偉大文獻：顯示技術與AGP介面標準

[ultraman]

顯示技術與AGP介面標準

據統計,人們接觸的資訊80％以上是視覺資訊,一幕幕動人的場景,一幅幅美麗的畫面,勾畫出了趣味橫生的生活百態,描繪出了絢麗多姿的七彩世界。
　　也陰z沒注意，小小的電腦螢光屏,能夠展現出陽光明媚風和日麗的春天、驕陽似火綠樹成蔭的盛夏、天高氣爽碩果累累的金秋和天寒地凍白雪皚皚的隆冬。更有高科技的電腦製作，把我們帶到了神奇美妙三維世界。
　　在一台電腦裏,顯示器是電腦和用戶交互的一個關鍵的圖文介面,五顏六色的畫面要怎麼精彩就可以怎麼精彩,要多麼動人就可以多麼動人。不過這都需要顯示卡給顯示器發送顯示信號、並控制顯示器顯示出絢麗的色彩,所以顯示卡和顯示器都是電腦顯示不可缺少的部件。
　　顯示卡在多媒體技術和圖形處理技術中越來越重要，一塊好的顯示卡可以比主板還貴就說明了它的比重。目前“一板一卡”的流行配套方法也表明了電腦設計者們對顯示卡的重視。顯示技術也不斷在更新。

　　有關圖形顯示技術的術語
　　對圖形專業術語瞭解得多一些,可以幫助我們更好地選擇適合自己的圖形顯示卡,下面是一些在談及顯示技術時常用到的名詞術語。

　　圖形加速卡中的述語
　　◇顏色深度:用來描述圖形卡一次能夠顯示多少種顏色。8位元顏色深度可以顯示256種顏色；16位元顏色深度可以顯示65536種顏色；24位元顏色深度可以顯示16M種顏色。
　　◇雙口記憶體:是一種帶有兩個埠的RAM，圖形資料可以直接從一個埠進入而從另一個埠輸出，從而從速度上獲得額外的提升。VRAM和WRAM都是雙口記憶體。
　　◇EDO VRAM:是一種更快速的VRAM
　　◇RAMDAC:數模變換器,它是用來將PC能夠處理的數位資訊轉變成顯示器可以用於顯示的類比信號。它的變換速度越快,你就可以得到更高的螢幕刷新率。
　　◇刷新率:螢幕每秒鐘重繪的次數。螢幕刷新頻率低於55Hz將會有閃爍感,容易使人的眼睛產生疲勞。
　　◇SGRAM:一種同步記憶體,理論上可以使圖形卡處理速度加倍。SDRAM和SGRAM,它們基本上是一樣的,只是SGRAM具有一些圖形增強方面的特性。
　　◇視頻插值：當你要放大一個視視窗時,除非你的圖形卡使用了插值處理,否則圖像邊緣會變成鋸齒狀。一般都希望在X軸和Y軸兩個方向都能進行插值。

　　3D軟體術語
　　◇API：(應用程式編程介面)API是用來使3D程式與3D圖形加速卡進行通訊的軟體介面。為了使3D圖形卡能用來加速3D遊戲的執行,遊戲的開發應使用圖形卡能夠支援的API。
　　◇Direct3D:Microsoft的Direct3D原希望成為一種所有的3D軟體和3D圖形卡都支援的標準。然而,由於Direct3D在性能方面不是盡如人意,所以遊戲開發商也經常使用那些針對特定3D圖形卡的API。
　　◇OpenGL:它是一種專業的API,在高端CAD軟體中被廣泛使用。軟體發展商正在考慮使用OpenGL,而不是Direct3D來作為軟體發展的API。

　　3D圖像技術術語
　　◇Alpha混合:是一種顏色混合方法,它可以將兩個重疊的紋理圖像進行混合,使其中的一個看起來是透明的。例如在一面綠色牆面上映出的雷射光束光焰。雷射光束的圖像被一個黑盒子所包圍,為了使雷射光束看起來更真實,黑色需要去掉,牆面的綠色應該與光束的顏色進行混合。
　　◇濾波:消除3D圖像中的色塊感,使圖像看起來更平滑。
　　◇霧化:當3D物件移動時,將3D物件與固定的顏色進行混合,使它看起來像正在逐漸消失,或者正在從霧裏,或黑暗中出現。
　　◇MIP映射:以幾種不同的尺寸大小來保存一幅紋理圖形,以適合物件的不同尺寸。這一點對顯示正在移動的紋理貼圖物件很有幫助。若沒有MIP映射,當3D晶片壓縮或者擴大紋理圖形來適應物件尺寸大小的變化時,會在紋理貼圖物件的邊緣有閃爍不定的感覺。有了MIP映射,就用不著太多的壓縮處理。圖形加速晶片將根據物件的大小來快速地選擇採用更大或更小的紋理圖形。
　　◇透視校正:在不同角度和距離的情況下都能使紋理貼圖3D物件看起來更真實。
　　◇紋理映射:將一個點陣圖貼在3D物件表面上可以使物件看起來更真實,例如在Microsoft的Monster Truck Madness遊戲中,當你在場景中移動時,圖形卡會不斷地將沙地點陣圖貼在沙丘上,以使沙丘看起來更真實。

　　AGP(Accelerated Graphics Port)圖形加速介面標準
　　AGP是新一代顯示卡介面技術，可大幅提高3D圖形的顯示能力。目前，各大顯示卡廠家已有大量AGP顯示卡產品推出，帶AGP介面的主板也已面市。AGP 3D顯示卡正大量湧入顯示卡市場。
　　雖然現在PC的圖形處理能力越來越強，但要完成細緻的大型3D圖形描繪，PC平臺的性能仍然有限，為了讓PC的3D應用能力能同圖形工作站一較高低，Intel公司開發了AGP。推出AGP的主要目的就是要大幅提高主流PC的圖形尤其是3D圖形的顯示能力。配合Pentium II的DIB（雙重獨立匯流排）技術以及MMX技術，AGP將會成為新一代的商用電腦標準。

　　什麼是AGP
　　1.PCI匯流排在3D應用中的局限
　　AGP主要針對現在的PCI顯示卡在處理動畫和3D繪圖時出現的資料傳輸瓶頸情況，隨著處理器速度越來越快，瓶頸情況還會更加嚴重，特別是在3D圖像的情況下更明顯。
　　在3D圖形描繪中，儲存在PCI顯示卡上顯示記憶體中的不僅有影像資料，還有Z軸的距離資料，TextureData（紋理資料）及Alpha變換資料等。儲存紋理資料的顯示記憶體容量越多越好。從整個系統來看，增加顯示記憶體還不如增加主記憶體划算，而且把紋理資料儲存在主記憶體比儲存在顯示記憶體更可有效利用記憶體。也就是說，當應用程式結束後，它所佔用的主記憶體空間又可恢復，紋理資料並不永遠佔用主記憶體的空間。
　　遺憾的是，當紋理資料從顯示記憶體移到主記憶體時，資料傳輸的瓶頸也從顯示卡上的記憶體匯流排轉移到了PCI匯流排上，而紋理資料傳輸量就將超過100MB/sec，現有的PCI匯流排遠遠不能滿足要求，因而就需像AGP這樣可連結主記憶體與顯示卡的新介面。
　　2.AGP的結構

　　AGP的目的是以相對低價格來達到高性能3D圖形的描繪弁遄A為此Intel對PCI再擴充了三項主要的規格而定義了AGP：
　　(1)資料讀寫操作的管道處理；
　　(2)133MHz的資料傳輸週期；
　　(3)位址信號與資料信號分離。
　　AGP的原理是把顯示晶片獨立設置在系統匯流排上面，把顯示晶片直接同晶片組的記憶體控制器電路相連。在這種“點對點”的連接中，還利用了時鐘信號的兩邊沿（即上升沿和下降沿）作資料傳輸，所以速度成倍提高。也由於採用點對點連接方式，一個系統只能有一個AGP，所以，AGP不會取代PCI匯流排。第一代AGP以66MHz的速度傳送資料，是PCI匯流排的一倍；第二代AGP將可達133MHz，足以滿足用軟體播放DVD光碟的要求。資料傳輸速度最高可達533MB/sec，約為目前PCI的4倍。PCI同AGP比較如下表所示：
　　PCI同AGP的比較
　　　　　　　　　　　PCI匯流排　　　 AGP
　　傳輸方式　　　　　同步　　　　　同步
　　記憶體優先存取　　　不支援　　　　支援
　　數據線位元寬　　　　32位　　　　　32位
　　匯流排時鐘　　　　　33MHz　　　　 66MHz
　　最高資料傳輸速度　133MB/sec　　 533MB/sec
　　可連接擴展卡數　　最多有５個　　1個
　　信號線數　　　　　49　　　　　　65
　　3D圖形的成圖處理需高顯示晶片與顯示記憶體間的資料傳輸速度。目前，大多數顯示卡都採用較快速的顯示記憶體，但這樣會提高顯示卡的成本，折衷的方法之一就是將紋理資料從顯示記憶體移到主記憶體，因此可減少顯示記憶體的容量，從而降低顯示卡的成本。
　　AGP不只用於3D圖形，對2D圖形也同樣有效。由於顯示卡通過AGP、晶片組與主記憶體相連，提高了顯示晶片與主記憶體間的資料傳輸速度，讓原需存入顯示記憶體的紋理資料，現可直接存入主記憶體，這樣可提高主記憶體的記憶體匯流排使用效率，也提高了畫面的更新速度及ZBuffering（Z緩衝）等資料的傳輸速度，而且還減輕了PCI匯流排的負載，有利於其他PCI設備充分發揮性能。要知道，在PC98規格中，ISA匯流排已被取消，ISA設備終將被淘汰，所以，把佔用了PCI匯流排大量帶寬的顯示卡移到AGP上是非常必要的步驟。
　　AGP在影像資料的傳輸效果方面也有不錯的表現。當MPEG2影像資料經CPU解壓時，需通過匯流排將影像資料寫入顯示記憶體，已解碼全畫面的MPG2影像資料，需以15～20MB/sec的速度傳輸。雖然PCI匯流排的實際資料傳輸速度為27～33MB/sec，但資料的傳輸如果搭配不當，則畫面恐怕將很不流暢。
　　目前，AGP尚留有兩項限制其發展的因素，其一是主記憶體的資料傳輸速度。支援AGP的顯示晶片在作3D圖形描繪時需對主記憶體進行存取操作，因此將增加主記憶體的記憶體匯流排流量，一般需要有800MB/sec以上的速度。但目前主記憶體的資料傳輸速度大多在200～300MB/sec，以這樣的速度，即使利用了AGP也無法作細緻的3D圖形描繪。為了達到800MB/sec的資料傳輸速度就需有高速的DRAM，如100MHz以上的SDRAM、RDRAM或其他如SGRAM、VRAM等。AGP的另一個問題是顯示卡的相容性。

　　前景展望

　　AGP是開放的規格，廠家不需付出專利費。目前，如3Dfx、3Dlabs、ATI、CirrusLogic、Rendition、S3、Trident等3D顯示卡廠商都已表明支援AGP，而且已有部分原型產品推出。Intel不僅已與微軟簽約，還鼓勵多家顯示卡製造廠家採用AGP。目前一些高性能的PC已率先採用。因此，AGP可在很短的時間內普及，Intel公司認為，到2000年，90％的PC將配置AGP顯示卡。
　　為發揮AGP的優點，微軟已在其新版Windows 98及Windows NT 5.0中支援AGP弁遄A並且通過DirectDraw API為軟體廠商提供編程介面。
　　配有AGP介面的主板已經面市，如精英、華碩、中淩等公司的最新主板，採用支持Pentium II的Intel 440LX、440BX晶片組，而VIA等其他晶片組廠商也推出了支援AGP的用於Pentium級MMX CPU的Socket 7主板的晶片組。
　　AGP介面的顯示卡一律都是3D顯示卡，採用SDRAM或者RDRAM等高速顯示記憶體，Trident的3D Image 985和875都支援AGP並具有TVOut弁遄C
　　從原型產品所看，採用AGP並不會大幅增加顯示卡的成本，但弁鄎o強大得多，例如Trident的3D Image 985，除了晶片本身外，還有一顆MPEG2解壓晶片用以播放DVD光碟，完全符合未來的多媒體電腦需要。

　　關於AGP技術的討論
　　1.AGP是提高圖形/視頻處理速度的“特效藥”
　　上面已經談到，在三維圖形顯示中,高速化的瓶頸是“圖形紋理(Texture)處理”，它需要以100Mbps(解析度為640×480點)～150Mbps(解析度為800×600點)的傳輸速率傳送大量的點陣圖(Bitmap)資料,而目前所有的PCI匯流排的傳輸速率太低,不能滿足傳輸速度的要求。
　　在PC機中,三維圖形處理大體可分為“幾何變換”和“繪製著色”處理。這兩種處理都由CPU承擔,CPU的負荷過重。為此,採用三維圖形晶片代替CPU來處理處理量很大的繪製著色。為了降低圖形卡的成本,必須設法減小圖形記憶體的容量,於是,把紋理資料存儲在主存上。但在目前的系統中,主存和圖形記憶體間是用PCI匯流排連接的,它的最大傳輸速率為133Mbps,而HDD、LAN、音效卡等送往主存的資料都要通過PCI匯流排,而實際的傳送速率遠低於133Mbps。為此,推出了圖形資料專用介面AGP。
　　我們已經看到，AGP把主存和圖形記憶體直接連結起來。AGP匯流排寬為32位元,時鐘頻率66MHz,能以133MHz工作,最高傳輸速率可高達533MBps。AGP的首要目的是將紋理資料置於主存,以減少圖形記憶體的容量,從而可以生產廉價、高性能的圖形卡。AGP不僅用於三維圖像處理,而且用於動畫的再生處理。MPEG2動畫資料的解壓處理需要約30Mbps的傳輸速率,PCI匯流排難以勝任,而APG則遊刃有餘。
　　在資料傳輸中採用AGP具有非凡的意義。現在的PCI匯流排是傳輸視頻和3D圖形資料的一個瓶頸。AGP的傳輸速率為533Mbps,是PCI的4倍。它很有希望成為消除這一瓶頸的新一代匯流排。
　　PC機CPU晶片的霸主Intel公司在“Graphics Controller’97”中宣稱,從1997年後將作為標準配置在PC中開始裝備以下三種裝置:與街頭遊戲機旗鼓相當的3D圖形繪圖裝置；用軟體再生收錄在DVD－ROM中的MPEG2視頻裝置；符合H.320/H.324技術標準(ITU－T:國際電氣聯合會的電氣通信標準化部門)的電視會議裝置,並主張用AGP和MMX來實現上述三種裝置。與此相應,與X86相容的晶片生產廠商紛紛表示支援MMX,圖形控制晶片生產廠商也都表示要適應AGP。
　　MMX是處理器內部的問題,而AGP會改變PC的體系結構。為了適應AGP,必須重新設計圖形控制晶片和記憶體/PCI控制晶片組。
　　的確,AGP是提高3D圖形性能的“靈丹妙藥”。但是,它必須設法在提高性能的同時降低成本,以便能配置到普及價位的PC中。
　　遺憾的是,AGP犧牲了通用性和擴展性。原因是在AGP上只能連接3D圖形控制晶片。PC機雖然配置了3D裝置所附帶的圖形、MPEG2解壓和視頻捕獲等多媒體插板,但AGP的“受益者”卻只有圖形插板。因此,還不敢斷言AGP“是新一代匯流排的上佳選擇”。
　　2.SGI“獨闢蹊徑”
　　SGI公司提出了取代AGP的另一種方案。它於1996年11月推出了採用先進的UMA(Unified Memory Architecture,統一記憶體結構)的O2圖形工作站。O2圖形工作站是業界第一個採用統一記憶體結構的系統,它依靠其64位元MIPS RISC微處理器,將三維圖形圖像處理、視頻、音頻和壓縮能力集成在一起,從而在低價位上得到了超級性能。它衝破了傳統的基於匯流排的資料傳輸障礙,使得CPU圖形圖像處理和I/O之間均能以2.1Gbps的速度直接訪問記憶體,並快速的傳遞資訊。
　　O2圖形工作站的著眼點是盡可能降低成本,提高性能。採用UMA技術,使圖形控制器、視頻處理器等4種週邊晶片及主處理器，可以共用主記憶體(SDRAM)。一般情況下,若採用UMA裝置,當多個外設的訪問申請都集中于主存時,則會導致性能下降。因此,在O2中,用寬256位元、時鐘頻率為66MHz的超高速匯流排(最大傳輸速度達2.1Gbps)連接主記憶體,以抑制性能下降。
　　UMA在3D圖形繪製、視頻再生、視頻捕獲等所有多媒體資料操作方面,發揮著積極的作用。例如,3D圖形的性能很大程度上取決於記憶體容量和記憶體存取性能,原因是處理圖形要頻繁地存取Z緩衝器和紋理資料區。據Microsoft測算,在640×480圖元的流行的彩色表示模式中,使用採用二進位濾波方式的紋理影射和24位的Z緩衝器繪製3D目標時,需要大約30Mbps的記憶體帶寬。另外,這時僅儲存Z緩衝器和紋理資料,就需要4MB的記憶體。如使用UMA裝置,圖形控制晶片把主記憶體作為幀緩衝器使用,那麼可以不使用專用的幀緩衝器,在空主存區內還可最大限度的確保紋理資料區,這樣,可望進一步提高3D圖形的性能。
　　UMA在視頻捕獲中效果尤其明顯。用攝像機來獲取視頻,然後將其作為3D目標的紋理資料貼上,就可即時地再生視頻圖像。由於使用UMA機構,把捕獲的資料送入主存,只要將其記憶體指標作為捕獲資料的指標傳遞給圖形控制晶片即可。
　　3.AGP並非匯流排
　　與UMA的考慮方法一樣,只不過AGP僅是一個能使週邊設備高速存取記憶體的技術標準。具體的說,是把3D圖形晶片與記憶體/PCI晶片相連接,3D圖形晶片可以將主存作為幀緩衝器,實現高速存取。嚴格地說,AGP不是匯流排,它僅是考慮一對一（點對點）連接的“埠”。
　　因此,AGP主要是針對繪製3D圖形而言。AGP的資料匯流排寬為32位元,它有66MHz和133MHz兩種工作頻率,最高資料傳輸速率分別為266Mbps和533Mbps。與AGP對應的記憶體/PCI控制晶片組中備有被稱之為“GART(Graphics Address Remapping Table)”的表,3D圖形晶片以4KB為單位,可自由地將主存映射到本身的位址空間。映射區在主存上可以是不連續的，但必須以4KB為單位。
　　另外,AGP對於MPEG2視頻的再生具有積極作用。但這僅限於不用專用解壓硬體而用處理器來解壓MPEG2視頻資料的情況。用處理器解壓時,可在畫面顯示時,經AGP將解壓後的視頻資料傳送給視頻記憶體。但是,若使用專用的MPEG2解壓卡,解壓後的資料則不經AGP,而是必須用PCI匯流排進行傳送。在MPEG2規格中,主要是使用7200×576圖元、30幀/秒的視頻。理論上,傳送解壓後的資料需要36Mbps的資料傳送能力。PCI的實際傳送速率為30～40Mbps。若用PCI匯流排進行傳送,畫面會發生抖動。Intel推薦用主處理器來解壓MPEG2視頻。在AGP中,不再考慮使用MPEG解壓卡。
　　視頻捕獲卡不能連接到AGP卡上,也不能像O2那樣只要把捕獲資料的記憶體指標傳遞給圖形控制晶片就可將其資料用於紋理。
　　4.AGP具有濃厚的“補丁”色彩
　　很多PC圖形界的專家預言:“把O2的體系結構應用在PC中,恐怕是兩三年以後的事情。”例如,有關機構已經制定出了寬64位元、時鐘頻率為66MHz的PCI匯流排技術標準,它的理論資料傳輸速度與AGP一樣,是533Mbps。另外,美國的圖形標準化協會VESA(Video Electronics Stand ards Association)也已籌畫制定所有接到PCI匯流排的外部設備共用主存的UMA機構的技術標準。如果將UMA機構裝到寬64位元、時鐘頻率為66MHz的PCI匯流排上,其結構就變成了使所有多媒體機構順暢工作的O2圖形工作站。
　　可是,SCSI控制晶片、Modem和串/並行控制器等外部設備,並不需要高於目前PCI匯流排的資料傳輸速度,但它們必須工作在66MHz的時鐘頻率下。這樣,製造各種這類控制晶片不僅提高了成本,而且調試複雜。但是,若在今後1～2年之內,出臺替代AGP的新裝置,也必須購買新機器,這樣必然會妨礙PC的普及。
　　5.AGP是當前切實可行的解決策略
　　事實上,AGP是目前所考慮的實現PC機圖形、視頻處理弁鈳戽{實的解決策略。O2是SGI獨家制定且具有高性能、高價位的工作站的技術標準。它和採用多家廠商產品組合而成的PC機大不相同。例如,它把主存接至資料傳輸速度最高達2.1Gbps的匯流排上,把繪製3D圖形的再生機構和主存控制器綜合到一個晶片中等等,這些都是只有在一個封閉的獨立廠商才能實現的技術。在組合多家廠商產品的PC機中,要實現完全對應於O2的裝置,確實是“勉為其難”。況且,這也與PC機視開放環境為靈魂的精神相左。相反,AGP可以在這樣的設計思想下進行開發:使AGP能配置在低價位的PC中,而相應的器件(圖形控制晶片)製造簡單,成本低。例如,由於AGP只限於連接一個器件(主存/PCI控制晶片組除外),故此,所連接的器件容易開發,在主存/PCI控制晶片組,無須安裝用於AGP仲裁的專用電路,可降低成本。實際上,所謂PCI匯流排是傳送大量資料的瓶頸,也僅僅指的是3D圖形晶片。
　　AGP實質上是PCI技術標準的擴充。這也是出於簡化開發設計的考慮,使其類似於PCI匯流排。AGP與PCI匯流排不同，其位址線和資料線分離(PCI是49根信號,而AGP是65根)；可實現“流水線”處理,以提高實際資料傳輸速率;位址線和資料線分離,沒有切換的“開銷”,提高了隨機訪問主存時的性能。
　　記憶體/PCI控制晶片組具有“事物處理”佇列,用以實現流水線“處理”。圖形控制晶片一旦將要求送給主存/PCI控制晶片組,就立刻釋放匯流排。主存/PCI控制晶片組可以把多個申請命令存入佇列,按優先權高低依次處理、回應。圖形控制晶片在資料的等待時間裏,可以受理處理結果,因而,可提高匯流排的整體使用效率。
　　6.關於PC機總體結構的反思
　　AGP雖然是實現PC機圖形視頻處理弁鄋漱褸磪i行的解決策略,但它仍是帶有濃厚“補丁”色彩的技術標準。AGP究竟能否以與投資相稱的“永久性”裝置“紮根落戶”,還是像過去的VL－Bus那樣曇花一現?目前還難以定論。從相反的觀點來看,AGP是為普及3D圖形的需求而出臺的,如果3D圖形的需求“萎縮”,它就有可能重蹈VMC(VESE Media Channe)和SFBI(Shared Frame Buppzzer Interconnect)失敗的覆轍。將來多媒體PC機究竟怎麼用,目前也無定論。Intel的預測只不過是基於用PC機玩“遊戲”和MPEG2視頻影像的用戶將急劇增長這一判斷。更重要的是,PC機應具有能玩“遊戲”、玩MPEG2視頻、甚至玩視頻捕獲的性能。由此看來,必將出現新型的應用和服務,一個與現在大不相同的、嶄新的多媒體世界將會展現到我們面前。
　　為了進一步普及PC,開拓巨大的家用PC市場,不應只顧眼前利益,要有長期能用的多媒體匯流排。時至今日,認真設計一種理想的多媒體PC的總體結構,已迫在眉睫。