La carte graphique

 

La carte graphique (écran) est la carte d'extension d'un ordinateur qui transforme un flux de données numériques en un signal analogique compréhensible par un écran. Les cartes graphiques Hercule furent les premières cartes dédiées aux ordinateurs PC, l'affichage était en noir et blanc (ou plutôt selon l'écran

ambré).L'affichage couleur est réellement utilisé depuis les premiers 286 et les
normes CGA ou EGA, le moniteur devait être compatible avec la carte écran. Utilisant une résolution et un nombre de couleurs restreint, ces normes furent remplacées par le VGA. La norme VGA permettait d'afficher une résolution de 640 * 480 points en 16 couleurs. Une carte graphique VGA inclut 256 k de mémoire. 

Les cartes graphiques S-VGA (pour Super VGA) sont une amélioration de la précédente mais ne répondent pas à une norme, leur utilisation nécessite un pilote (driver) spécifique au chipset mais aussi au système d'exploitation. C'est ce pilote qui permet de gérer toutes les possibilités, y compris les effets 3D. Le mode VGA est reconnu par tous les systèmes d'exploitation actuels, c'est le mode par défaut. Pour passer en mode supérieur, un pilote-driver (le programme spécifique au matériel) doit être installé. Il est normalement spécifique au système d'exploitation (XP et 2000 acceptent généralement les mêmes pilotes). Vista en nécessite des nouveaux.

Une zone mémoire est réservée dans la mémoire haute depuis les premiers 8088. Elle est actuellement largement inférieure à celles utilisées par une carte graphique (jusque 700 MB) et peut être récupérée par les commandes DOS de mémoires hautes. Le processeur graphique garde les zones non modifiées dans sa propre Ram. Ceci permet de ne pas trop solliciter les ressources du processeur.

14.2. Caractéristiques d'une carte graphique (écran).

Une carte écran se caractérise par:

• Bus de connexion (ISA pour 486 et inférieurs, PCI pour Pentium I, AGP (Pentium II, III, IV), PCI-Express pour tous les ordinateurs actuels). Seul le bus AGP est spécifique aux cartes écrans
• le circuit intégré (chipset) qui gère l'affichage, souvent appelé GPU
• Mémoire (technologie employée, type et quantité)
• Convertisseur digital – analogique (DAC), souvent appelé RamDac.
• Taux de rafraîchissement maximum (en gros la vitesse d'échantillonnage du signal suivant la résolution).
• Possibilités 3D
• le BIOS Vidéo
• Connecteurs externe vers l'écran: VGA pour les écrans analogiques, DVI et HDMI pour les modèles numériques, sorties S-Video ou Cinch vers les télévisions

Quelques unes sont identiques à celle d'un système à base de microprocesseur: processeur, mémoire et Firmware. En effet, le système vidéo est un système à microprocesseur standard, juste spécialisé pour traiter des informations digitales provenant de la carte mère et les rendre compatibles avec le convertisseur de sortie

14.3. Le bus utilisé.

L'installation et ses performances dépendent forcément du bus utilisé (ISA, PCI, AGP et PCI-Express pour les plus récentes). Rien ne sert de rouler en Ferrari sur des chemins de terre. Le bus ISA, obsolète, est limité à 16 MB/s, le bus PCI à 132 MB/s, l'AGP  4X à 1,7GB/s (en théorie) et la version 8X à 2,13 GB / s (aussi théorique), PCI-Express, 4 GB/s en 1.1 et 8 GB/s en 2.0.

Les cartes mères "All In One" intègrent le plus souvent directement le circuit graphique au coeur du chipset de la carte mère. Dans ce cas, le GPU utilise de la mémoire RAM partagée avec le processeur.

14.4. Le circuit intégré.

Le chipset graphique transforme les données à afficher en signaux digitaux organisés et compréhensibles par le convertisseur digital - analogique. 

Sans rentrer dans les différentes évolutions, ce qui serait trop long et dépasserait le cadre du cours YBET, quelques-uns des principaux fabricants de chipset graphiques:

• Nvidia: premier fabricant mondial, toute la gamme avec la série Geforce
• ATI: d'excellentes cartes écrans. Racheté en 2006 par AMD
• S3. Racheté par VIA qui reprend quelques circuits sous cette dénomination
• INTEL: a produit quelques chipset comme l'i740 (également associé dans le chipset1810) mais intègre actuellement des GPU ATI. C'est le principal fabricant de cartes graphiques en les intégrant dans le chipset.
• Diamond. Généralement haut de gamme, mais spécialisé plutôt vers les jeux. Racheté par S3 en 1999.
• Matrox, autrefois célèbre ne produit quasiment plus que des solutions pour des affichages multiples sur grands écrans réservés à l'industrie.

14.5. La mémoire.

La quantité de RAM embarquée sur une carte graphique permet d'augmenter la résolution tout en gardant un nombre de couleurs respectable. Par exemple, un écran de 1024 * 768 pixels en noir et blanc (2 couleurs) demande 786.432 pixels * 1 bit /8 (pour codage en octets)=98 KO. Pour 4 couleurs (soit 2 Octets par point), 196,6 KO et en 16 couleurs (codé sur 4 bits): 384 KO. Ceci donnerait pour une résolution de 1600 * 1200 en 16 millions de couleurs (14 bits, la résolution maximum de l'oeil): 30GO, ...

Résolution	Nombre de couleurs	Mémoire
640 * 480	256	512K
	32.000	1 MB
	64.000	1 MB
	16 Millions ( 24 bits)	1 MB
800 * 600	16 couleurs	512 K
	256	512K
	32.000	1 MB
	64.000	1 MB
	16 Millions	2 MB
1024 * 768	16	512K
	256	1 MB
	32 K	2 MB
	64 K	2 MB
	16 M	4 MB
1280 * 1024	16	1 MB
	256	2 MB
1600 * 1200	256	4 MB
	64 K	4 MB

Dans les cartes 3D actuelles, une large partie de la mémoire est utilisée pour enregistrer des formes géométriques primitives que l'on appelle des textures. Une carte 750 MB ne permet finalement pas des résolutions supérieures à une anciennes 64 MB, ceci est également lié aux limitations des écrans qui n'accepteraient de toute façon pas de trop grosses résolutions, l'œil humain est de toute façon limité à 16 Millions de couleurs.

Le processeur graphique est relié à la mémoire à travers un bus de données de 64, 128 et même 256 bits pour les plus performantes mais utilise également via le DMA une partie de la mémoire RAM standard.

Les types de mémoires utilisées ont également leur importance, même si les modèles actuels utilisent quasiment toutes des mémoires DDR II et III comme dans les PC.

• les premières cartes utilisaient des mémoires Ram standards, peu coûteuses mais lentes.
• La VRAM est spécifique. Le processeur et le RAMDAC y accèdent simmultanément.
• La WRAM (SAMSUNG) permet des débits jusque 25% supérieurs à la VRAM et intègre des fonctions pré décodées tel que le dessin de texte ou le remplissage de blocs, utilisée pour la première fois avec la Matrox Millenium.
• La DRAM (MoSYS) est constituée d'une multitude de bancs mémoires de 32K, ce qui permet d'adapter la quantité de mémoire à celle requise par blocs de 32K. Par exemple, une résolution de 1024*768 en true color (24bits) utilise 2.5 MB et non 4MB. Le débit est ici aussi largement supérieur à celui des précédents.
• La SGRAM (Synchronous Graphic RAM) fonctionne à la même vitesse que le bus et permet des fréquences supérieures à 100 Mhz. Elle est jusqu'à 4 X plus rapide que les DRAM, mais est nettement plus chère.
• La SDRam (Dimm) permet des vitesses jusque 150 Mhz. Déjà utilisée dans les PC
• La DDR SDRam, sortie en 1999 permet de faire passer la mémoire de 150 à 400 Mhz, faisant progresser la vitesse des cartes entre 25 et 30 % par rapport à une SDRam. Elle utilise le flanc montant et descendant du signal d'horloge. Sa première utilisation date de mai 2000 avec le GeForce 256 de Nvidia 64 MB. Cette mémoire est également utilisée dans les PC.
• DDR2 et DDR3: les cartes vidéo utilisent finalement maintenant les mêmes mémoires que les ordinateurs, juste avec un peu d'avance.

14.6. Le convertisseur digital – analogique

Le convertisseur digital analogique (souvent appelé RamDac) assure la conversion des données numériques vers le signal analogique envoyé à l'écran en mode VGA. Plus la vitesse du convertisseur est élevée, plus la fréquence de rafraîchissement verticale (le nombre de points affiché par seconde) de l'écran est élevée (nous en reparlerons). Des cartes graphiques de haut de gamme actuels dépassent les 400 Mhz.

14.7. Les possibilités 3D

Les cartes graphiques modernes sont 3D: la carte graphique est capable de créer des polygones, remplissages (appelés mapping) et textures, sans utiliser le processeur de l'ordinateur. Ces possibilités sont utilisées principalement pour les jeux qui reproduisent l'image en superposant des formes géométriques standards (des triangles le plus souvent). Plus le nombre de forme utilisé simultanément est important, meilleure est la qualité de l'image. Sans cartes 3D performante, quasiment aucun jeu actuel n'est disponible.

Au tout début des cartes 3D, le microprocesseur du PC créait les images et un circuit électronique (la carte écran) se contentait de les afficher. Avec l'arrivée de la première puce 3Dfx Voodoo, la carte intégrait directement un Triangle Setup Engine et un pixel Rendering engine. Ceci permettait de réduire l'utilisation du CPU de l'ordinateur pour la création de polygones et des effets de pixellisation dans les jeux. Les cartes graphiques suivantes intègrent en le Transformation & Lighting (T&L) qui augmente le nombre de triangles et améliore l'affichage.

Mise à part la technologie T&L, les circuits actuels gèrent l'éclairage par un ombrage très élaborés des pixels: chaque pixel est pourvu individuellement de données d'éclairage.

Les cartes graphiques actuelles incluent un anti-alias qui lisse les angles, un peu comme pour les imprimantes laser.

Implanté par NVidia depuis le processeur graphique GeForce 6600 et dans Direct X 9.0, le shader est un mécanisme utilisant des morceaux de programmes directement exécutés par le GPU et non plus par le microprocesseur de l'ordinateur.

14.8. Le taux de rafraîchissement.

Cette caractéristique est liée au RAMDAC. Le signal n'est pas envoyé d'un bloc vers l'écran, mais points par points suivant une ligne, ensuite celle en dessous, … Les anciens systèmes utilisaient le mode entrelacés pour cacher leurs faibles performances (par opposition au mode non entrelacé NI). Le principe entrelacé, utilisé dans les TV, ne rafraîchit d'abord que les lignes impaires, et ensuite reprend les lignes paires. A faible distance, cette méthode provoque des scintillements de l'image fatiguant pour les yeux.

Un taux de rafraîchissement correct débute à 70 - 75 hz. Plus il est important, meilleure la qualité de l'affichage. Les anciens moniteurs n'acceptent pas des fréquences élevées et travaillent à des fréquences inférieures au minimum des cartes écrans actuelles: il faut parfois remplacer l'écran lorsque l'on remplace la carte, les 15 " mais aussi certains modèles de 17".

14.9. Le Bios Vidéo.

Au même titre qu'un PC, une carte graphique intègre son propre BIOS. Celui-ci est spécifique au processeur graphique et au fabricant de la carte. Sur certain modèles, le bios est flashable.

14.10. Le connecteur de sortie.

Le connecteur de sortie de 15 broches est identique pour toutes les normes VGA. Certaines cartes utilisent le RGB en séparant le signal en 3 couleurs (rouge - vert - bleu) avant d'être transmis à l'écran via 3 connecteurs BNC. Le RGB n'est présent que sur quelques stations graphiques de haute gamme, rarement pour les PC.

Le DVI et connecteurs dérivés sont utilisés pour les écrans TFT (digitaux). Outre une meilleure résolution, le signal n'est plus convertit en analogique (et reconvertir en digital pour les écrans plats) comme dans une connexion VGA, ce qui réduit les pertes de qualités, notamment pour les grands écrans. Divers types de DVI sont utilisés, permettant uniquement le signal digital ou, via un adaptateur, un deuxième signal VGA pour les écrans cathodiques. Le HDMI utilise en partie ces signaux mais en incluant en plus la partie audio.

14.11. Double affichage et sortie TV

L'affichage sur plusieurs écrans est utilisé dans les stations de travail dédiées à l'infographie et dessin technique depuis des années. Cette fonction est directement implantée dans Windows 98 et suivants (avec une carte écran PCI et une carte écran PIC-express ou AGP quand les pilotes le permettent) mais actuellement directement sur la carte graphique avec un connecteur VGA standard et un DVI. Cette fonction permet d'afficher la même image sur deux écrans ou de couper l'affichage en deux. Pour le même affichage simultané, vous pouvez aussi utiliser des "splitter", boîtiers amplificateurs qui permettent de raccorder jusque 32 écrans simultanément avec la même image.

Les cartes graphiques actuelles sont équipées d'une sortie TV (connecteur S-Video ou RCA) qui permet d'afficher votre écran sur une TV. Ce mode de sortie n'est pas réellement fait pour "travailler" sur un téléviseur qui a une résolution trop faible par rapport à un écran standard (sauf écrans plasmas), mais bien pour l'affichage des DVD, DIVX, ... Cette solution est uniquement à utiliser pour voire des films.

L'affichage TV est repris suivant 3 normes incompatibles entre elles: PAL, SECAM et NTSC. L'émission en PAL (Belgique, Allemagne, ...) vers une TV à la norme SECAM (France) et inverse produit une image en noir et blanc. Les Etats-Unis, Canada utilisent le NTSC, également incompatible avec les normes européennes. Dans le cas d'une sortie TV à partir d'une carte graphique, le pilote permet généralement de sélectionner le mode d'émission. Les 3 normes sont déclinées suivant différentes versions qui dépendent du pays.

14.12. Technologies diverses, SLI, Shader...

NViDIA a sorti en 2006 la technologie SLI. Cette technologie permet de coupler deux cartes graphiques de même type et de même fabricant en PCI-Express via un connecteur spécial livré avec la carte même. Le chipset (obligatoirement un NForce de NViDIA) de la carte mère doit également être compatible avec cette technologie. Un seul connecteur de sortie est utilisé, mais cette fonction double la vitesse de traitement pour les jeux compatibles. Une version Quad utilise 4 cartes raccordées entre-elles, seule deux sont connectées dans un bus. Quelques cartes mères actuelles acceptent le SLI en 3 canaux avec 3 ports PCI-express.

Les shaders sont des petits morceaux de programmes exécutés directement par le chipset graphique et non plus par le processeur. Ils sont implantés dans DirectX 9.0 et depuis les séries GeForce 6600 par NViDIA. La version actuelle est la 3.0. Sans cette solution, certains jeux actuels ne fonctionnent pas sur les anciens PC.

Ces programmes se rangent dans deux groupes: les Vertex Shader et les Pixel Shader. Les parties constituées de suites de lignes et de triangles sont traités par les Vertex Shader comme des suites de graphiques primitifs. Une fois ces graphiques de base décomposés, le chipset graphique va les utiliser pour créer le rendu de couleurs des différents points au niveau des Pixel.