les registres d'adressage sont des pointeurs vers d'autres registres, afin d'y accéder plus rapidement. Les registres d'attributs sont utilisés pour les instructions conditionnelles et les registres de boucle sont utilisés pour stocker une valeur incrémentée lors d'opérations répétitives (boucles).

Culling: le culling est une opération visant à supprimer les vertex appartenants à des zones non visibles. Cela vise à éliminer les données inutiles et à optimiser les perfomrances.

GRAM: la mémoire graphique est d'une importance particulière lors du choix d'une carte graphique. La mémoire vive pour les cartes graphiques est désignée par l'acronyme GRAM. La GRAM a connut la même évolution que la mémoire RAM classique, même si quelques variantes existent. Il est possible de trouver des cartes graphiques équipée de quelques Mo à 512 Mo de cette mémoire. Si vous destinez votre carte graphique à des applications exigeant des performances vidéo élevées, cette quantité de mémoire sera nécessaire. Il n'existe pas de moyen d'augmenter la quantité de mémoire sur une carte graphique. Elles sont généralement dépourvues de connecteurs d'extension à cet effet.

Clipping: détermine si un objet est visible ou son degré de visibilité. Cela est utile lorsqu'une partie d'un objet se trouve hors de l'écran.

Tramage: le tramage est utile pour rendre les contours plus lisses.

Pixel pipeline: cet élément existe en version programmable ou non programmable. Il est chargé d'appliquer les textures aux pixels. Les données des textures sont pour cela utilisées. Cet élément est également chargé du mélange des textures et de leurs applications aux pixels. Il est possible de désactiver certains pixels, car cela peut s'avérer nécessaire. Avec plusieurs pixels pipelines, il devient possible de traiter plusieurs pixels simultanément.

Test alpha: détermination et utilisation de la transparence.

Test de profondeur: utilisé pour les scènes et objets en 3 dimensions. Contient les informations 3D des pixels et permet de ne pas afficher ceux qui ne seraient pas visibles.

Brouillard: est utilisé lorsqu'un objet n'est pas affiché instantanément, mais de façon progressive. Cela est parfois utilisé pour les objets en mouvement.

Mélange alpha: relatif à la transparence, cet élément permet de superposer des objets par transparence.

Viewport: permet de franctionner l'écran en plusieurs parties distinctes.

Anti aliasing: évite l'effet "escalier" qu'il est possible de rencontrer notamment dans les surfaces courbes.

Convertisseur numérique-analogique

Une carte graphique possède son propre circuit convertisseur numérique-analogique (RAMDAC), car un signal numérique ne peut pas être directement envoyé au moniteur CRT. Les performances d'un convertisseur numérique-analogique sont mesurées en MHz (Méga Hertz), et correspondent au nombre d'opération qu'il doit faire en une seconde. La performance qu'il devra atteindre est directement liée à la résolution et à la vitesse de rafraîchissement. Le tableau ci-dessous montre les performances que devra apporter le convertisseur numérique-analogique pour des configurations données. Le RAMDAC est utilisé uniquement si l'écran est branché sur la prise VGA standard et non sur la prise DVI.

Résolutions	60 Hz	70 Hz	72 Hz	75 Hz	85 Hz
640x480	24,33 MHz	28,38 MHz	29,19 MHz	30,41 MHz	34,46 MHz
600x800	38,01 MHz	44,35 MHz	45,61 MHz	47,52 MHz	53,85 MHz
1024x768	62,28 MHz	72,66 MHz	74,74 MHz	77,85 MHz	88,23 MHz
1280x1024	103,80 MHz	121,11 MHz	124,57 MHz	129,76 MHz	147,06 MHz
1600x1200	152,08 MHz	177,40 MHz	182,47 MHz	190,08 MHz	215,42 MHz
1800x1440	205,28 MHz	239,50 MHz	246,34 MHz	256,60 MHz	290,82 MHz

Mémoire tampon (buffer)

Une carte graphique 3D possède trois zones de mémoire distinctes:

La mémoire tampon avant
La mémoire tampon arrière
La mémoire tampon Z

La mémoire tampon avant enregistre l'image qui est couramment affichée, la mémoire tampon arrière enregistre la prochaine image qui va être affichée, et la mémoire tampon Z enregistre les informations de la troisième dimension. Comme le montre le tableau ci-dessous, la quantité de mémoire pour une carte graphique 3D est différente que celle exigée par une carte graphique 2D.

Résolutions	16 couleurs	256 couleurs	65000 couleurs	16,7 M couleurs
640x480	0,5 Mo	1 Mo	2 Mo	3 Mo
600x800	1 Mo	2 Mo	3 Mo	4,5 Mo
1024x768	1,5 Mo	2 Mo	5 Mo	7,5 Mo
1280x1024	2 Mo	4 Mo	8 Mo	12 Mo
1600x1200	3 Mo	6 Mo	12 Mo	18 Mo
1800x1440	4 Mo	8 Mo	16 Mo	23,5 Mo

Autres éléments

CRTC (Cathode Ray Tube Controller): le CRTC possède des registres configurable et permet de paramétrer le faisceau d'électrons dans les écrans CRT, ce qui est nécessaire sous certaines conditions.
GDC (Graphics Data Controller): Le microprocesseur nécessite parfois un accès à la mémoire graphique. Le GDC est chargé de gérer les communications entre ces deux éléments.
ATC: (ATtribute Controller): reconstitue l'image selon les données contenues dans la mémoire à un instant donné.
TS: (Timing Sequencer): Coordonne les échanges de données entre les différents circuits.

Normes d'affichage

Il existe de nombreuses normes d'affichage. Nous en avons sélectionné quelques unes ici, afin de montrer le mieux possible l'évolution des standards d'affichage.

MDA: Apparu en 1981, MDA signifie "Monochrome Display Adapter". Avec une carte de ce type, il n'était possible que d'afficher du texte. La résolution était très faible, seulement 80x25.
CGA: Apparu la même année, la norme CGA permettait d'exploiter une résolution très supérieure, 320x200. Cela se traduisait par un texte plus fin. CGA signifie "Color Graphic Adapter" et permettait d'afficher 4 couleurs.
EGA: EGA signifie "Ehanced Graphic Adapter". Apparu en 1985, il était possible d'afficher 16 couleurs et d'obtenir une résolution de 640x350. Il s'agissait donc d'un progrès marqué par rapport aux cartes précédentes.
VGA ou MCGA: décliné sous deux appellations, les cartes VGA sont apparues en 1987 et representaient également un progrès considérable comparé aux cartes EGA. 256 couleurs pouvaient être affichées à une résolution de 320x200. En mode 16 couleurs, il était possible d'exploiter une résolution de 640x480. En mode texte, celle-ci atteignait 720x400. VGA signifie "Video Graphics Adapter", et MCGA "Muti-Color Graphics Array".
Super VGA: il s'agit d'une évolution de la norme VGA, permettant d'exploiter 256 couleurs à la résolution de 640x480. Ce type de carte était également capable de résolutions plus élevées. Ainsi, il était possible de travailler en 800x600 ou 1024x768.
XGA: XGA signifie "Extended Graphics Array" et a été lancé par IBM en 1990. Il s'agit de la première norme à pouvoir exploiter 16 millions de couleurs. Les résolutions supportées sont 800x600 et 1024x768 (en mode 65536 couleurs).

Les normes suivantes sont toutes dérivées du XGA. Elles sont toutes exploitées avec 16 millions de couleurs. Les résolutions qu'elles sont capables d'afficher sont toutefois différentes. Il existe d'autres variantes, toutes les résolutions n'étant pas données ici.

SXGA (Super Extended Graphics Array): permet une résolution de 1280x1024.
UXGA (Ultra Extended Graphics Array): permet une résolution de 1600x1200.
WXGA (Wide Extended Graphics Array): permet une résolution de 1280x800.
WSXGA (Wide Super Extended Graphics Array): permet une résolution de 1600x1024.
WSXGA+ (Wide Super Extended Graphics Array +): permet une résolution de 1680x1050.
WUXGA (Wide Ultra Extended Graphics Array): permet une résolution de 1920x1200.
QXGA (Quad Extended Graphics Array): permet une résolution de 2048x1536.
QSXGA (Quad Super Extended Graphics Array): permet une résolution de 2560x2048.
QUXGA (Quad Ultra Extended Graphics Array): permet une résolution de 3200x2400.

Connecteurs et câblage

L'image ci-dessous montre les connecteurs qu'il est possible de trouver sur une carte graphique. L'utilisation de ceux-ci sont décrites ci-dessous.

Connecteurs graphiques

DVI: DVI signifie "Digital Video Interface" est existe en trois variantes: DVI-I, DVI-D, et DVI-A. Il est possible d'exploiter les avantages de la transmission DVI uniquement avec les écrans LCD ou plasma. Les écrans à tube cathodique sont différents, car ils utilisent un signal d'entrée analogique.

Les données transmises par la sortie VGA classique sont analogiques. Les données DVI sont numériques. Les écrans LCD et plasma peuvent alors utiliser ce signal directement, sans passer par une conversion analogique-digital comme lorsqu'ils sont connectés sur le connecteur VGA. Il en résulte un signal de meilleure qualité, une conversion analogique-digital ou digital-analogique dégradant celui-ci. C'est là l'intérêt de la transmission DVI.

La variante DVI-I intègre les deux types de signaux. Ainsi, il est possible de connecter un écran plat en utilisant le signal numérique directement, ou d'utiliser le signal analogique pour un écran CRT. Ce dernier devra toutefois être connecté via un adaptateur.

La variante DVI-D délivre uniquement un signal numérique. Par conséquent, uniquement les écrans plats peuvent être utilisés.

La variante DVI-A délivre uniquement un signal analogique. A l'aide d'un adaptateur, il est possible d'y connecter un écran CRT.

VGA: le connecteur VGA standard délivre un signal analogique qui peut être utilisé avec n'importe quel type d'écran. La carte graphique et l'écran sont reliés à l'aide d'un câble D-SUB de 15 contacts. Le tableau ci-dessous montre les connexions que l'on trouve sur une carte graphique.

Prise VGA

Contact	Désignation	Description
1	RED	Données d'affichage rouge
2	GREEN	Données d'affichage vert
3	BLUE	Données d'affichage bleu
4	RES	Contact réservé
5	GND	Masse
6	RGND	Masse rouge
7	GGND	Masse vert
8	BGND	Masse bleu
9	+5V	Tension +5V
10	SGND	Masse de synchronisation
11	ID0	Bit 0 pour moniteur (optionnel)
12	SDA	Données séries DDC
13	HSYNC/CSYNC	Synchronisation horizontale / composite
14	VSNYC	Synchronisation verticale
15	SCL	Horloge DDC

TV-Out: la connexion TV-Out est utilisé lors de la connexion avec un écran de télévision.