Cartes Graphiques

1
Cartes Graphiques
2
Plan

• Historiques et modes graphiques
• Architecture-évolution des composants
• RAMDAC (CRT/DVI)
• Bus
• Mémoire
• Accélérateur graphique/GPU
• Vertex Shader
• Pixel Shader

3
Plan

• Historiques et modes graphiques
• Architecture-évolution des composants
• RAMDAC (CRT/DVI)
• Bus
• Mémoire
• Accélérateur graphique/GPU
• Vertex Shader
• Pixel Shader

4
Historique/modes graphiques

• 1ère carte graphique
• Par IBM en 1981
• MDAs Monochrome Display Adapters
• Mode texte uniquement 80x25 caractères à 50Hz
• Port imprimante
• HGC
• CGA
• EGA
• VGA
• SVGA
• XGA, SXGA, UXGA et autres

5
Historique/modes graphiques

• MDAs
• HGC
• Par Hercules (fondée en 1982)
• Hercules Graphics Card (compatible MDAs)
• Mode graphique monochrome 720x348
• CGA
• EGA
• VGA
• SVGA
• XGA, SXGA, UXGA et autres

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Historique/modes graphiques

• MDAs
• HGC
• CGA (contre attaque dIBM)
• Mode Graphique Couleur 320x200x4
• Essentiellement jeux vidéos
• Manque de résolution pour bureautique
• EGA
• VGA
• SVGA
• XGA, SXGA, UXGA et autres

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Historique/modes graphiques

• MDAs
• HGC
• CGA
• EGA (Enhanced Graphics Adapter)
• Par IBM en 1984
• Résolution max 640x350x16 couleurs
• Palette de 64 couleurs
• Fréquence de 60Hz
• VGA
• SVGA
• XGA, SXGA, UXGA et autres

8
Historique/modes graphiques

• MDAs
• HGC
• CGA
• EGA
• VGA (Video Graphic Array)
• Par IBM en 1987
• Résolution 640x480x16 320x200x256
• Palette de 262.144 couleurs (6 bits)
• 1er standard vidéo à fonctionner en analogique
• SVGA
• XGA, SXGA, UXGA et autres

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Historique/modes graphiques

• MDAs
• HGC
• CGA
• EGA
• Amélioration du VGA par IBM
• 8514/A (1987)1024x768x256 43.5Hz
  entrelacé640x480 60Hz non-entrelacé
• SVGA
• XGA, SXGA, UXGA et autres

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Historique/modes graphiques

• MDAs
• HGC
• CGA
• EGA
• Amélioration du VGA par IBM
• XGA (eXtended Graphics Array)Introduit en 1990,
  successeur du 8514/A512Kb/1Mb VRAM 1024x768x256
  640x480x16bits
• SVGA
• XGA, SXGA, UXGA et autres

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Historique/modes graphiques

• MDAs
• HGC
• CGA
• EGA
• Amélioration du VGA par IBM
• XGA2 XGA avec fréquence plus élevées1024x768x16b
  its800x600x24bits
• SVGA
• XGA, SXGA, UXGA et autres

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Historique/modes graphiques

• MDAs
• HGC
• CGA
• EGA
• VGA
• SVGA (SuperVGA)
• Basé sur le VGA avec spécif du constructeur
• Reconnu standard du mode 800x600
• Video Electronics Standards Association propose
  une interface logiciel standard le VESA SVGAou
  VESA BIOS Extension (VBE)
• SXGA, UXGA et autres

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Historique/modes graphiques

• MDAs
• HGC
• CGA
• EGA
• VGA
• SVGA
• SXGA, UXGA
• UVGA (UltraVGA) et XGA standard 1024x768
• SXGA (SuperXGA) standard 1280x1024
• UXGA (UltraXGA) standard 1600x1200

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Plan

• Historiques et modes graphiques
• Architecture-évolution des composants
• RAMDAC (CRT/DVI)
• Bus
• Mémoire
• Accélérateur graphique/GPU
• Vertex Shader
• Pixel Shader

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Architecture
Accélérateur Graphique GPU
BUS
Mémoire centrale
Mémoire vidéo
DVI
RAMDAC
CRT

• RAMDAC (CRT vs DVI)
• Bus
• Mémoire
• Accélérateur Graphique (2D)/GPU (3D)

16
Architecture
Accélérateur Graphique GPU
BUS
Mémoire centrale
Mémoire vidéo
DVI
RAMDAC
CRT

• RAMDAC (CRT vs DVI)
• Bus
• Mémoire
• Accélérateur Graphique (2D)/GPU (3D)

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Architecture - RAMDAC

•  Random Access Memory Digital to Analogic
  Converter 
• Numérique -gt Signal analogiquepour périphérique
  CRT(Cathotique Ray Tube)
• Fréquence interne liée à la fréquence de
  rafraîchissement du moniteur
• Accès à la mémoire vidéo ( framebuffer )

18
Architecture - RAMDAC

• Du  framebuffer  au RAMDAC
• Le RAMDAC peut recevoir les formats suivants
• True Color 1 octet/composante gt 24bits
• HiColor 5bits (rouge et bleu)-6bits (vert)
  gt16 bits (65536 couleurs)ou 5 bits/composante
  gt 15 bits soit 2 octets (32768 couleurs)
• RGBA True Color avec canal Alpha (32 bits)
• Fausses Couleurs Indexation dune palette de
  couleur (24bits/couleur) gt envoi des couleurs
  indexées

19
Architecture - RAMDAC

• Persistance rétinienne gt rémanence visuelle gt
  effet danimation (25Hz 30Hz)
• Fréquence de rafraîchissement de limage au
  minimum 50Hz (entrelacé)Confort des yeux à
  fréquence gt 72Hz
• gt Fréquence interne élevé (en Mhz)
• gt Accès mémoire très fréquent

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Architecture - RAMDAC

• Calcul théorique de la fréquence interne
• Taille de lécran largeur x hauteur
• Fréquence visuelle (ex 75Hz) freq
• Freq. internelargeur x hauteur x freq x 1.32
• Raison du facteur 1.32
• Canon à électron perd 32 du temps pour les
  déplacements horizontaux et verticaux

21
Architecture - RAMDAC

• Exemples
• ATI Radeon 9800 Bi-RAMDAC 400Mhz
• 1600x1200 -gt 120Hz (pas de 160 Hz !!)
• 2048x1536 -gt 85Hz (pas de 90 Hz !!)
• nVidia GeForce FX 5900 Bi-RAMDAC 400Mhz
• 2048x1536 -gt 85Hz (pas de 90 Hz!!)
• Pour assurer une résolution 1600x1200 à 85Hz,il
  faut un RAMDAC dau moins 1600x1200x85x1.32 Hz
  205 Mhz
• Problème actuel Limitation du moniteur !!

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Architecture - RAMDAC

• DVI (Digital Video Interface)
• Specif. par Digital Display Working Group(DDWG)
• Accomodation pour périph. digital ET analogique
• 3 normes
• DVI-A signaux analogiques en sortie
• DVI-D signaux digitaux en sortie
• DVI-I (Integrated) fait pour les 2 types de
  sortie
• DVI-D DVI-I périph. digital (écran plat) gt
  Pas de RAMDAC !

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Architecture
BUS
Accélérateur Graphique GPU
Mémoire centrale
Mémoire vidéo
DVI
RAMDAC
CRT

• RAMDAC (CRT vs DVI)
• Bus
• Mémoire
• Accélérateur Graphique (2D)/GPU (3D)

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Architecture - Bus

• ISA (Industry Standard Architecture )
• 1981 8bits à 4.7Mhz (sur les 8086)
• 80286 (1984) gt 16bits 6Mhz (puis 8Mhz)
• Débit max de 5.5Mo/s
• Goulet détranglement dès larrivé du 80386
• Les - Le bus le lent !!
• Les Facilement utilisable peu coûteux

25
Architecture - Bus

• MCA (Micro Channel Architecture)
• Développé et utilisé par IBM (avec ses PS/2)
• Incompatible avec lISA gt Monopole dIBM
• 1er bus à 32bits - 10Mhz (40Mo/s)
• EISA (Enhanced ISA) 1988
• Développé par des constructeurs(Compaq)pour
  contre-attaquer le MCA dIBM
• Architecture 32bits, compatible ISA 8/16bits
• 8.33 Mhz (compatibilité ISA) - 33 Mo/s
• Utilisation application lourde (Serveurs de
  fichier)

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Architecture - Bus

• VLB (VESA Local Bus)
• En 1992 par  Video Electronics Standards
  Association  
• Extension du bus local du processeur (port ISA
  étendu)
• Spécifique aux cartes graphiques
• Largeur 32 bits
• Fréquence externe du processeur 33-50Mhz
• Débit 130Mo/s (40Mo/s en pratique)
• VLB 2.0 fonctionne en 64bits

27
Architecture - Bus

• PCI (Peripheral Component Interconnect)
• En 1993 par Intel en réponse au VLB
• PCI 1.0 32bits - 33Mhz gt 132Mo/s (le courant)
• PCI 2.0 64bits (33,66,133Mhz) pour serveurs !
• Meilleur que le VLB car certaines
  fonctionnalités
• Bus Master (transfert direct entre 2 périph. PCI)
• Look Ahead (anticipation)
• buffering (stockage temporaire de linformation
  gt meilleur débit
• Incompatible avec lISA gt Slots PCIISA
• Devenu un standard, mais goulet détranglement !

28
Architecture - Bus

• Port AGP (Accelerated Graphics Port)
• Fin 1997 par Intel (palier au pb du PCI)
• Spécifique aux cartes graphiques
• Basé sur le standard PCI2.1 gt 66Mhz
• Architecture 32 bits
• Version Pro 110W (au lieu de 50W)

29
Architecture - Bus

• Port AGP
• Bus Mastering (accès direct à la mémoire)
• Pipelining requête en série (? PCI attente
  dack)
• SBS (Side Band Signaling) ou SBA(Side Board
  Adressing) 32bits du bus 8bits (broches
  latérales) pour le contrôle (requêtes) et la
  synchro AGPlt-gtCarte graphique
• 2 modes de fonctionnement
• Mode DMA ou PIPE(local texturing) accès direct à
  la mémoire centrale
• Mode DIME (Direct Memory Execute) traitement des
  textures en mémoire centrale

30
Architecture - Bus

• Port AGP
• 1x débit de 264Mo/s (codage sur les fronts
  montant)
• 2x débit de 528Mo/s (codage sur les deux front)
• PIPE envoie donnéecontrôle multiplexé
• SBA envoie donnéecontrôle démultiplexé
• 4x débit 1Go/s (double les infos sur chaque
  front)
• gt mémoire suffisamment rapide (DDR ou RAMBUS)
• Fast Write accès direct mémoire vidéo
• 8x débit 2Go/s (quadruple les infos sur chaque
  front)Mais gain minuscule de 5 par rapport au
  4x.

31
Architecture - Bus

• Demain PCI-Express
• Très peu dinformations
• PCI en série
• Très performant !!
• ?

32
Architecture
Accélérateur Graphique GPU
BUS
Mémoire centrale
Mémoire vidéo
DVI
RAMDAC
CRT

• RAMDAC (CRT vs DVI)
• Bus
• Mémoire
• Accélérateur Graphique (2D)/GPU (3D)

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Architecture - Mémoire

• Importance du débitUn écran de 1024x768x24bits
  à 70Hz gt débit de 1024768370157Mo/s
• Multiple accèsProcesseur graphique RAMDAC gt
  latence
• DRAM (DynamicRAM)
• Type FPM (Fast Page Mode) Rafraîchi très
  souventgtlatence(asynchrone)gtaccès en 70ns
• 225Mo/s (33Mhz-50Mhz)
• La plus lente et dépassé

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Architecture - Mémoire

• DRAM EDO (DRAM Extended Data Out)
• 400Mo/s (inadaptée pour des fréquence gt 66Mhz)
• Accès réduit à 50-60ns (système de cache de
  ladresse de la prochaine cellule à lire/écrire)
• Surtout employé par 3DFX (Diamond Monster 3D et
  Diamond Monster 3D II) mais aussi par S3 (Virge
  3D).
• VRAM (VideoRAM)
• 625Mo/s (30 chère que DRAM)
• Jusquà 80Mhz - Temps daccès 20-25ns
•  Dual Port  (grâce à 1 registre à décalage)

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Architecture - Mémoire

• WRAM (WindowsRAM)
• 960Mo/s
• VRAM avec circuit 32 bits (accessible par bloque)
• Fonctionnalités 2D (transfert de mémoire)
• Matrox avec sa Millennium II
• MDRAM (Multi-bankDRAM)
• Accès simultanés
• 500 Mo/s
• Cartes S3, Hercules Dynamite 128, Tseng Labs ET
  6000

36
Architecture - Mémoire

• SDRAM (SynchronousDRAM)
• Apparue en 1997
• Synchronisée avec le bus mémoire
• Temps daccès 10-12ns
• Fréquence 66Mhz à 133Mhz
• 500,800,1.060 Mo/s -gt 66,100,133Mhz

37
Architecture - Mémoire

• SGRAM (SynchronousGraphicRAM)
• SDRAM optimisée pour le graphique
•  Single Port 
• Synchronisée au bus mémoire (lt100Mhz)
• Exemple  Matrox Mystique 
• Techniques
• Masked write modif en 1 cycle
• Mode rafale ou Block write récupération et
  modification par bloque entier

38
Architecture - Mémoire

• RAMBUS
• Soutenue par intel
• A 300Mhz, 1,2Go/s
• A 400Mhz, 1,6Go/s
• Enorme latence

39
Architecture - Mémoire

• DDR-SDRAM(Double Data RateSDRAM)
• 2 informations transferées par cycle
• Front montant
• Front descendant
• Temps daccès 6ns
• Fréquence de 100Mhz à 200Mhz
• Débit de 1.5Go/s à 3Go/s
• Exemple GeForce FX (DDR400)

40
Architecture
Accélérateur Graphique GPU
BUS
Mémoire centrale
Mémoire vidéo
DVI
RAMDAC
CRT

• RAMDAC (CRT vs DVI)
• Bus
• Mémoire
• Accélérateur Graphique (2D)/GPU (3D)

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Architecture 2D

• Ancêtre des accélérateurs Graphiques
• Cartes à coprocesseur graphique (carte
  programmable)
• Début 90 avec TIGA (TMS34020), ou P9000 (Carte
  Diamond Viper)
• Dépassé ensuite par les cartes accélératrices
• MAIS principe darchitecture graphique
  programmable réutilisé tard en 3D

42
Architecture 2D

• Accélération des traitements 2Dligne,
  rectangle, curseur souris, overlay, bitBLT
• Décompression MPEG2 (DVD)
• Tuner TV
• Acquisition vidéo
• Cartes 2D seules nexistent plus
• Carte 3D pure (3dfx voodoo)
• Maintenant, carte 2D/3D

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Architecture GPU (3D)

• Pipeline de rendu 3D (triangle en entrée)
• Transformation et éclairement
• Culling, clipping,
• Triangle setup
• Texturing, Fog
• Rasterization (Alpha, Stencil, Depth test -gt
  Alpha blending -gt Dithering -gt Channel mask) -gt
  Framebuffer

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Architecture GPU-gtTransform

•  Planter le décors 
• Placer lobjet courant dans la scène par rapport
  à la caméra
• Opérations matricielles 3d (homogène)
• Translations, rotations, mise à léchelle,
  projection

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Architecture GPU-gtLighting

• Modèle de Phong
• Éclairement ambiant
• Propriété générale de lenvironnement
• Éclairement diffus
• Existe pour chaque source lumineuse
• Éclairement spéculaire
• Existe pour chaque source lumineuse

46
Architecture GPU-gtLighting

• Éclairement ambiant
• CafCala
• Éclairement diffus
• Cdfsum( CdLid (n.lidir) )

n
ldir
47
Architecture GPU-gtLighting
n

• Éclairement spéculaire
• Csfsum( CsLis (v.ri) )
• Mais r2(n.ldir)n-ldir (coûteux)

v
ldir
r
gt formule de Blinn-PhongCsfsum( CsLis (n.hi)
)avec h ldirv / ldirv
n
h
v
ldir
48
Architecture GPU-gtculling, clipping

• Culling Orientation de la face (Counter Clock
  Wise)
• Clipping Découpe du triangle dans le volume de
  vision (frustum)
• Projection sur lécran (division par w)
• Viewport mapping (coordonnées écran)

49
Architecture GPU-gttriangle setup

• Préparation des données pour létage du calcul
  des couleurs
• Délimitation du triangle par ses bords pour
  chacune de ses lignes (scanline)
• Interpolation linéaire des données le long des
  bords (couleurs, z, coordonnées de textures)

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Architecture GPU-gtCalcul de la couleur

• Combinaisoncouleur déclairement / textures
• Filtrage des textures (bilinéaire, tri linéaire)
• Différentes possibilités de combinaison
• Possibilité de combinaison différente à chaque
  étage de texture (gt possibilité de gérer un
  bump-mapping)
• Effet de brouillard (fog)

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Architecture GPU-gtRasterization

• Dernière étape du pipeline 3D
• Gestion de la profondeur - ensemble de test libre
  gt effet
• Alpha test -gt Stencil test -gt Depth test
• Blending (Transparence)
• Dithering (Illusion de couleur, motif)
• Channel mask -gt FRAME BUFFER

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Architecture GPU

• TL (en soft) 3D Now, MMX
• 31 août 1999 GeForce256 (nVidia)
• GPU (Graphics Processing Unit)
• pipeline 100 hard (TL, culling, clipping)
• Amélioration du pipeline 3D
• Registers combiners (GeForce256)Circuit câblé
  paramétrable pour le calcul de la couleur
  (texture)
• Shader (Vertex Pixel) (GeForce3)Circuit
  programmable remplaçant une partie du pipeline 3D

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Architecture GPU-gt Shader

• Architecture SIMD
• Limitation de la taille du programme
• 128 instructions GeForce3-4 - Radeon8500
• 1024 instructions GeForce FX
• Registres temporaires
• ALU
• Registres constants (mémoire)

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Architecture GPU-gt Vertex Shader

• Architecture

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Architecture GPU-gt Vertex Shader

• Remplace létape de TL
• Possibilités
• Position Procédurale
• Position Blend
• Position Morphing
• Position Déformation
• Tissu, peau, interpolation, displacement maps
• Coordonnées de texture
• Brouillard particulier
• Taille daffichage dun point

56
Architecture GPU-gt Vertex Shader

• Exemple simple de vertex shaderdéformation
  surfacique (onde) Dauphin (Direct3D)

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Architecture GPU-gt Pixel Shader

• Architecture

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Architecture GPU-gt Pixel Shader

• Remplace létape du calcul de la couleur
• Possibilités
• Réflexion par pixel
• Illumination par pixel (phong, BRDF)
• Textures procédurales

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Architecture GPU-gt Shaders Exemple

• Le rendu cartoon
• Exemples Zelda - Jet Set Radio Future
• Produit scalaire lumière x normale pour indexer
  une texture 1D

light
1.0
dot product
0.0
1 dimensional texture
60
Cartes Graphiques

• API OpenGL 1.4, DirectX 9.0, Glide (3DFX)
• Carte professionnelle Intergraph, HP, MaxVision