SCHEDA VIDEO
In informatica ed elettronica una scheda video è uncomponente hardware delcomputer, sotto
forma di scheda elettronica, che ha lo scopo di generare un segnale elettrico in output che
possa essere poi inviato in input a video (display o monitor) per essere tradotto da quest'ultimo
in segnale ottico visivo e mostrato all'utente.
A seconda del tipo di computer questo dispositivo può essere più o meno potente: i primi
modelli di scheda video potevano visualizzare solo testo; successivamente si sono diffuse anche
schede video in grado di mostrare output grafici (immagini non testuali) e, recentemente, anche
modelli tridimensionali texturizzati in movimento e in tempo reale. Questi ultimi tipi di scheda
provvedono anche ad elaborare e modificare l'immagine nella propria memoria interna, mentre
le schede 2D possono mostrare immagini 3D solo con l'aiuto della CPU che deve eseguire da sola
tutti i calcoli necessari.
Una tipica scheda video contiene un integrato grafico (o più di uno) che gestisce una certa
quantità di RAM dedicata a memorizzare i dati grafici da visualizzare e che risiede fisicamente
sulla scheda stessa. Le schede video costruite per i PC IBM e compatibili contengono anche
una ROM con un driver molto semplice (chiamato firmware che è aggiornabile nelle moderne
schede video), usato dal BIOS per il bootstrap.
Il funzionamento di una scheda video è, in linea di massima, molto semplice: ogni locazione di
RAM grafica contiene il colore di un pixel dello schermo, o di uncarattere se la scheda sta
visualizzando solo testo; il chip grafico si limita a leggere in sequenza le locazioni necessarie (se
sta lavorando in modo testo, ogni locazione viene elaborata da un generatore di caratteri) e a
pilotare un convertitore digitale-analogico, detto RAMDAC, che genera il segnale video che sarà
visualizzato dal monitor. Dalla quantità di RAM grafica equipaggiata nella scheda e dalla
velocità (frequenza) massima del suo RAMDAC dipendono la risoluzione massima raggiungibile e
il numero di colori contemporaneamente visibili.
Tutte le schede video possono visualizzare anche grafica tridimensionale (al limite anche quelle
con sola modalità testo, se si accetta una rappresentazione ASCII art), ma senza funzioni
apposite di accelerazione. L'intero lavoro di calcolo deve essere svolto,pixel per pixel, dalla CPU
principale del computer, che viene spesso completamente assorbita da questo compito: una
scheda grafica non tridimensionale si limita in pratica a visualizzare una serie di immagini
bidimensionali che le vengono inviate dal sistema.
Modo testo
Tutte le schede video dispongono almeno del modo di funzionamento detto modalità testo o a
caratteri: in questa modalità lo schermo del computer è organizzato come una griglia di caselle
rettangolari in ciascuna delle quali viene scritto un carattere tipografico, di stile prefissato da
un generatore di caratteri interno alla scheda (generalmente una sezione del chip video che si
occupa di leggere la descrizione dei vari caratteri richiesti dalla ROM o da una parte della RAM
video). Per esempio, nei PC IBM originali il modo testo era di 80 colonne per 25 righe. Una parte
della RAM della scheda viene poi usata per memorizzare il codice (in genere in codice ASCII) di
un carattere tipografico.
In questa modalità, per far comparire sullo schermo la scritta "scheda video" è sufficiente che il
calcolatore scriva i dodici codici ASCII delle lettere componenti (115, 99, 104, 101, 100, 97, 32,
118, 105, 100, 101, 111) in dodici locazioni della memoria RAM della scheda video: sarà poi il
generatore di caratteri del chip grafico a tradurre i codici in serie di pixel e fare tutto il resto.
Modalità grafica
Quasi tutte le schede video (con pochissime eccezioni) possono poi operare anche in modalità
grafica, vale a dire senza avvalersi del generatore di caratteri interno ma specificando
l'immagine pixel per pixel. In questa modalità il colore di ogni pixel è specificato singolarmente,
in genere usando una o più locazioni di memoria video. Questa modalità ha bisogno di molta più
memoria RAM del modo testo: una schermata in modo testo occupa generalmente da 2 a 6 KB di
RAM video, mentre in modalità grafica, a seconda della risoluzione in pixel e della quantità di
colori usati contemporaneamente serve da 10 a 10000 volte tanto. Il modo di rappresentare del
singolo pixel in memoria video varia molto a seconda del tipo di approccio usato dal costruttore
e dalla particolare modalità grafica: in genere però si adotta una corrispondenza di tipo bitmap,
cioè a mappa di bit.
Schede video con accelerazione 2D
Già da un po' di tempo il chip grafico è in grado di eseguire alcune funzioni grafiche in modo
autonomo, senza che il processoreprincipale debba intervenire: le schede grafiche con questi
chip sono dette 2D accelerate, perché possono svolgere da sole una parte del lavoro di disegno
che altrimenti spetterebbe al processore. Le operazioni più comuni da implementare
in hardware sono il tracciamento di linee, di archi e di forme geometriche semplici (rettangoli,
poligoni, cerchi, ellissi) e il bit blitting, cioè lo spostamento da una parte all'altra dell'immagine
di blocchi di pixel. È in genere presente anche un generatore di caratteri evoluto, capace di
funzionare anche in modalità grafica e di visualizzare contemporaneamente caratteri di
molti font e grandezze diverse.
Schede video con accelerazione 3D
Le schede video con capacità grafiche tridimensionali (o 3D accelerate) hanno le stesse capacità
bidimensionali delle precedenti, e in più ne hanno una completamente nuova, la modalità 3D
appunto, in cui i pixel dell'immagine da visualizzare vengono calcolati dalla GPU (Graphics
Processing Unit), fotogramma per fotogramma, partendo da una serie di dati geometrici forniti
dalla CPU.
In questa modalità, la RAM video contiene una serie di sottoimmagini, le texture. Ciascuna di
queste viene associata ad una particolare superficie bidimensionale di un modello
tridimensionale di cui ne costituisce la "pelle": volendo, si possono considerare le
varie texture come delle carte da parati elettroniche. Per ogni fotogramma (frame) da
visualizzare in modalità 3D, la scheda video riceve dal processore una serie di punti geometrici
(vertici) che specificano delle superfici in uno spazio tridimensionale con l'indicazione di quali
texture applicare alle varie superfici: la GPU si occupa di calcolare, a partire dai dati ricevuti,
se la particolare superficie sia visibile o no, e, se visibile, la sua forma in due dimensioni
(coordinate schermo); poi si occupa di applicare la (o le) texture indicate. Il valore di ogni pixel
viene quindi calcolato a partire da quali e quanti texel (i pixel delle texture) sono contenuti in
esso.
Per fare tutto questo, le schede video 3D accelerate sono equipaggiate con una grande quantità
di RAM, e ricorrono in modo massiccio al calcolo parallelo: l'integrato principale è un vero e
proprio processore e viene detto GPU (anche programmabile a piacere, a partire dalla serie
6800GT di Nvidia), composto internamente di una serie di unità identiche (dette pipeline)
operanti in parallelo, ciascuna su una diversa serie di pixel alla volta; poiché in grafica non vale
il principio di località non è possibile usare una memoria cache come nella CPU principale, e la
comunicazione con la RAM grafica deve essere estremamente veloce: questo rende necessario
adottare sia una frequenza di lavoro della RAM grafica molto più alta di quella della memoria
principale, sia l'adozione di bus RAM-GPU molto ampi (128, 256 bit o anche 512 bit). Per lo
stesso motivo, far funzionare la GPU a frequenze molto più elevate della RAM grafica,
adottando un moltiplicatore di frequenza come per la CPU principale, non porterebbe nessun
beneficio prestazionale.
Ulteriori funzioni di accelerazione, utili per aumentare il livello di realismo delle immagini
calcolate, sono il calcolo in hardware delle luci incidenti (Transform and Lighting o T&L), i pixel
shader, il vertex shader e il rendering (rasterizzazione), il filtro anisotropico e il filtro
antialiasing.
Con questa nuova architettura le schede video 3D accelerate sollevano la CPU da tutti i calcoli
necessari alla visualizzazione, lasciandole solo il compito di aggiornare la geometria
dell'immagine (calcolo di spigoli e vertici, di rotazioni, intersezioni, animazioni ecc.).
Le prime schede video accelerate 3D destinate al grande pubblico (prima di allora erano molto
costose e riservate a professionisti) sono state le famose Voodoo della 3dfx, la prima industria a
produrre schede video con capacità 3D a prezzi popolari, assorbita nel 2001dalla
concorrente Nvidia.
Uscite video [modifica]
Le connessioni più diffuse tra la scheda video e il monitor (o televisore) sono:
Video Graphics Array (VGA): standard analogico introdotto nel 1987 e progettato per
monitor CRT, ma utilizzato, per compatibilità, anche da diversi monitor LCD, assieme
all'interfaccia DVI; ha diversi problemi, come il rumore elettrico, la distorsione
dell'immagine e alcuni errori nella valutazione dei pixel.
Digital Visual Interface (DVI): introdotto nei monitor LCD, viene usato anche da TV al
plasma e videoproiettori. Risolve i problemi del SVGA facendo corrispondere a ogni pixel
dell'output un pixel dello schermo, in quanto ne riconosce la risoluzione nativa.
S-Video: utilizzato per la connessione a TV, lettori DVD, proiettori e videoregistratori.
High-Definition Multimedia Interface (HDMI): rilasciato nel 2003, questo standard, che
supporta le risoluzioni ad alta definizione, ha come obiettivo la sostituzione di tutti gli altri
standard.
DisplayPort: rilasciato nel 2006, si presenta come concorrente dell HDMI. È usato sia per
connessioni con monitor che con sistemi home theatre.
Altre uscite video (ormai obsolete) sono:
Video composito: uscita analogica con risoluzione molto bassa, che fa uso di un connettore
RCA
Video a componenti: ha tre cavi, ognuno con un connettore RCA, utilizzato per i
proiettori.
Interfaccia di connessione con la scheda madre
In ordine cronologico, i sistemi di connessione con la scheda madre sono stati:
ISA: rilasciata nel 1981 da IBM ed utilizzata negli anni '80
MCA: rilasciata, sempre da IBM nel1987, incompatibile con le schede madri precedenti
EISA: rilasciata nel 1988 per competere con IBM, retrocompatibile
VESA: estensione dell'ISA
PCI: questo standard ha sostituito le altre interfacce nel 1993. Il PCI permette una
connettività dinamica delle periferiche e non richiede l'utilizzo di jumper per la
configurazione.
AGP: prima interfaccia dedicata esclusivamente alle schede grafiche, introdotta
nel 1997 in seguito alla crescita del mercato di schede video con accelerazione 3D. È
diventata l'interfaccia standard per le schede video per i numerosi vantaggi che presentava
ed è stata più volte migliorata (AGP 2x, 4x, 8x)
PCI Express: evoluzione del bus PCI rilasciata nel 2004 che sta sostituendo l'AGP come
interfaccia di connessione delle schede grafiche in quanto offre una larghezza di
banda maggiore e maggiore potenza erogata.
Sono state rilasciate[2], nel gennaio 2007, le specifiche PCI Express 2.0, che incrementa le
prestazioni del PCI Express in termini di larghezza di banda e potenza erogata, per sopperire
alle richieste sempre maggiori delle schede video. Il primo chipset a supportarle fu
l'X38 di Intel, rilasciato nel 2007.
Tipologia di collegamento alla scheda madre [modifica]
Le schede video possono essere collegate in diverso modo alla scheda madre
Integrate, la scheda video è ricavata direttamente sulla scheda madre, questa soluzione
viene utilizzata sulle console e su alcuni PC, per quest'ultimi, si può avere o no la possibilità
di utilizzare una scheda video esterna
PCI, porta parallela
AGP, porta parallela
PCI Express, porta seriale
Bus
Ampiezza (bits)
Frequenza Clock Larghezza di banda
Trasferimento
(MHz)
(MByte/s)
ISA XT
8
4,77
8
parallelo
ISA AT
16
8,33
16
parallelo
MCA
32
10
20
parallelo
EISA
32
8,33
32
parallelo
VESA
32
40
160
parallelo
PCI
32 - 64
33 - 100
132 - 800
parallelo
AGP 1x
32
66
264
parallelo
AGP 2x
32
133
528
parallelo
AGP 4x
32
266
1000
parallelo
AGP 8x
32
533
2000
parallelo
PCIe x1
1*32
25 / 50
100 / 200
seriale
PCIe x4
1*32
25 / 50
400 / 800
seriale
PCIe x8
1*32
25 / 50
800 / 1600
seriale
PCIe x16
1*32
25 / 50
1600 / 3200
seriale
50 / 100
3200 / 6400
seriale
PCIe x16 2.0 1*32
