E. Les cartes graphiques et les écrans

E.                   LES CARTES GRAPHIQUES

La carte graphique a un rôle d'intermédiaire auprès de l'écran. Les composants de la carte graphique peuvent être intégrés sur la carte mère ou peut être emboîtée dans un emplacement spécifique. Dans les deux cas, la carte va communiquer avec le processeur par un bus.

La carte graphique est l'un des rares périphériques reconnus par le pc dès l'initialisation de la machine. Elle permet de convertir des données numériques brutes en données pouvant être affichées sur un périphérique destiné à cet usage (écran, vidéo projecteur, etc...).

Son rôle ne se limite cependant pas à ça puisqu'elle décharge de plus en plus le processeur central des calculs complexes 3D et ce au moyen de diverses techniques que nous allons voir plus bas.

Depuis le début de la micro-informatique, la carte graphique a changé de bus à de nombreuses reprises. De l´ISA on est passé au VLB, puis au PCI, pour arriver au bus AGP puis revenir au PCI mais Express. La transition PCI/AGP a commencé en 1997, date à laquelle les premiers chipsets supportant l´AGP sont sortis. La transition entre AGP et PCI s´est faite assez rapidement, du fait des nombreux avantages de ce bus dédié à la carte graphique. D´une part, l´AGP permettait de libérer de la bande passante sur le bus PCI, et d´autre part, il permettait à la carte graphique d´aller plus vite grâce à une bande passante plus importante (533 Mo /s en AGP 2x contre 133 Mo /s pour le PCI). Pour finir, le bus AGP disposait d´une fonction appelée AGP Texturing qui permettait à la carte graphique d´accéder directement à la mémoire vive afin d´y stocker des données

1.            FONCTIONNEMENT

Lorsqu'un ordre d'affichage arrive au processeur, il transmet les données à la carte graphique, via le bus ; le processeur graphique (de la carte) prend alors le relais : il traite les données puis envoie le résultat, l'image, vers la mémoire vidéo. Le ramdac (convertisseur numérique / analogique) convertit le contenu de la mémoire vidéo en un signal analogique, transmis à l'écran via le connecteur vga de la carte.

2.            CARACTÉRISTIQUES DES CARTES

Une carte graphique est composée de quatre éléments principaux :

a)   LE GPU (GRAPHICAL PROCESSING UNIT)

C'est le processeur central de la carte graphique. Son principal intérêt est de soulager le processeur central, d'augmenter la qualité des images tout en faisant chuter le moins possible les performances

Le gpu gère les vertex, c’est-à-dire les points entre lesquels sont tracées les arêtes d’un objet (les vertex sont les sommets des objets en trois dimensions). Le processeur construit les objets multidimensionnels. Si les objets sont en deux dimensions, ou qu’il s’agit de vidéos, les données sont directement envoyées à la fenêtre d’affichage. Le processeur graphique applique ensuite aux faces des objets les textures puisées sur le disque dur grâce au Pixel Pipeline. Le moteur graphique envoie ensuite au processeur des données sur l’éclairage des polygones, que celui-ci se charge de mettre en œuvre pour éclairer la scène. Ensuite, la puce graphique applique à l’image les divers filtres (anticrénelage ou filtrage anisotrope), et envoie le résultat à la fenêtre d’affichage, qui "aplatit" l’image pour l’afficher à l’écran

b)  LE RAMDAC

Le ramdac (random access memory digital analog converter) est destiné à convertir les données numériques en données analogiques compréhensibles par les écrans cathodiques. La fréquence définit le nombre maximal d'images par seconde que la carte peut afficher (on parle de fréquence de rafraîchissement mesurée en hertz).
Le ramdac n'est utilisé que pour les prises vga et s-vidéo nécessitant un signal analogique. Dans ce cas, le ramdac doit faire la conversion. Dans le cas d'une connectique dvi, le ramdac n'est pas utilisé car la conversion n'est pas nécessaire, (ce sont des signaux numériques qui sont envoyés directement au moniteur).

c)   LA MÉMOIRE VIDÉO

Elle est un élément essentiel de la carte graphique et est utilisée pour stocker les textures (généralement sous formes d'images).

types:

• La mémoire gddr 2 (DDR pour Double Data Rate), exploite les fronts montants et descendants de la mémoire.
• La mémoire gddr 3 est presque identique à la gddr 2 ; elle gagne en fréquence et sa tension d'alimentation diminue.
• La mémoire gddr4 (Graphics Double Data Rate, version 4) atteint des vitesses supérieures à 1,4 GHz) (2,8 Gbit/s).
• La mémoire gddr5 (Graphics Double Data Rate, version 5) supporte une bande passante de 20 Gbit/s sur un bus de 32 bits, ce qui autorise des configurations de mémoire de 1Go à 160 Gbit/s avec seulement 8 circuits sur un bus de 256 bits.

d)  LES ENTRÉES-SORTIES VIDÉOS

plusieurs types

• L'interface VGA standard est composée d'un connecteur vga 15 broches (Mini Sub-D, composé de 3 séries de 5 broches), généralement de couleur bleue, permettant notamment la connexion d'un écran crt. Les cartes graphiques en sont de moins en moins souvent équipées Ce type d'interface permet d'envoyer à l'écran 3 signaux analogiques correspondant aux composantes rouges, bleues et vertes de l'image.
• L'interface DVI (Digital Video Interface) permet d'envoyer aux écrans lcd des données numériques. Ceci évite les conversions numérique/analogique puis analogique/numérique inutiles.
• L'interface S-Video  permettant l'affichage sur une télévision ; elle est souvent appelée prise télé (TV-out).
• L’interface HDMI (High-Definition Multimedia Interface) rassemble sur un même connecteur les signaux vidéo et audio. Ils sont transmis numériquement et peuvent être cryptés (protection du contenu contre la copie). Elle permet d’interconnecter une source audio/vidéo (lecteur dvd ou blu-ray, ordinateur, console de jeu ou téléviseur hd). Elle supporte aussi bien la vidéo standard que la haute définition. Elle se base sur l’interface dvi. Il existe plusieurs versions de la norme hdmi (1.0, 1.1, 1.2, 1.3…, 2, 2.0a, 2.1). La version 2.1 permet la prise en charge du High Dynamic Range ou hdr et des taux de transfert de 48 Gbits/s .

3.            CONNEXIONS

La plupart des cartes graphiques s'insèrent sur des ports pci Express.

a)   AGP

Le port agp permet de partager la mémoire vive du pc quand la mémoire de la carte graphique est saturée. Cependant cette méthode d'accès est nettement plus lente que celle de l'accès à la mémoire de la carte graphique. On différencie trois normes agp:

• l'AGP 2X (500 Mo par seconde)
• l'AGP 4X (1 Go par seconde)
• l'AGP 8X (2 Go par seconde)

b)  PCI EXPRESS

Le pci express est la norme qui a remplacé l' agp. Plus rapide, existant en de nombreux formats, il remplace avantageusement les ports pci et agp. Il existe en différents débits : On différencie les ports en fonction du nombre de connecteurs de ligne dont ils disposent (voir page 29).

Le principe de fonctionnement est semblable à de la commutation de paquets selon un modèle à quatre couches :

• couche logicielle : codage/décodage des paquets de données.
• couche transaction : rajout/suppression d’un en-tête de début et d’un en-tête de séquencement ou de numérotation du paquet.
• couche liaison : rajout/suppression d’un code de correction d’erreur (contrôle de redondance cyclique).
• couche physique : transmission du paquet (série "point à point").

Alors que le pci utilise un unique bus de largeur 32 bit bidirectionnel alterné (half duplex) pour l’ensemble des périphériques, le pci express utilise une interface série (de largeur 1 bit) à base de lignes bidirectionnelles. On pourra ainsi parler d’une carte mère possédant 20 lignes pci e. Une ligne permet théoriquement des échanges full duplex à 250 Mo/s pour la version 1.1 du protocole. Les différents périphériques communiquent alors par échange de paquets et l’arbitrage du bus pci est remplacé par un commutateur