Помимо монитора графическая подсистема компьютера включает видеокарту, которая обрабатывает графическую информацию и направляет данные на монитор. Вместе с монитором видеокарта создает видеоподсистему персонального компьютера. В первых компьютерах видеокарты не было. В оперативной памяти существовал экранный участок памяти, куда процессор заносил данные об изображении. Контроллер экрана считывал данные об яркости отдельных точек экрана из ячеек памяти и руководил разверткой горизонтального луча электронной пушки монитора.

При переходе от монохромных мониторов к цветным и с увеличением разрешающей способности экрана, участка видеопамяти стало недостаточно для хранения графических данных, а процессор не успевал обрабатывать изображения. Все операции, связанные с управлением экрана были отведены в отдельный блок - видеоадаптер.

Видеоадаптер имеет вид отдельной платы расширения, которую вставляют в определенный слот материнской платы. Для повышения производительности компьютера компания Intel предложила выделить для передачи видеоданных отдельную шину (слот), получившую название AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт). Эта шина обеспечивает прямое соединение между графической подсистемой и оперативной памятью. Видеоадаптер выполняет функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти.

За время существования ПК изменилось несколько стандартов видеоадаптеров:

• MDA (Monochrom Display Adapter) -монохромный,
• CGA(Color Graphics Adapter) - 4 цвета,
• EGA(Enchanced Graphics Adapter) -16 цветов,
• VGA (Video Graphics Array) - 256 цветов,
• SVGA (Super VGA) - до 16,7 млн. цветов.

На эти стандарты рассчитаны все программы, предназначенные для IBM-совместимых компьютеров.

Сформированное графическое изображение хранится во внутренней памяти видеоадаптера, которая называется видеопамятью. Необходимая емкость видеопамяти зависит от заданной разрешающей способности и палитры цветов, поэтому для работы в режимах с высокой разрешающей способностью и полноцветной гаммой нужно как можно больше видеопамяти. Если еще недавно типичными были видеоадаптеры с 2-4 Мбайт видеопамяти, то уже сегодня нормальной считается емкость в 32-64 Мбайт. Большинство современных видеокарт обладает возможностью расширения объема видеопамяти до 128 Мбайт, а также свойством видеоакселерации. Суть этого свойства состоит в том, что часть операций по построению изображения может происходить без выполнения математических вычислений в основном процессоре, а чисто аппаратным путем - преобразованием данных в специальных микросхемах видеоакселератора.

Видеоакселераторы могут входить в состав видеоадаптера, а могут поставляться в виде отдельной платы расширения, устанавливаемой на материнской плате и подсоединяемой к видеокарте. Различают два типа видеоакселераторов: для плоской (2D) и трехмерной (3D) графики. Первые более эффективны для работы с прикладными программами общего назначения и оптимизованные для ОС Windows, другие ориентированы на работу с разными мультимедийними и развлекательными программами.

Основные параметры видеокарты:

1. Количество цветов или глубина цвета (8 бит - 256 (Low Color), 16 бит - 65 536 (High Color), 24 бит - 16,7 млн (True Color), 32 бит - 16,7 млн + alpha-канал).
2. Разрешающая способность (количество пиксель на дюйм). Стандартные значения разрешающей способности: 640 x 480, 800 x 600, 1024 x 768, 1280 x 1024, 1600 x 1200. Эти два параметра вместе называются видеорежим (например, режим 800 x 600/256 или 1024 x 768/256) и для качественной работы ПК их значения должны совпадать со значениями аналогичных параметров дисплея.
3. Чипсет (набор микросхем), установленный на плате.
4. Видеопамять. Видеокарте требуется собственная память. Чем больше ее объем, тем качественнее будут выглядеть изображения на экране дисплея и быстрее будут работать игры. Объем видео памяти сегодня - 32 Мб, 64 Мб, 128 Мб, 512 Мб. Тип видеопамяти наряду с ее объемом имеет решающее значение. Видеопамять бывает разных типов:
   • SDRAM и SGRAM - синхронная память (синхронизирована на работу с той же частотой, что и у системы, что удваивает быстродействие графической системы, время доступа к ячейке памяти 6 - 7 н сек. )
   • DDR SDRAM - более быстрый тип (время доступа 3,5 - 4 н сек.) Важной характеристикой видеопамяти является разрядность внутренней шины данных. В современных видеокартах используется 64-, 128- или 256-разрядная шина.
5. Видеокарта должна поддерживать режим PCI или AGP4x/8x/16x или PCI-Express.
6. Частота развертки (Refresh Rate - регенерация экрана) - не менее 85, 90, 100 Гц. Меньшие частоты развертки создают заметное глазом мерцание экрана и способствуют быстрой утомляемости глаз,
7. Частота RAMDAC (ЦАП для преобразования кода цвета пикселя в аналоговый сигнал) - чем выше частота RAMDAC, тем выше может быть частота регенерации, рекомендуемые значения от 170 до 350 МГц.
8. Тип графики, поддерживаемый видеокартой: 2D-dimension или 3D-dimension (2-х-мерная или 3-х-мерная графика).
9. Дополнительные функции:
   • Поддержка видеовыхода - позволяет вывести изображение с компьютера на телевизор, эта функция может быть встроена в видеокарту (в этом случае плата имеет специальный разъем), или реализована с помощью отдельной платы или внешнего модуля PC2TV.
   • Поддержка видеовхода - ввод изображения с аналоговых видеокамеры и видеомагнитофона, качество оцифровки невысокое, более высокое качество дает дополнительная плата видеозахвата или внешнее устройство захвата, которые позволяют не только "захватывать" изображение с аналогового источника, но и сжимать его.

Основными производителями видеокарт являются компании ABIT, Matrox, ATI, ASUS, Gigabyte, Gainward и Inno3D.

PCI

PCI (англ. Peripheral Component Interconnect, дословно: взаимосвязь периферийных компонентов) - на сегодняшний день de facto стандартная системная шина для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.

Стандарт на шину PCI определяет:

• физические параметры (например, разъёмы и разводку сигнальных линий);
• электрические параметры (например, напряжения);
• логическую модель (например, типы циклов шины, адресацию на шине);

Развитием стандарта PCI занимается организация PCI Special Interest Group.

Весной 1991 г. компания Intel завершает разработку первой макетной версии шины PCI. Перед инженерами была поставлена задача разработать недорогое и производительное решение, которое позволило бы реализовать возможности процессоров 486, Pentium и Pentium Pro. Кроме того, было необходимо учесть ошибки допущенные VESA при проектировании шины VLB (электрическая нагрузка не позволяла подключать более 3 плат расширения), а также реализовать автоконфигурирование устройств по примеру протокола Autoconfig для компьютеров Amiga.

В 1992 году появляется первая версия шины PCI, Intel объявляет, что стандарт шины будет открытым и создаёт PCI Special Interest Group. Благодаря этому, любой заинтересованный разработчик получает возможность создавать устройства для шины PCI без необходимости приобретения лицензии. Первая версия шины имела тактовую частоту 33 МГц, могла быть 32 или 64 битной, а устройства могли работать с сигналами в 5 В или 3,3 В. Теоретически, пропускная способность шины 132 Мбайт/сек, однако в реальности пропускная способность составляла около 80 Мбайт/сек.

В середине 1993 г., компания Intel выходит из ассоциации VESA и начинает предпринимать активные шаги по продвижению шины PCI на рынке. Ответом на критику со стороны специалистов из конференций Usenet и конкурирующих компаний (характеристики шины были во многом аналогичны, например Zorro III, публиковались статьи об ошибочном дизайне шины) стала PCI 2.0.

В 1995 г., появляется версия PCI 2.1 (ещё одно название - <параллельная шина PCI>, которая обеспечила передачу данных по шине с частотой 66 МГц и максимальную скорость передачи в 528 Мб/сек. Кроме того, эта шина уже была поддержана на уровне ОС Windows 95 (технология Plug and Play), что позволило пользователям IBM PC больше не чувствовать себя ущемлёнными по отношению к другим платформам. Версия шины PCI 2.1 оказалась настолько популярной, что вскоре уже она была перенесена на платформы с процессорами Alpha, MIPS, PowerPC, SPARC и др.

• частота шины - 33,33 МГц или 66,66 МГц, передача синхронная
• разрядность шины - 32 или 64 бита, шина мультиплексированная (адрес и данные передаются по одним и тем же линиям)
• пиковая пропускная способность для 32-разрядного варианта, работающего на частоте 33,33 МГц - 133 Мб в секунду
• разрядность шины - 32 или 64 бита
• адресное пространство памяти - 32 бита (4 Гигабайта)
• адресное пространство портов ввода-вывода - 32 бита (4 Гигабайта)
• конфигурационное адресное пространство (для одной функции) 256 байт
• напряжение 3,3 или 5 вольт

• PCI 2.2 - допускает частоту 66 МГц (3,3 Вольт) (пиковая пропускная способность 533 Мб/с)
• PCI-X - незначительное изменение протокола и увеличение частоты до 133 МГц (пиковая пропускная способность 1066 Мб/с);
• PCI-X 2.0 - определяет частоту в 266 МГц (пиковая пропускная способность 2133 Мб/с), а также частоту 533 МГц, расширяет конфигурационное пространство PCI до 4096 байт, добавляет вариант шины 16-бит и допускает напряжение в 1,5 Вольт;
• Mini PCI - новый форм-фактор PCI 2.2 для использования в основном в ноутбуках; Cardbus - PCMCIA форм-фактор для 32-бит, 33 МГц PCI;
• Compact PCI - использует модули размера Eurocard, включаемые в PCI backplane;
• PC/104-Plus - индустриальная шины, использующая сигнализацию PCI с другим разъёмом;
• PMC - PCI mezzanine card, форм-фактор, определённый стандартом IEEE P1386.1;
• ATCA или AdvancedTCA - шина следующего поколения для телекоммуникационной индустрии.

AGP

AGP (Advanced Graphics Port) - более быстрый тип шины (по сравнению с ранее использовавшимся PCI), синхронизируется частотой 66 МГц. AGP позволяет видеокарте напрямую обмениваться информацией с центральным процессором и системной памятью, первоначально использовался для ускорения обработки 3-х-мерных текстур в играх. Режим AGP4x поддерживает скорость передачи данных 1,06 Гб/с (однократный - 256 Мб/с, 2-х-кратный - 528 Мб/с), режим AGP8x - скорость свыше 2 Гб/с, AGP16x - свыше 4 Гб/с. Для обеспечения режима на системной плате должен быть разъем AGP.

PCI-Express

PCI Express (англ. Peripheral Component Interconnect - Express) - масштабируемая высокоскоростная последовательная шина ввода-вывода. Интерфейс PCI Express (известный прежде под названием 3GIO) основан на открытых стандартах и выступает как наследник PCI и его вариантов для систем ввода-вывода серверов и клиентских устройств. В отличие от PCI и PCI-X, основанных на 32- и 64-разрядной параллельной шине, PCI Express использует высокоскоростную технологию последовательного соединения, похожую на ту, что используется в Gigabit Ethernet, Serial ATA (SATA) и Serial Attached SCSI (SAS). PCI Express отражает общую для компьютерной индустрии тенденцию замены устаревших параллельных общих шин на высокоскоростные последовательные соединения типа "точка-точка" (point-to-point).

Новая технология шины обеспечивает скорость передачи, которая будет достаточной с учетом развития процессоров и подсистем ввода-вывода, по крайней мере, в течение следующих 10 лет.

По сравнению с PCI технология PCI Express имеет следующие преимущества:

• высокая пропускная способность - в первой версии теоретическая пиковая пропускная способность составит 5-80 Гбит/с, в зависимости от реализации;
• последовательное соединение, обеспечивающее масштабирование производительности;
• <отдельное соединение "точка-точка" для каждого устройства вместо общей шины PCI;
• малые задержки для серверной архитектуры;
• меньший размер разъемов и упрощенное проектирование систем;
• расширенные функции.

В течение следующего десятилетия интерфейс PCI Express постепенно заменит параллельные шины PCI, PCI-X и AGP. Сначала он вытеснит шины, которые требуют дополнительной производительности и функций. Например, первоначально PCI Express будет применяться как замена шины передачи графических данных AGP 8X в клиентских системах, обеспечивая высокую полосу пропускания и поддержку мультимедийного трафика. Он будет сосуществовать с шиной PCI-X и постепенно вытеснять ее в серверных системах.

Многоуровневая архитектура PCI Express поддерживает существующие приложения PCI и драйверы за счет обратной совместимости с существующей моделью PCI. В частности, архитектура PCI Express определяет высокопроизводительную масштабируемую последовательную шину "точка-точка". Канал PCI Express состоит из двух однонаправленных каналов, каждый из которых реализован как пара передачи и пара приема для одновременной передачи в обоих направлениях. Каждая пара состоит из двух низковольтных пар дифференциальных сигналов.

В будущих реализациях PCI Express частота передачи данных по каналу еще больше увеличится. Например, после появления второго поколения PCI Express частота передачи вырастет не менее чем вдвое. Благодаря архитектуре "точка-точка" вся полоса пропускания каждой шины PCI Express выделяется устройству на конце канала. Несколько устройств PCI могут работать одновременно, не мешая друг другу.

PCI Express, в отличие от PCI, имеет минимальные сигналы боковой полосы, а временные метки и информация об адресе встроены в данные. Именно поэтому данная технология обеспечивает высокую полосу пропускания на один контакт разъема ввода-вывода по сравнению с PCI. В результате соединители становятся более эффективными, компактными и дешевыми.

В PCI Express предусмотрены расширенные функции, которые будут постепенно реализовываться по мере их поддержки ОС и устройствами, а также по мере их использования приложениями. В список этих функций входят:

• расширенное управление энергопотреблением;
• поддержка трафика данных в реальном времени;
• горячая замена;
• целостность данных и обработка ошибок.

Управление в PCI Express позволяет уменьшить энергопотребление, если шина не активна (т. е. данные не пересылаются между компонентами и периферийными устройствами). Интерфейс PCI Express должен быть активным все время, чтобы передатчик и получатель работали синхронно. Для этого, если нет данных для передачи, непрерывно посылаются пустые символы, получатель декодирует их и отбрасывает. Этот процесс потребляет дополнительную энергию, что, в частности, уменьшает время работы от батарей ноутбуков и карманных компьютеров.

Для решения этой проблемы спецификация PCI Express определяет два состояния канала с низким энергопотреблением и протокол Active-State Power Management (ASPM). Когда канал PCI Express не используется, он может перейти в одно из двух состояний с низким энергопотреблением. Эти состояния экономят энергию, но требуют времени на восстановление для ресинхронизации передатчика и получателя, когда нужно передать данные. Чем дольше время восстановления (или запаздывания), тем ниже энергопотребление.

PCI Express, в отличие от PCI, поддерживает изохронную (или зависимую от времени) передачу данных и разные уровни QoS. Эти функции реализованы с помощью "виртуальных каналов", которые гарантируют, что конкретные пакеты данных прибудут по своему конечному адресу в определенный момент времени. PCI Express поддерживает несколько изохронных виртуальных каналов (каждый с независимым сеансом связи) на одну линию. Все эти каналы могут иметь разную доступность. Данное законченное решение предназначено для приложений, требующих доставки данных в реальном времени (такова, например, работа с аудио и видео в реальном времени).

Системы на базе PCI не имеют встроенной поддержки горячей замены плат ввода-вывода. Уже после выпуска стандарта PCI как дополнение к нему была разработана функция горячей замены серверных карт и PC Card с ограниченными возможностями. Эти решения рассчитаны на растущие требования серверов и портативных компьютеров. Во-первых, часто трудно или невозможно запланировать отключение сервера для замены или установки периферийных карт. Возможность горячей замены устройств ввода-вывода сводит к минимуму простои. Во-вторых, пользователям ноутбуков нужно заменять в горячем режиме карты, обеспечивающие такие функции ввода-вывода, как мобильный диск и работа в сети. В PCI Express реализована оригинальная поддержка для горячей замены периферии ввода-вывода. Единая программная модель может использоваться для всех форм-факторов PCI Express.

Интерфейс PCI Express поддерживает целостность данных на уровне каналов для всех типов пакетов транзакций и каналов данных. Благодаря этому обеспечивается целостность данных при их передаче для приложений высокой доступности, особенно для выполняющихся на серверных системах. PCI Express также поддерживает обработку ошибок PCI и использует усовершенствованный механизм оповещения об ошибках и их обработки, что расширяет возможности решений для изоляции сбоев и восстановления работоспособности.