Les interactions entre la carte graphique et le microprocesseur

DEUXIEME PARTIE

ETUDE DU THEME

LES INTERACTIONS ENTRE

LA CARTE GRAPHIQUE

ET LE MICROPROCESSEUR

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I. PRESENTATION D'UN ORDINATEUR I.1. Présentation d'un ordinateur

Un ordinateur est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des données sous forme binaire Le mot « ordinateur » provient de la firme IBM. Il est composé de deux parties essentielles :

- La ressource matérielle qui est le hardware,

- La ressource logicielle qui est le software.

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Fig.1 Schéma de l'architecture d'un ordinateur

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Fig.2 : un ordinateur de bureau

1.2. Présentation de la carte mère

La carte mère est en fait le système nerveux du PC. C'est sur elle que sont connectés tous les éléments du PC. Une carte mère comporte toujours les éléments suivants :

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- Un chipset,

- Un BIOS (Basic Input Output System, c'est la mémoire de démarrage du PC),

- Une horloge interne gérée par une pile lorsque le PC est éteint,

- Des bus (liaisons physiques reliant les différents éléments sur la carte mère).

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Fig.3. Une carte mère

On différencie les cartes mères grâce au :

· Facteur d'encombrement,

· Chipset,

· Support de processeur (Socket),

· Fonctionnalités intégrées (depend du chipset).

> Le facteur d'encombrement :

Ce sont en fait les normes qui définissent les dimensions et la forme géométrique de la carte mère. Il existe différents facteurs d'encombrement tel que :

- ATX, qui est le plus répandu aujourd'hui

- AT, ancêtre de l'ATX, presque totalement disparu aujourd'hui

- Baby AT gère des cartes mères plus petites.

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> Le chipset (ensemble de puces ou jeu de composants ou jeu de circuits)

Fig.4. Un chipset de marque SIS

On appelle chipset, l'élément chargé d'aiguiller les informations entre les différents bus de l'ordinateur afin de permettre à tous les éléments constitutifs de l'ordinateur de communiquer entre eux. Le chipset était originalement composé d'un grand nombre de composants électroniques, ce qui explique son nom. Il est généralement composé de deux éléments :

Le North Bridge (Pont Nord ou Northern Bridge, appelé également contrôleur mémoire) est chargé de contrôler les échanges entre le processeur et la mémoire vive. C'est la raison pour laquelle il est situé géographiquement proche du processeur. Il est parfois appelé GMCH, pour Graphic and Memory Controller Hub. Il est le composant principal. Il contient le contrôleur de mémoire vive et de mémoire cache. Il sert aussi d'interface entre le bus principal à 66 ou 100 Mhz et le bus d'extension AGP. Il est le seul composant, en dehors du processeur, qui tourne à la vitesse de bus processeur. C'est grâce à elle que le processeur communique avec la carte graphique.

Le South Bridge (Pont Sud ou Southern Bridge, appelé également contrôleur d'entrée-sortie ou contrôleur d'extension) gère les communications avec les périphériques d'entrée-sortie. Le pont sud est également appelé ICH (I/O Controller Hub).

On parle généralement de bridge (en français pont) pour désigner un élément d'interconnexion entre deux bus. Il est cadencé à une fréquence plus basse. Il est chargé d'interfacer les slots d'extensions ISA, EISA ou encore PCI. Il se charge aussi de tous les connecteurs I/O, tels que les prises séries, parallèles, USB, ainsi que les contrôleurs IDE et FLOPPY. Il prend aussi en charge l'horloge système et les contrôleurs d'interruptions et DMA.

Le chipset est composé de différents chips, chargé chacun de piloter un composant précis. Le type de chipset définit les composants supportés par la carte mère. Dès lors, il est important de veiller au type de chipset lors de l'achat d'une nouvelle carte mère.

D'autre part, le chipset peut gérer beaucoup de fonctions comme :

- l'Ultra DMA 133,

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- le Serial ATA (SATA),						- le RAID,
- l'USB 2.0,
- le son intégré avec enceintes 6.1,
- le réseau,
CPU		Backside bus		Cache	- le chipset graphique intégré, - le FireWire.
				L2

BUS processeur 6E. à 200 MHz

BUS memoi-e		&m.	66 à 200 MHz

			Pont Nord	AGP
Bus AGP

Liaison pont nr2rd
·pont sud

^uni SCSI

BUS SCSI 7 à 15 - périphériques 4.Ji80 MHz maximum

Bus PCI

33/86.'1:3.3 MH

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Bus ISA
B MHz

LAN			100 Mo,s

Bus IDE

',001133 Mors

Bus L]SB

6 0 Mois

'127 pérrphériques
maximum

Vidéo

Firewire

100;403 Mois
AC'97

Port série

Port parallèle

Interface flopp^.,.

Pont Sud

Fig.5 Architecture d'une carte mère

> L'horloge temps réel :

C'est un circuit chargé de la synchronisation des signaux du système. Elle est constituée d'un cristal qui, en vibrant, donne des impulsions afin de cadencer le système. On appelle fréquence d'horloge, le nombre de vibrations du cristal par seconde. Plus la fréquence est élevée, plus le système pourra traiter d'informations. Cette fréquence se mesure en MHz. 1 MHz équivaut à 1 million d'opérations par seconde.

> Les ports :

Une carte mère comporte un certain nombre de ports destinés à connecter différents

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périphériques. Voici les plus connus :

Le port ISA : c'est le plus ancien. On ne le trouvait que sur les anciennes machines (386, 486, Pentium et certains Pentium II). Il est très lent comparé aux autres (16 bit, 8 Mhz, ce qui nous fait environ 16 Mo par seconde, ce qui est très lent). Ceci explique en grande partie son abandon.

Le port PCI : Le bus PCI (Peripheral Component Interconnect) : c'est le bus qui est encore d'actualité sur PC avec l'AGP. Son taux de transfert est de 125 Mo par seconde pour les processeurs 32 bits, 2 fois plus pour les processeurs 64 bits. Il communique avec le port PCI. Bien plus rapide que L'ISA (32 bits, 33 Mhz, ce qui nous fait 125 Mo par seconde), le port PCI est encore utilisé dans les configurations les plus récentes. Il n'est lent que pour les cartes graphiques, lesquelles utilisent un port encore plus rapide, le port AGP.

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Le port AGP : Ce port est apparu avec le Pentium II d'Intel en 1997. C'est le plus rapide de tous (32 bit, 66 Mhz pour le AGP lx).

Les débits des différentes normes AGP sont les suivants :

AGP lx: 66, 66 MHz x 1(coef.) x 32 bits /8 = 266.67 Mo/s

AGP 2x: 66, 66 MHz x 2(coef.) x 32 bits /8 = 533.33 Mo/s

AGP 4x: 66, 66 MHz x 4(coef.) x 32 bits /8 = 1, 06 Go/s

AGP 8x: 66, 66 MHz x 8(coef.) X 32 bits /8 = 2, 11 Go/s

Il ne change pas de fréquence mais exploite deux fronts mémoire au lieu d'un, un peu comme la DDR, Cette génération de carte est alimentée en 25 W. La génération de carte suivante se nomme AGP Pro et est alimentée en 50W.

La norme AGP Pro 8x propose un débit de 2 Go/s.

Il est à noter que les différentes normes AGP conservent une compatibilité ascendante, c'est-à-dire qu'un emplacement AGP 8x pourra accueillir des cartes AGP 4x ou AGP 2x

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Les cartes mères récentes sont équipées d'un connecteur AGP général reconnaissable par sa couleur marron (normalisée). Il existe trois types de connecteurs :

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Connecteur AGP 1,5 volts :

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Connecteur AGP 3,3 volts :

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Connecteur AGP universel :

Le PCI Express : Les Pentium IV de l'année 2006 ne seront plus équipé de port AGP et de port PCI mais seulement de ce type de port. Car on peut y brancher tout type de cartes d'extension. C'est un bus série contrairement aux autres bus qui sont des bus parallèles, permettant de transférer de 8 à 64 bits par cycle d'horloge mais à des fréquences limitées. L'avantage du bus série PCI-Express est que l'on à plus ces mêmes limites de fréquence. Le taux de transfert du bus PCI Express offre une vitesse de base de 312 Mo/s (2.5 Gigabit/s) en mode xl. Mais il existe déjà des modes x2, x4, x8, x12, x16 et x32. En mode x32, le PCI Express est capable de transmettre 32x312Mo/s -- 10 Go/s. Le connecteur est tout petit, il comprend 18 pins. Mais on peut augmenter la taille des ces connecteurs x4=64 pins, x8=98 pins, xl6=164 pins.

LX 4X

> Le socket :

Le port destiné au processeur (socket) ne cesse d'évoluer. Il est passé du socket 7 (processeurs Pentiums), au slot 1 chez INTEL, et slot A chez AMD. Mais il fait un retour en force, sous forme de sockets 478 et 775 chez INTEL et socket 462 puis 939 chez AMD. Les chiffres correspondent au nombre de trous du socket.

> Les bus :

On appelle bus, en informatique, un ensemble de liaisons physiques (câbles, pistes de circuits imprimés, etc.) pouvant être exploitées en commun par plusieurs éléments matériels afin de communiquer. Les bus ont pour but de réduire le nombre de « voies » nécessaires à la communication des différents composants, en mutualisant les communications sur

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une seule voie de données. C'est la raison pour laquelle la métaphore d'« autoroute de données » est parfois utilisée.

On caractérise un bus par sa fréquence (cadence de transmission des bits) et sa largeur (nombre de bits pouvant être transmis simultanément).

Le bus système : appelé aussi FSB pour Front Side Bus, est le bus qui assure le transport de données entre le processeur et la mémoire vive en passant par le pont nord. C'est de lui qu'il s'agit lorsque l'on parle de bus 133 Mhz, 266 Mhz. C'est un bus 64 bits.

Le bus série : c'est le bus que tous les PC possèdent, celui qui débouche sur le port servant à brancher une souris ou un modem, ou encore certains périphériques de jeux. Ses défauts sont sa lenteur extrême car les données ne sont envoyées que bit par bit (0 ou 1).

Le bus parallèle : c'est le bus qui communique avec le port parallèle, qui sert à brancher l'imprimante, le scanner, des graveurs externes, etc. Il est 8 fois plus rapide que le port série (les informations sont transmises par tranche de 8 bits, soit 1 octet à la fois), mais toujours lent si on le compare aux bus USB et FIREWIRE.

Le bus USB (Universal Serial Bus) : il est largement plus rapide que le bus parallèle et peut aller à la vitesse de 1.5 Mo par seconde pour l'USB 1.1. L'USB 2.0 peut quant à lui monter à 60 Mo par seconde ! Il est relié au port USB qui sert à brancher presque tous les périphériques du marché : Webcams, modems, imprimantes, scanners, manettes de jeu... Son avantage est de pouvoir en théorie brancher 127 périphériques !

Le bus FIREWIRE : il permet de brancher 63 périphériques et offre des caractéristiques semblables à l'USB, en beaucoup plus performant. Le bus FIREWIRE permet d'atteindre de 100 à 400 Mo par seconde ! Ses défauts sont que les périphériques qui se branchent sur ce type de port sont rares (et chers).

Le bus ISA (Industry Standard Architecture) : c'est le bus archaïque du PC avec le port série! Il fonctionne en 8 bits (1 octet) pour les ordinateurs anciens, ou 16 bits pour les ordinateurs récents disposant encore de ce type de bus. Son taux de transfert est d'environ 8 Mo par seconde pour le 8 bit et 16 Mo par seconde pour le 16 bit.

Le bus PCI (Peripheral Component Interconnect) : C'est le bus qui est encore d'actualité sur les ordinateurs avec l'AGP. Son taux de transfert est de 125 Mo par seconde pour les processeurs 32 bits et double avec les processeurs 64bit. Il communique avec le port PCI.

Le bus AGP (Accelerated Graphic Port) : Il est apparu avec le Pentium II en 1997. Il

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permet de traiter 32 bits à la fois et à une fréquence de bus de 66 MHz. Sa qualité est sa rapidité (500 Mo par seconde pour le 2 X et 1 Go pour le 4 X, et maintenant 2 Go par seconde pour le 8x). Il communique avec le port AGP.

Liaison pont nord/pont sud : Ses caractéristiques dépendent du chipset utilisé.

Chaque fabricant a en effet développé une solution propriétaire pour connecter les deux composants de leur chipset. Pour Intel, c'est Intel Hub Architecture (IHA) dont les débits atteignent 533 Mo/s. Pour Nvidia (en collaboration avec AMD), c'est l'Hyper Transport qui atteint des débits de 800 Mo/s.

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II. GENERALITES SUR LES CARTES GRAPHIQUES

L'essentiel de l'information circulant entre l'Homme et l'ordinateur passe par l'affichage à l'écran. Il est donc normal que ce critère soit analysé avec minutie. L'achat d'un écran, paramètre trop souvent négligé, n'est pas à prendre à la légère. Si la lenteur de la machine handicape votre productivité et met à rude épreuve votre patience, ce ne sont là que de bien piètres arguments en face de l'essentiel : à savoir la santé. Car la qualité de l'affichage a une incidence directe sur la fatigue oculaire. Une mauvaise définition, trop de radiations, un mauvais rafraîchissement ou une mauvaise stabilité de l'image peut entraîner une fatigue inutile de l'oeil. On sait ce qu'il en advient.

Tant le moniteur que la carte graphique sont responsables de ce type de désagrément. Cependant, si le choix d'un bon moniteur est l'amorce d'une solution, celle-ci sera insuffisante tant que la carte graphique associée à ce moniteur ne sera pas de qualité au moins égale.

Fig.6 : Carte graphique avec sortie DVI

ILL Historique

Historiquement, les concepteurs d'ordinateurs ont rapidement demandé à disposer d'une mémoire dédiée pour l'affichage des caractères, et éventuellement graphiques, séparée de la mémoire générale utilisée pour les calculs et le stockage des programmes. En effet, ils disposaient de circuits intégrés spécifiques destinés à générer les signaux d'affichage. Ces circuits devaient eux-mêmes respecter une synchronisation parfaite pour s'accorder avec les balayages des tubes cathodiques.

Les deux premiers standards d'adaptateurs graphiques de l'ère PC (MDA et CGA) étaient tous deux basés sur le contrôleur vidéo Motorola MC6845.

Le mode MDA (Monochrome Display Adapter)

Le standard Monochrome Display Adapter d'IBM, né en 1981 avec le premier PC de Big blue, a régné plusieurs années dans l'affichage monochrome. Son mode d'affichage unique pouvait traiter 25 lignes de 80 colonnes, et sa mémoire permettait de stocker une seule page

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écran. La mode MDA, est le mode d'affichage des écrans monochromes fournissant un affichage en mode texte de 80 colonnes par 25 lignes. Ce mode permettait d'afficher uniquement des caractères ASCII. Le moniteur MDA a aujourd'hui disparu (on n'en fabrique plus).

Le mode CGA (colon Graphics Adapter)

La carte CGA présentait un standard concurrent au MDA. Elle disposait d'une sortie directe vers un écran de télévision : pour exploiter la couleur, il n'était pas nécessaire d'acheter un moniteur spécial. Le mode CGA est apparu en 1981 peu après le mode MDA avec l'arrivée du PC. Ce mode graphique permettait :

- Un affichage en mode texte amélioré, permettant d'afficher les caractères avec 4 couleurs

- Un affichage en mode graphique permettant d'afficher les pixels en 4 couleurs avec une résolution de 320x200.

Le mode HGC (Hercules Graphic Card)

Dès 1982, un nouveau standard faisait son apparition. Il poussait le contrôleur Motorola M6845 dans ses derniers retranchements pour afficher du graphisme monochrome en 720 x 348 pixels. Compatible MDA, la carte HGC pouvait gérer deux pages graphiques et faisait entrer la micro-informatique dans le domaine de la « haute résolution ».

C'est à cette époque que le processeur graphique fit son apparition. Ce processeur
prend en charge les travaux complexes de graphisme, soulageant d'autant le

microprocesseur. Les cartes graphiques se mirent à dessiner des courbes, des cercles, etc. Le mode EGA (Enhanced Graphic Adapter)

En 1985, une nouvelle carte graphique apparaissait, sous un nouveau standard : EGA. Compatible MDA et CGA, la carte EGA était et est toujours capable d'afficher des graphismes sous 640 x 650 pixels en monochrome ou en seize couleurs. La RAM propre à la carte est passée à 256 Ko (kilo-octet). Le mode EGA est apparu au début des années 1985. Il permettait d'afficher 16 couleurs avec une résolution de 640x350, soit des graphismes beaucoup plus fins qu'en mode CGA.

Le mode VGA (Vidéo Graphic Array)

En 1987, le mode VGA accompagnait la naissance du PS/2. Compatible MDA, CGA, HGC, et EGA, Il permet une résolution de 720x400 en mode texte et une résolution de 640 par 480 (640x480) en mode graphique 16 couleurs. Il permet également d'afficher 256 couleurs avec une définition de 320x200 (mode également connu sous le nom de MCGA

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pour Multi-Colour Graphics Array). La RAM propre à la carte passait à 512 Ko, permettant de gérer 262000 nuances de couleurs. Le VGA est rapidement devenu le mode d'affichage minimum pour les ordinateurs de type PC.

Le mode XGA (eXtended Graphics Array)

In 1990, IBM a introduit le XGA. La version 2 de ce mode d'affichage, baptisé XGA-2 offrait une résolution supérieure.

Le mode SVGA (Super Video Graphics Array) est un mode graphique permettant d'afficher 256 couleurs à des résolutions de 640x200, 640x350 et 640x480. Le SVGA permet également d'afficher des définitions supérieures telles que le 800x600 ou le 1024x768 en affichant moins de couleurs.

Aujourd'hui on a les standards VESA, SXGA, WUXGA, WXGA, WSXGA, WSXGA-F, UXGA. Ces modes définissent des résolutions de 800 x 600, 1280 x 768, 1600 x 1200, 1280 x 800, 1920 x 1200, 1680 x 1050 et 1600 x 1024 avec 16 millions de couleurs.

C'est sur que de nos jours la liste est encore longue car la technologie évolue à grande vitesse.

Dans les cartes graphiques évoluées de 2005, la mémoire vidéo stocke des images (une image en cours d'affichage, une autre en cours d'écriture (qui pourra être affichée plus tard), des textures (images représentant des 'tapisseries' de pierres, bois, herbe...), des objets en 3 dimensions, etc. Le processeur d'affichage assemble et anime ces différents éléments.

De nombreux ordinateurs modernes bon marché n'ont pas de mémoire spécifique pour la vidéo, mais utilisent une partie dédiée de la RAM. On parle de mémoire partagée.

11.2. Généralités

La carte graphique (en anglais graphic adapter), parfois appelée carte vidéo ou accélérateur graphique, est l'élément de l'ordinateur chargé de convertir les données numériques à afficher, envoyées par le microprocesseur, en données graphiques exploitables par un périphérique d'affichage. Le rôle de la carte graphique était initialement l'envoi de pixels graphiques à un écran, ainsi qu'un ensemble de manipulations graphiques simples

- Déplacement des blocs (curseur de la souris par exemple) ;

- Tracé de lignes ;

- Tracé de polygones, etc.

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Mais les cartes graphiques récentes sont équipées de processeurs spécialisés dans le calcul de scènes graphiques complexes en 3D !!!

Sous le terme de carte graphique se cache tout un ensemble de cartes plus ou moins complexes, plus ou moins puissantes, et donc plus ou moins chères. Alors qu'à ses débuts, la carte vidéo se chargeait uniquement d'afficher une simple image formée de points colorés, les derniers modèles apparus se chargent d'afficher des images d'une grande complexité.

Il y a 5 composants principaux sur une carte graphique :

- Le processeur graphique ou le GPU (le processeur central de la carte graphique),

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	pi.coseu I I^. erneeI bnll IlPilLII mém,,,,, idéo / mm m mm m	- Le Ram Dac, - Le bios vidéo, - La mémoire vidéo, - Les éventuelles entrées-sorties vidéos.
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11.2.1. Le processeur graphique ou GPU

Un processeur graphique (appelé GPU, pour Graphics Processor Unit), est le processeur central de la carte graphique et chargé de traiter les images en fonction de la résolution et de la profondeur de codage sélectionnée. C'est un chipset spécialisé dans la gestion des fonctions graphiques 2D, 3D et l'accélération vidéo (MPEG1, MPEG2). C'est le coeur de la carte. En raison de la température que peut atteindre le processeur graphique, il est parfois surmonté d'un radiateur et d'un ventilateur.

Aujourd'hui, les GPU possèdent des fonctions très avancées, telles que la gestion de lumière, de l'ombrage dynamique, du relief, etc. Chaque génération de GPU apporte son lot d'innovations technologiques, qui sont plus ou moins utilisées dans les jeux. Le principal intérêt est de soulager le processeur central, et donc d'accélérer le jeu et, ainsi, d'améliorer la fluidité. Cela peut aussi améliorer le graphisme, ajouter du contraste et surtout avoir un rendu plus réaliste. La fréquence du GPU (200 - 500 Mhz) est bien moindre que celle des processeurs classiques, mais une carte graphique haut de gamme nécessite au moins 1.8 GHz pour délivrer toute sa puissance !!!

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11.2.2. Le Ram Dac

Le Ram Dac (random access memory digital-analog converter) permet de convertir les images numériques stockées dans le frame buffer en signaux analogiques à envoyer au moniteur. Il transforme les données numériques de la mémoire vidéo en données analogiques afin qu'elles puissent être lues par le moniteur. Il convertit le signal numérique en signal analogique nécessaire au moniteur. Par contre les écrans LCD sont pilotés par un signal numérique d'ou une reconversion du signal analogique en signal numérique. A chaque conversion on ne peut échapper à une perte de la qualité de l'image. De la fréquence du Ram Dac dépend le taux de rafraîchissement maximal de l'image sur le moniteur. Elle détermine les taux de rafraîchissement (nombre d'images par seconde, exprimé en Hertz - Hz) que la carte graphique peut supporter car aujourd'hui la majorité des cartes graphiques disposent quasiment des mêmes Ram Dac. Un Ram Dac d'au moins 250 Mhz est un minimum aujourd'hui. Les sorties couleurs (composantes Rouge, vert, bleu) sont en Analogique (75 ohm 0 à 0.714 Vp-p). Les sorties Synchro sont en TTL (Transistor Transistor Logic) : Signaux à 2 valeurs: Ov et 5v.

11.2.3. Le bios vidéo

Le Bios vidéo (Basic Input Ouput System) permet de gérer tous ces composants. Comme une carte mère, une carte graphique se compose d'un processeur, d'une mémoire, de connecteur(s) permettant de transférer les données vers le moniteur et ainsi afficher une image. Ce Bios vidéo ne gère que la carte graphique indépendamment de celui qui se trouve sur la carte mère. Dés la mise sous tension du PC le premier écran visible, affiche l'identification du bios vidéo, sa version ainsi que son code fabricant. Ce Bios, intimement lié à la carte graphique, est déterminant sur les performances vidéo. Le bios vidéo contient les paramètres de la carte graphique, notamment les modes graphiques que celle-ci supporte.

11.2.4. La mémoire vidéo

La mémoire vidéo est chargée de conserver les images traitées par le processeur graphique avant l'affichage. Plus la quantité de mémoire vidéo est importante, plus la carte graphique pourra gérer de textures lors de l'affichage de scènes en 3D. On parle généralement de frame buffer pour désigner la partie de la mémoire vidéo servant à stocker les images avant

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l'affichage. Les cartes graphiques sont tributaires du type de mémoire utilisée, car leur temps de réponse est déterminant pour la vitesse d'affichage des images, ainsi que de la quantité de mémoire, jouant sur le nombre et la résolution des images pouvant être stockées dans le frame buffer.

La mémoire est aussi utilisée pour charger des textures en avance (utilisées en 3D) d'où un gain de performance qui autorise des affichages fluides pour les jeux les plus gourmands. La mémoire vidéo permet d'accélérer la vitesse de traitement de l'ordinateur. L'image affichée à l'écran est stockée dans la mémoire vidéo. Lorsqu'on est en mode texte, ce sont les caractères ASCII et leur couleur qui sont stockées. En mode graphique, la couleur de chaque pixel est stockée dans la mémoire d'écran.

La taille des mémoires vidéo varie entre 1 Mo et plus de 32 Mo pour les cartes graphiques de haute gamme. La taille standard est de 16 Mo. La résolution de l'affichage ou le nombre de couleurs disponibles dépend de la taille de cette mémoire. Aujourd'hui, dans le monde de la 3D, la mémoire vidéo sert à placer les textures. Plus cette mémoire sera importante, plus les jeux seront détaillés. Le standard se situe actuellement à 128 Mo, les cartes haut de gamme disposent la plupart du temps de 256 Mo.

Résolution	16	256	32 768	65 536		16 777 216	en pixels
couleurs	couleurs	couleurs	couleurs	couleurs		640 x 480 150 Ko
300 Ko		563 Ko	600 Ko	900 Ko		800 x 600 234 Ko
469 Ko		879 Ko	938Ko	1 406 Ko		1 024 x 768 384 Ko
768 Ko		1 440 Ko	1 536 Ko	2 304 Ko		1 280 x 1 024
640 Ko	1 280 Ko	2 400 Ko	2 560 Ko	3 840 Ko		1 600 x 1 200 938Ko
1 875 Ko		3 516 Ko	3 750 Ko	5 625 Ko

Dans un dispositif électronique (ordinateur, téléphone mobile, etc.), la mémoire dédiée au stockage des éléments destinés à être affichés est habituellement nommée VRAM.

Il y a aussi un autre facteur très important, c'est la vitesse de la mémoire.

Aujourd'hui, il existe deux types de mémoire vidéo :

- La mémoire SDRAM identique à la mémoire vive des PC.

- La mémoire DDR-SDRAM (Double Data Rate), exploitant les fronts montants et descendants de la mémoire, autrement dit la bande passante est doublée par rapport à la SD-

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RAM à même fréquence. On trouve plutôt ce type de mémoire sur les cartes graphiques moyennes et haut de gamme.Il faut aussi prendre en compte la largeur du bus de la mémoire. La plupart des mémoires fonctionnent sur 128 bits. Or, pour les cartes graphiques bas de gamme, les constructeurs proposent de la mémoire avec des largeurs de bus inférieures, par exemple 64 bits. La bande passante est alors divisée par deux.

Vitesse de la	Type de	Largeur	Bande
mémoire	mémoire	de bus	passante
200 MHz	SDram	64 bits	1.5 Go/s
200 MHz	SDram	128 bits	3 Go/s
200 MHz	DDR-SDram	128 bits	6 Go/s

On appelle fréquence de lecture de la mémoire vidéo, la fréquence avec laquelle le contrôleur vidéo effectue une lecture de tout ou une partie du contenu de la mémoire à intervalle régulier.

Anecdote

En 1982, une mémoire vidéo comptait 1K à 2K octets. En 2005, une mémoire vidéo de téléphone portable compte typiquement 100K octets. Une mémoire vidéo de carte graphique de PC compte de 16 à 256 Mo.

Quelques types de mémoires:

La DRAM (Dynamic Random Access Memory), qui se positionne à un instant donné, soit en mode lecture, soit en mode écriture. Elle doit être sans cesse rafraîchie pour conserver les données.

La VRAM (Vidéo Random Access Memory) mémoire vidéo qui fonctionne avec deux entrées-sorties afin d'accélérer l'affichage.

La WRAM (Windows Random Access Memory) comme la VRam, elle possède deux canaux d'entrée-sortie. (60ns)

La SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) Toutes les opérations dans la SDRAM sont synchronisées avec le signal d'horloge. (10 ns)

La SGRAM (Synchronous Graphics Random Access Memory) (8ns - 10 ns).

11.2.5. Les entrées et sorties vidéo ou interfaces

Quelques cartes possèdent aussi un tuner vidéo, qui permet de regarder la télé sur son PC,

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LES INTERACTIONS ENTRE LA CARTE GRAPHIQUE ET LE MICROPROCESSEUR

ou encore un port DVI en plus du port VGA. Équipée de telles cartes, l'ordinateur devient une véritable télé associée à un magnétoscope. La connectique de sortie est au format S- Vidéo avec, souvent, un adaptateur S-Vidéo/composite. Certaines cartes disposent de plusieurs sorties VGA pour pouvoir brancher deux écrans sur son ordinateur: le DUAL HEAD.

L'intérêt du DUAL HEAD est de disposer d'un affichage plus étendu sous Windows. On peut ainsi ouvrir plus de programmes tout en se repérant mieux.

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Fig.7. les entrées-sorties d'une carte graphique

> L'interface VGA standard: Les cartes graphiques sont la plupart du temps équipées 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. Ce type d'interface permet d'envoyer à l'écran trois (3) signaux analogiques

correspondant aux composantes rouges, bleues et vertes de l'image. veee.

·
·

Fig.8. L'interface VGA

> L'interface DVI (Digital Video Interface), né en Mars 1999, est présente sur certaines cartes graphiques. Il permet d'envoyer, aux écrans le supportant (le plus souvent les écrans LCD), des données numériques. Ceci permet d'éviter des conversions

numériques analogiques, puis analogiques numériques, inutiles.

Ce connecteur envoie des signaux numériques aux écrans qui abandonnent du coup ses propres convertisseurs améliorant ainsi la qualité de l'image. Le connecteur DVI

transmettra des signaux analogiques destinés aux moniteurs à tube cathodique. Pour ces derniers il n'y aura pas une meilleure qualité d'image mais sans doute un meilleur dialogue avec la carte graphique.

Fi2.9. L'interface DVI

> L'interface S-Vidéo : De plus en plus de cartes sont équipée d'une prise S30/62

Vidéo permettant d'afficher les images sur une télévision, c'est la raison pour laquelle elle est souvent appelée prise télé (notée « TV-out »).

Fig.10.L'interface S-Vidéo

> L'interface Video In : L'entrée vidéo ou video in est une entrée specialisée Presente sur la carte graphique. Elle sert notamment à visionner des vidéos qui se jouent hors du pc. Certains l'utilisent pour enregistrer des vidéos d'une bande magnétique sur le pc. Par le logiciel qui accompagne la carte graphique, on peut projeter sur le moniteur des films lus par des lecteurs DVD ou un magnétoscope.

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I DVI

CRT

BUS

GPLJ

Mémoire
vidéo

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11.2.6. Performances graphiques

Les performances d'une carte graphique dépendent en grande partie du processeur central. Plus la résolution augmente, plus le travail de la carte graphique sera important. La carte graphique doit être adaptée au moniteur. En effet, choisir un moniteur capable d'afficher une résolution de 1024 x 768 en non entrelacement avec un taux de rafraîchissement vertical de 100 Hz alors que la carte graphique se contente d'émettre ce mode avec un taux de 75 Hz est inutile. Mais il ne faut pas non plus avoir un processeur de 3 gHz pour une carte graphique avec une mémoire de 8 Mo.

> Les cartes graphiques AGP :

La plupart des cartes graphiques se placent sur le port AGP. Celui-ci est totalement différent d'un port PCI tant physiquement que par sa vitesse. En effet 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. Il s'agit du type de bus utilisé pour connecter la carte graphique à la carte mère. Le bus AGP est ainsi spécialement prévu pour accepter des débits importants de données, nécessaire pour l'affichage de séquences vidéo ou du 3D.

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Alimentation

Les cartes 3D professionnelles disposent d'une version AGP Pro avec alimentation renforcée.

AGP 1.0: 3.3 V - lx, 2x

AGP 2.0: 1.5 V - lx, 2x, 4x

AGP 2.0 universel: 1.5 V, 3.3 V - lx, 2x, 4x

AGP 3.0 (le plus récent) : 1.5 V - 4x, 8x.

Une communication AGP en 2x donne

un débit qu'atteindrait le bus PCI 133 MHz, soit un débit maximal de 532 Mo/ s. Cependant, une fois encore, certaines solutions AGP lx peuvent s'avérer aussi rapides qu'une communication 2x selon l'efficacité de la gestion des données transférées à

chaque cycle d'horloge ! Le nouveau mode AGP 8x autorise des débits supérieurs à 2 Go/s. Il existe des problèmes de compatibilité entre les différentes générations, les cartes graphiques consommant de plus en plus d'énergie. Les cartes AGP 4x et plus ne peuvent fonctionner sur les ports AGP lx, d'ailleurs, un détrompeur a été placé sur ces cartes. Pourtant ces interfaces ne sont que partiellement exploitées, car c'est surtout la vitesse de la mémoire graphique qui s'est s'avérée insuffisante. Ainsi les cartes graphiques « haut de gamme » utilisent souvent des mémoires de technologie supérieure à la mémoire centrale.

Par exemple, les cartes graphiques « haut de gamme » d'ATI furent équipées de mémoire GDDR3 avec un BUS de 256 bits. A sa sortie, Intel a créé un groupe d'industriels ouvert dont l'objectif fut d'assurer la promotion de la spécification du bus AGP. Parmi eux ATI, Cirrus Logic, IBM, Microsoft, S3 et Trident.

Les fabricants de cartes graphiques ont pu utiliser gratuitement les spécifications du bus en échange de la libre utilisation de leurs travaux sur ce sujet. Cette politique avait déjà été utilisée avec succès pour les bus PCI et USB. Le bus PCI Express possède de meilleures performances que le bus AGP et est amené à le remplacer ainsi que le port PCI. Dans le futur il n'y aura pas d'AGP 16x. Le successeur de l'AGP et du PCI semble être le PCI Express qui supporte aussi bien des cartes graphiques que d'autres cartes.

> Les cartes graphiques PCI :

Il existe des cartes mères dépourvues de port AGP (anciennes cartes mères). Une carte graphique PCI peut être un moyen pour une mise à jour, sachant qu'en général, les capacités du processeur graphique sont le plus souvent limitées sur ce type de machine. Une carte

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PCI représente la meilleure solution pour augmenter les performances 3D. Cependant, les performances n'arriveront jamais au niveau d'une carte graphique dotée d'un port AGP. En effet le débit théorique d'un port PCI est de 133 Mo/s, alors que le port AGP culmine, lui, à 2Go/s (AGP 8X).

11.3. Technologie des cartes graphiques 11.3.1. Les différentes technologies

· :* La technologie DIME (Direct Memory Execution) permet d'effectuer les calculs de textures directement dans la mémoire centrale du système avant de les charger dans la mémoire vidéo de la carte (frame buffer). Cette innovation devrait supprimer la nécessité de stocker les textures dans la mémoire " off-screen " de la carte.

· :* Le PIPELINING permet à la carte AGP de transmettre plusieurs requêtes au CPU simultanément. Il n'est pas nécessaire d'attendre la réponse du microprocesseur pour envoyer la requête suivante. Le protocole PCI nécessite au contraire que chaque requête soit suivie d'une réponse de la carte mère avant de pouvoir envoyer la requête suivante.

Toutefois, le gain effectif en performance dépend essentiellement de la qualité d'implémentation du pipelining par les constructeurs de cartes graphiques

· :* Le " Side Band Signaling "renvoie à l'utilisation d'un ensemble de circuits dédiés s'ajoutant au bus AGP, qui permet de transmettre et de recevoir des données simultanément. En plus du 32 bits du bus, une bande latérale supplémentaire de 8 bits permet à la carte AGP d'envoyer de nouvelles requêtes à la carte mère tout en recevant les données émises par celle-ci à la suite de la requête précédente. Cette possibilité est particulièrement utile lorsque le système est fortement mobilisé par le transfert de textures depuis la mémoire système vers la mémoire d'affichage de la carte ; le " side band signaling " permet alors à la carte AGP de "demander " les textures suivantes avant même que le transfert ne soit achevé. AGP 2x est la capacité de transférer des données à la fois sur le front montant et sur le front descendant de chaque cycle d'horloge du bus 66 MHz. Les transferts des données ne s'effectuaient en effet jusqu'ici que sur les fronts montants de l'horloge du bus. Le contrôleur AGP utilise un " repère de synchronisation " véhiculé par les 8 bits du " side band signaling ". Il fait correspondre les modes de fonctionnement (lx ou 2x) du bus AGP et de la carte graphique de façon à les synchroniser.

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11.3.2. La technologie 2D et 3D

> L'affichage en 2 D :

L'affichage en 2D, dit 2 Dimensions (X, Y), est l'affichage de base, celui que toutes les cartes graphiques savent afficher. L'affichage en 2D sert aux fenêtres de Windows, à MS DOS et aux logiciels basiques, ainsi que ceux ayant un rapport avec le système d'exploitation. C'est ce mode qui sert à l'affichage des données à l'écran. Seuls les jeux récents tirent parti d'un affichage en 3D.

> L'affichage en 3 D :

L'affichage en 3D (X, Y, Z) vient de Matrox qui créa la Matrox mystique, carte graphique gérant les polygones en 3D. Ce fut une véritable révolution. Ensuite, Nec, n'ayant pas réussi à convaincre le public avec son circuit Power VR, c'est la société 3DFX qui s'attela à la tâche, avec brio. Maintenant, les ténors de la 3D se nomment NVIDIA avec le GEFORCE FX ou encore ATI avec son circuit X800. La 3D repose sur ce principe : la carte graphique se charge de créer des points, reliés ensuite par des traits, on applique ensuite une texture, puis différents effets.

Avant, c'était le microprocesseur du PC qui devait effectuer toutes ces opérations. Un processeur très puissant était donc requis, mais les images étaient assez laides. Les nouvelles cartes graphiques 3D prennent toutes ces opérations en charge, soulageant ainsi le processeur. Les images 3D sont devenues ainsi d'une beauté jamais atteinte.

Le domaine de la 3D est beaucoup plus récent, donc plus porteur. On arrive à des puissances de calculs sur PC supérieures à celles de certaines stations de travail.

Le calcul d'une scène 3D est un processus qui se décompose grossièrement en quatre étapes:

- Le script: Mise en place des éléments

- La geometry: Création d'objets simples

- Le setup: Découpage en triangles 2D

- Le rende ring: C'est le rendu, c'est-à-dire le plaquage des textures

Ainsi, plus la carte accélératrice 3D calcule elle-même ces étapes, plus l'affichage n'est pas rapide. Les premières puces n'effectuaient que le rende ring, laissant le processeur s'occuper du reste. Depuis, les cartes possèdent un "setup engine" qui prend en charge les deux dernières étapes.

A titre d'exemple, un Pentium II à 266 Mhz qui calcule les trois premières étapes peut

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calculer 350 000 polygones par secondes, lorsqu'il n'en calcule que deux, il atteint 750 000 polygones par seconde. Cela montre à quel point ces cartes déchargent le microprocesseur. Le type de bus est lui aussi déterminant. Alors que le bus AGP n'apporte aucune amélioration dans le domaine de la 2D, les cartes utilisant ce bus plutôt que le bus PCI sont beaucoup plus performantes. Cela s'explique par le fait que le bus AGP est directement relié à la mémoire vive, ce qui lui offre une bande passante beaucoup plus grande que le bus PCI. Ces produits de haute technologie ont maintenant besoin de la même qualité de fabrication que les processeurs, c'est-à-dire des gravures allant de 0.35 um à 0.25 p,:m.

11.4. Autres cartes graphiques

Constructeurs de carte graphique

Dans l'ordre de popularité :

ATI : Un des grands fabricants de cartes graphiques, il s'est notamment illustré avec la Radeon 9700 qui surpassait au niveau performances pures les Geforce FX de son éternel grand conçurent, nVidia (voir ci dessous). ATI est aujourd'hui devant nVidia au niveau parts de marché.

nVIDIA : nVidia a longtemps dominé le marché des cartes graphiques haut de gamme (avec les cartes Geforce) jusqu'a l'arrivée des Radeon 9700 d'ATi. Leur dernière gamme de produits, les Geforce 6, surpassent désormais les cartes ATi en termes de fonctionnalités grâce au support des Shader Model 3.0, en termes de performances pures c'est ATI qui est un poil au dessus.

Matrox : Les cartes Matrox sont maintenant pratiquement réservées aux professionnels qui recherchent un affichage multi écran. Elles excellent dans le domaine de l'affichage 2D: qualité et rendu des couleurs. Les performances 3D de leurs produits sont plutôt réduites, l'offre Matrox ne s'adresse pas aux joueurs acharnés.

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