显卡工作原理

这篇文章属于《恰同学少年》系列，写于2010年。

平常说的显卡，就是图形适配器（Graphics Adapter），英文有Display（/Video/Graphics）Card（/Adapter）等多种称呼，都是指计算机系统中那块在显示图像过程中起着重要作用的板卡。一般个人电脑的显卡分为集成显卡和独立显卡——顾名思义，前者集成在主板上，而后者则作为一个分离的板卡插在主板的扩展插槽中。本文主要说明显卡的构成及其工作原理。

计算机的大部分运算和信息处理工作在中央处理器（即CPU）中完成，CPU得到的结果如果想输出到显示器上，产生让人看到的图像，则应先经过显卡的处理。显卡将计算机想要显示的信息转换为显示器能够直接使用的信号，其角色相当于CPU和显示器之间的一位中介。要说明这位中介是如何工作的，首先需要介绍一下显卡的结构。

显卡作为一个中间桥梁，首先需要有与其上家和下家通信的接口，即主板连接接口和显示器连接接口。主板连接接口主要针对独立显卡而言（因为集成显卡是已经在集成在主板上的），其中比较重要的有以下几种：PCI（Peripheral Component Interconnect，外围部件互连）、AGP（Advanced/Accelerate Graphical Port，高级或加速图像端口）、PCI-E（PCI Express，即PCI的改进版）。目前PCI和AGP正逐渐被淘汰，PCI-E成为最新型的标准。主板连接接口负责从主板得到显示需求，类似“要在某位置显示一个圆”等，显卡根据该需求进行图形运算和处理（详情见后），把它得到的数据通过显示器连接接口送给显示器用于实际显示。显示器连接接口根据显示器的不同而有多种，如对于阴极射线管（CRT）显示器是VGA（Video Graphics Array）输出，对于液晶显示器（LCD）则一般是DVI（Digital Visual Interface）输出，此外还有针对电视的S-Video输出、针对模拟摄像机的Vi-Vo输出，等等。当然，除了与外部的接口，显卡最重要的还是它自身的GPU、显存、数模转换器等结构，以下详细介绍。

GPU全称Graphics Process Unit，即图像处理器。它是显卡的核心，又叫显示芯片。它在显卡中的作用就像CPU在电脑中的作用一样。GPU在硬件方面专门为执行复杂的数学和几何运算设计，是显卡进行图形渲染的关键。我们知道，显示屏上的图形图像是由一个个的像素点组成的，这些像素点的位置、颜色和亮度等都是受一些物理信号的驱动的，如高低电平，电压大小等（老式的CRT显示器需要提供模拟信号电压）。计算机内部都是二进制的0和1，这些数字信号如何转化成适当的模拟信号来驱动显示器工作，就是显卡要解决的问题了；此外，为显示一帧图像，电脑必须计算决定如何显示每一个像素，最早这是由CPU完成的，而随着对高质量和3D显示需求的增加，每一帧都要为海量的像素点进行运算，而且运算也越来越复杂。最终，显卡承担了这种渲染任务，由显卡上的GPU进行这些运算，CPU只需告诉显卡想显示什么即可，这就将CPU解放了出来。

与CPU一样，GPU在运算时也需要存储临时数据的地方，这就是显存的作用。类似于电脑内存对CPU的作用，显卡上的显存用来存储GPU将要处理的数据和已经处理完毕的数据。事实上，显存与内存是同一种东西，即随机存储器（Random Access Memory，RAM）。不同的是，显示内存由于只用于GPU的图形运算，一般容量较小。GPU处理完的数据送给显存，接着将被送往数模转换器（Digital Analog Converter，DAC）转化成模拟信号后送给显示器显示。

除了上面提到的部件，完整的显卡还包括显卡BIOS（即基本输入输出系统，用于存放显示芯片与显卡驱动之间的控制程序，以及型号、规格、出厂信息等）、线路板、散热装置等等。由以上的说明也可以概括出显卡具体是如何工作的：显示信息由CPU送给GPU，GPU进行处理，处理过程中和处理后的数据临时放在显存中，显存将处理后的数据送给数模转换模块，数据被转化为模拟信号送给显示器。于是，通过显卡的中介，显示器将CPU想要显示的图像呈现了出来。

显卡需要有驱动程序才能正常使用。驱动程序使得显卡能根据操作系统的要求工作。在实际应用中，用户无须知道显卡的工作细节，只要使用显卡所支持的图形API按照需求调用相应绘图指令即可。常用的图形API有微软公司开发的DirectX和标准化的三维图形处理库OpenGL。

随着技术的进步和显示需求的不断增加，显卡的各项参数逐渐升级，其性能越来越好，重要性也越来越突出。尤其作为显卡核心的GPU，更是发展迅速。业界甚至有人提出，“未来GPU将越来越多地取代CPU的数据处理职能，未来GPU才是计算机的核心部件！”