برای اینکه بتوان در صفحه نمایش رایانه ، تصویرهای مربوط به داده ها و اطلاعات را مشاهده نمود باید ارتباطی بین مادربرد و نمایشگر برقرار شود ، به همین دلیل کارت گرافیکی در یکی از شکاف های توسعه مادربرد قرار می گیرد و یا یک کابل به مادربرد وصل می شود و نمایش اطلاعات بر روی صفحه را کنترل می کند.کارت گرافیکی در رایانه دارای جایگاه خاصی است. در بیشتر رایانه ها ، کارت گرافیکی اطلاعات دیجیتال را برای نمایش توسط نمایشگر به اطلاعات آنالوگ تبدیل می نمایند. در واقع نقاط تشکیل دهنده تصویر بر روی نمایشگر پیکسل نام دارند. هر پیکسل یک رنگ را نمایش می دهد. در نمایشگرهای مکینتاش هر پیکسل دارای دو رنگ است (سفید و سیاه). در بعضی نمایشگر های امروزی هر پیکسل دارای ۲۵۶ رنگ است. در بیشتر صفحات نمایشگر ، پیکسل ها به صورت تمام رنگ (True Color) هستند و دارای ۱۶/۸ میلیون حالت مختلفند.کارت گرافیکی یک برد مدار چاپی به همراه حافظه و یک پردازنده اختصاصی است. پردازنده محاسبات مورد نیاز گرافیکی را انجام می دهد.کارت های گرافیکی با نامهای زیر شناخته می شوند: کارت ویدیویی،کنترل گر گرافیکی یا ویدیویی، آداپتور گرافیکی یا ویدیویی، شتاب دهنده گرافیکی یا ویدیویی.
کارت گرافیکی از سه بخش اساسی تشکیل می شود:
حافظه:یکی از مهمترین اجزای کارت گرافیکی است.حافظه رنگ مربوط به هر پیکسل را نگهداری می کند.در ساده ترین حالت (دو پیکسل سیاه و سفید) به یک بیت برای ذخیره سازی رنگ هر پیکسل نیاز می باشد. با توجه به اینکه هر بایت شامل هشت بیت است ، نیاز به هشتاد بایت برای ذخیره سازی رنگ مربوط به پیکسل های موجود در یک سطر در روی صفحه نمایشگر و ۳۸۴۰۰ بایت حافظه به منظور نگهداری تمام پیکسل های قابل مشاهده بر روی نمایشگر خواهد بود.
اینترفیس رایانه: اینتر فیس با اتصال کارت گرافیکی به گذرگاه مربوطه بر روی برد اصلی ، محتویات حافظه را تغییر می دهد. در این حالت رایانه سیگنال ها را از طریق گذرگاه برای تغییر محتویات حافظه ارسال می کند.اینترفیس ویدیو: این قسمت سیگنال مورد نیاز برای مانیتور را می سازد. کارت گرافیکی سیگنال های رنگی را تولید می کند و باعث حرکت اشعه در CRT می شود. در واقع کارت گرافیکی تمام حافظه ای مربوطه را بیت به بیت اسکن می کند. سیگنال های مورد نظر جهت هر پیکسل موجود برای هر خط ارسال و در نهایت یک پالس افقی Sync ارسال می گردد ، عملیات فوق برای ۴۸۰ خط تکرار و در پایان یک پالس عمودی Sync ارسال خواهد شد.کارت های گرافیکی ساده frame Buffer نامیده می شود. این نوع کارت یک Frame از اطلاعات را نگاهداری می کند. ریزپردازنده رایانه مسئول بهنگام سازی هر بایت در حافظه کارت گرافیک است. در صورتی که عملیات گرافیکی پیچیده ای وجود داشته باشد ، ریزپردازنده مدت زیادی را صرف بهنگام سازی حافظه کارت می نماید. بنابراین برای سایر عملیات زمانی باقی نخواهد ماند. مثلاً اگر یک تصویر سه بعدی دارای ۰۰۰/۱۵ ضلع باشد ، ریزپردازنده باید هر ضلع را رسم و عملیات مربوط را در کارت انجام دهد ، بدین صورت این عملیات زمان زیادی لازم دارد.در صورتی که کارت های گرافیکی جدید حجم عملیات مربوط به پردازنده را به شدت کاهش می دهد.این نوع کارت های جدید دارای یک پردازنده قوی هستند که مختص این عملیات می باشند. با توجه به نوع کارت گرافیک پردازنده می تواند یک کمک پردازنده گرافیکی و یا یک شتاب دهنده گرافیکی باشد.
پردازنده کمکی و پردازنده اصلی همزمان فعالیت نموده و زمانی که از شتاب دهنده گرافیک استفاده می شود دستورات لازم از طریق پردازنده اصلی برای شتاب دهنده ارسال و شتاب دهنده سایر کارها را انجام می دهد. در سیستم های کمک پردازنده درایو کارت گرافیک عملیات مربوط به کارهای گرافیکی را به طور مستقیم برای پردازنده کمکی گرافیکی ارسال می کند. در سیستم های شتاب دهنده گرافیکی درایو کارت گرافیک در ابتدا همه چیز را برای پردازنده اصلی ارسال می کند. سپس پردازنده اصلی شتاب دهنده گرافیک را هدایت می نماید.
عناصر کارت گرافیکی
- حافظه: در کارت گرافیکی از حافظه های مختلف استفاده می شود. یکی از بهترین نوع آنها از پیکربندی dual-ported استفاده می نماید. در این نوع کارت ها امکان نوشتن در یک بخش و خواندن از بخش دیگر به صورت همزمان امکان پذیر است. بدین صورت مدت زمان کاهش خواهد یافت.Digital-to-Analog Converter ) DAC یک نوع تبدیل کننده می باشد که داده ها را به دیجیتال تبدیل می کند. سرعت این نوع تبدیل کننده تأثیر بسیار زیادی بر مشاهده تصویر بر روی صفحه نمایش خواهد داشت.
:Display Connector اغلب کارت های گرافیکی از کانکتور ۱۵ پین استفاده می کنند. این نوع کانکتورها در زمان عرضه VGA مطرح شدند.
:Graphic BIOS کارت های گرافیکی دارای یک تراشه کوچک می باشند. این تراشه به قسمت های دیگر کارت نحوه انجام عملیات را اعمال خواهد کرد. این قسمت مسئولیت تست کارت گرافیک یعنی عملیات ورودی و خروجی را نیز بر عهده دارد.
:Computer (bus)Conneetor این نوع پورت امکان اتصال کارت بر حافظه را فراهم می آورد و دارای سرعت بیشتری می باشد. بیشتر این گذرگاه ها از نوع AGP می باشد.
پردازنده گرافیکی: همانطور که از نام آن پیداست مغز کارت گرافیک می باشد و می تواند در سه حالت پیکربندی کارت گرافیکی را انجام دهد.
استانداردهای کارت گرافیک
اولین کارت گرافیک در سال ۱۹۸۱ توسط شرکت IBM به بازار عرضه گردید. این نوع کارت به صورت تک رنگ و با نام اختصاری MDAS ارائه گردید. رنگ نوشته در این حالت سفید یا سبز و زمینه سیاه بود. صفحات نمایشگری که از این کارت ها استفاده می کردند ، متنی بودند. سپس کارت های چهار رنگ HGC در بازار عرضه گردیدند.بعد از آن کارت های هشت رنگ CGA و کارت های شانزده رنگ EGA تولید شدند. شرکت IBM در سال ۱۹۷۸ کارت VGA را تولید کرد. این نوع کارت ها ۲۵۶ رنگ را نشان می دادند و وضوح آنها ۴۰۰* ۷۲۰ بود. سپس کارت های SVGA عرضه شدند. این نوع کارت ۱۶/۸ میلیون رنگ با وضوح ۱۰۲۴* ۱۲۸۰ بود. هر چه تعداد رنگ و وضوح تصویر افزایش یابد کارت گرافیک بهتر خواهد بود. کارت های گرافیکی به راحتی به سیستم متصل می شوند. کارت های جدید از طریق پورت AGP و کارت های قدیمی از طریق اسلات های ISA و یا PCI بر سیستم متصل می شدند
حافظه
حافظه با هدف ذخیره سازی اطلاعات ( دائم ، موقت ) در کامپیوتر استفاده می گردد. از انواع متفاوتی حافظه درکامپیوتر استفاده می گردد .
RAM
ROM
Cache
Dynamic RAM
Static RAM
Flash Memory
Virtual Memory
Video Memory
BIOS
استفاده از حافظه صرفا" محدود به کامپیوترهای شخصی نبوده و در دستگاههای متفاوتی نظیر : تلفن های سلولی، PDA ، رادیوهای اتومبیل ، VCR ، تلویزیون و ... نیز در ابعاد وسیعی از آنها استفاده بعمل می آید.هر یک از دستگاههای فوق مدل های متفاوتی از حافظه را استفاده می نمایند.
مبانی اولیه حافظه
با اینکه می توان واژه " حافظه " را بر هر نوع وسیله ذخیره سازی الکترونیکی اطلاق کرد، ولی اغلب از واژه فوق برای مشخص نمودن حافظه های سریع با قابلیت ذخیره سازی موقت استفاده بعمل می آید. در صورتیکه پردازنده مجبور باشد برای بازیابی اطلاعات مورد نیاز خود بصورت دائم از هارد دیسک استفاده نمائد، قطعا" سرعت عملیات پردازنده ( با آن سرعت بالا) کند خواهد گردید. زمانیکه اطلاعات مورد نیاز پردازنده در حافظه ذخیره گردند، سرعت عملیات پردازنده از بعد دستیابی به داده های مورد نیاز بیشتر خواهد گردید. از حافظه های متعددی بمنظور نگهداری موقت اطلاعات استفاده می گردد.
محموعه متنوعی ازانواع حافظه ها وجود دارد . پردازنده با توجه به ساختار سلسله مراتبی فوق به آنها دستیابی پیدا خواهد کرد. زمانیکه در سطح حافظه های دائمی نظیر هارد و یا حافظه دستگاههائی نظیر صفحه کلید، اطلاعاتی موحود باشد که پردازنده قصد استفاده از آنان را داشته باشد ، می بایست اطلاعات فوق از طریق حافظه RAM در اختیار پردازنده قرار گیرند. در ادامه پردازنده اطلاعات و داده های مورد نیاز خود را در حافظه Cache و دستورالعمل های خاص عملیاتی خود را در ریجسترها ذخیره می نماید.
تمام عناصر سخت افزاری ( پردازنده، هارد دیسک ، حافظه و ...) و عناصر نرم افزاری ( سیستم عامل و...) بصورت یک گروه عملیاتی بکمک یکدیگر وظایف محوله را انجام می دهند . بدون شک در این گروه " حافظه " دارای جایگاهی خاص است . از زمانیکه کامپیوتر روشن تا زمانیکه خاموش می گردد ، پردازنده بصورت پیوسته و دائم از حافظه استفاده می نماید. بلافاصله پس از روشن نمودن کامپیوتر اطلاعات اولیه ( برنامه POST) از حافظه ROM فعال شده و در ادامه وضعیت حافظه از نظر سالم بودن بررسی می گردد ( عملیات سریع خواندن ، نوشتن ) .در مرحله بعد کامپیوتر BIOS را ازطریق ROM فعال خواهد کرد. BIOS اطلاعات اولیه و ضروری در رابطه با دستگاههای ذخیره سازی، وضعیت درایوی که می بایست فرآیند بوت از آنجا آغاز گردد، امنیت و ... را مشخص می نماید. در مرحله بعد سیستم عامل از هارد به درون حافظه RAM استفرار خواهد یافت . بخش های مهم و حیاتی سیستم عامل تا زمانیکه سیستم روشن است در حافظه ماندگار خواهند بود. در ادامه و زمانیکه یک برنامه توسط کاربر فعال می گردد، برنامه فوق در حافظه RAM مستقر خواهد شد. پس از استقرار یک برنامه در حافظه و آغاز سرویس دهی توسط برنامه مورد نظر در صورت ضرورت فایل های مورد نیاز برنامه فوق، در حافظه مستفر خواهند شد.و در نهایت زمانیکه به حیات یک برنامه خاتمه داده می شود (Close) و یا یک فایل ذخیره می گردد ، اطلاعات بر روی یک رسانه ذخیره سازی دائم ذخیره و نهایتا" حافظه از وجود برنامه و فایل های مرتبط ، پاکسازی ! می گردد.
همانگونه که اشاره گردید در هر زمان که اطلاعاتی ، مورد نیاز پردازنده باشد، می بایست اطلاعات درخواستی در حافظه RAM مستقر تا زمینه استفاده از آنان توسط پردازنده فراهم گردد. چرخه درخواست اطلاعات موجود درRAM توسط پردازنده ، پردازش اطلاعات توسط پردازنده و نوشتن اطلاعات جدید در حافظه یک سیکل کاملا" پیوسته بوده و در اکثر کامپیوترها سیکل فوق ممکن است در هر ثانیه میلیون ها مرتبه تکرار گردد.
به محل ذخیره کردن محاسباتی که توسط کامپیوتر انجام میگیرد حافظه گویند. در کامپیوتر ها دو نوع متداول حافظه وجود دارد. در واقع حافظه اصلی کامپیوتر شامل دو بخش است : حافظه فقط خواندنی (ROM) و حافظه با دسترسی تصادفی (RAM)
RAM
حافظه (RAM(Random Access Memory شناخته ترین نوع حافظه در دنیای کامپیوتر است . روش دستیابی به این نوع از حافظه ها تصادفی است . چون می توان به هر سلول حافظه مستقیما" دستیابی پیدا کرد . در مقابل حافظه های RAM ، حافظه های(SAM(Serial Access Memory وجود دارند. حافظه های SAM اطلاعات را در مجموعه ای از سلول های حافظه ذخیره و صرفا" امکان دستیابی به آنها بصورت ترتیبی وجود خواهد داشت. ( نظیر نوار کاست ) در صورتیکه داده مورد نظر در محل جاری نباشد هر یک از سلول های حافظه به ترتیب بررسی شده تا داده مورد نظر پیدا گردد. حافظه های SAM در مواردیکه پردازش داده ها الزاما" بصورت ترتیبی خواهد بود مفید می باشند ( نظیر حافظه موجود بر روی کارت های گرافیک ). داده های ذخیره شده در حافظه RAM با هر اولویت دلخواه قابل دستیابی خواهند بود.
مبانی حافظه های RAM
حافظه RAM ، یک تراشه مدار مجتمع (IC) بوده که از میلیون ها ترانزیستور و خازن تشکیل شده است .در اغلب حافظه ها با استفاده و بکارگیری یک خازن و یک ترانزیستور می توان یک سلول را ایجاد کرد. سلول فوق قادر به نگهداری یک بیت داده خواهد بود. خازن اطلاعات مربوط به بیت را که یک و یا صفر است ، در خود نگهداری خواهد کرد.عملکرد ترانزیستور مشابه یک سوییچ بوده که امکان کنترل مدارات موجود بر روی تراشه حافظه را بمنظور خواندن مقدار ذخیره شده در خازن و یا تغییر وضعیت مربوط به آن ، فراهم می نماید.خازن مشابه یک ظرف ( سطل) بوده که قادر به نگهداری الکترون ها است . بمنظور ذخیره سازی مقدار" یک" در حافظه، ظرف فوق می بایست از الکترونها پر گردد. برای ذخیره سازی مقدار صفر، می بایست ظرف فوق خالی گردد.مسئله مهم در رابطه با خازن، نشت اطلاعات است ( وجود سوراخ در ظرف ) بدین ترتیب پس از گذشت چندین میلی ثانیه یک ظرف مملو از الکترون تخلیه می گردد. بنابراین بمنظور اینکه حافظه بصورت پویا اطلاعات خود را نگهداری نماید ، می بایست پردازنده و یا " کنترل کننده حافظه " قبل از تخلیه شدن خازن، مکلف به شارژ مجدد آن بمنظور نگهداری مقدار "یک" باشند.بدین منظور کنترل کننده حافظه اطلاعات حافظه را خوانده و مجددا" اطلاعات را بازنویسی می نماید.عملیات فوق (Refresh)، هزاران مرتبه در یک ثانیه تکرار خواهد شد.علت نامگذاری DRAM بدین دلیل است که این نوع حافظه ها مجبور به بازخوانی اطلاعات بصورت پویا خواهند بود. فرآیند تکراری " بازخوانی / بازنویسی اطلاعات" در این نوع حافظه ها باعث می شود که زمان تلف و سرعت حافظه کند گردد.
سلول های حافظه بر روی یک تراشه سیلیکون و بصورت آرائه ای مشتمل از ستون ها ( خطوط بیت ) و سطرها ( خطوط کلمات) تشکیل می گردند. نقطه تلاقی یک سطر و ستون بیانگر آدرس سلول حافظه است .
حافظه های DRAM با ارسال یک شارژ به ستون مورد نظر باعث فعال شدن ترانزیستور در هر بیت ستون، خواهند شد.در زمان نوشتن خطوط سطر شامل وضعیتی خواهند شد که خازن می بایست به آن وضغیت تبدیل گردد. در زمان خواندن Sense-amplifier ، سطح شارژ موجود در خازن را اندازه گیری می نماید. در صورتیکه سطح فوق بیش از پنجاه درصد باشد مقدار "یک" خوانده شده و در غیراینصورت مقدار "صفر" خوانده خواهد شد. مدت زمان انجام عملیات فوق بسیار کوتاه بوده و بر حسب نانوثانیه ( یک میلیاردم ثانیه ) اندازه گیری می گردد. تراشه حافظه ای که دارای سرعت 70 نانوثانیه است ، 70 نانو ثانیه طول خواهد کشید تا عملیات خواندن و بازنویسی هر سلول را انجام دهد.
سلول های حافظه در صورتیکه از روش هائی بمنظور اخذ اطلاعات موجود در سلول ها استفاده ننمایند، بتنهائی فاقد ارزش خواهند بود. بنابراین لازم است سلول های حافظه دارای یک زیرساخت کامل حمایتی از مدارات خاص دیگر باشند.مدارات فوق عملیات زیر را انجام خواهند داد :
مشخص نمودن هر سطر و ستون (انتخاب آدرس سطر و انتخاب آدرس ستون )
نگهداری وضعیت بازخوانی و باز نویسی داده ها ( شمارنده )
خواندن و برگرداندن سیگنال از یک سلول ( Sense amplifier)
اعلام خبر به یک سلول که می بایست شارژ گردد و یا ضرورتی به شارژ وجود ندارد ( Write enable)
سایر عملیات مربوط به "کنترل کننده حافظه" شامل مواردی نظیر : مشخص نمودن نوع سرعت ، میزان حافظه و بررسی خطاء است .
حافظه های SRAM دارای یک تکنولوژی کاملا" متفاوت می باشند. در این نوع از حافظه ها از فلیپ فلاپ برای ذخیره سازی هر بیت حافظه استفاده می گردد. یک فلیپ فلاپ برای یک سلول حافظه، از چهار تا شش ترانزیستور استفاده می کند . حافظه های SRAM نیازمند بازخوانی / بازنویسی اطلاعات نخواهند بود، بنابراین سرعت این نوع از حافظه ها بمراتب از حافظه های DRAM بیشتر است .با توجه به اینکه حافظه های SRAM از بخش های متعددی تشکیل می گردد، فضای استفاده شده آنها بر روی یک تراشه بمراتب بیشتر از یک سلول حافظه از نوع DRAM خواهد بود. در چنین مواردی میزان حافظه بر روی یک تراشه کاهش پیدا کرده و همین امر می تواند باعث افزایش قیمت این نوع از حافظه ها گردد. بنابراین حافظه های SRAM سریع و گران و حافظه های DRAM ارزان و کند می باشند . با توجه به موضوع فوق ، از حافظه های SRAM بمنظور افزایش سرعت پردازنده ( استفاده از Cache) و از حافظه های DRAM برای فضای حافظه RAM در کامپیوتر استفاده می گردد.
RAM سر نام عبارت (Random Access Memory ) به مفهوم حافظه با دستیابی مستقیم یا دستیابی تصادفی ، محلی است که دستورالعمل ها و داده های برنامه در آن ذخیره میشوند. بطوری که مستقیماً برای واحد پردازش مرکزی (CPU) قابل دستیابی باشند. RAM حافظه خواندنی / نوشتنی نیز نامیده میشود. لازم به ذکر است که با قطع ناگهانی برق تمام اطلاعات این حافظه از بین خواهد رفت .