Come è fatta una scheda video? E come funziona?

By Jessica Lambiase

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Ormai si è abituati a pensare al computer come un agglomerato di “pezzi” tutti collegati sulla scheda madre, ma ciò che si fa qualche volta fatica a tener presente è che ciascuno di questi “pezzi” ha vita propria ed ha un funzionamento specifico ed indipendente da quello degli altri (fatta eccezione per alimentatore e scheda madre stessa).

Tra questi “pezzi” figura la scheda video, quella che serve a trasformare in immagini e riprodurle su un monitor tutto ciò che il nostro computer elabora. Soprattutto nei tempi moderni, questa ha preso le sembianze di una scheda madre in scala ridotta dotata anch’essa del proprio processore, delle proprie ventole, dei propri cavi, dei propri connettori e quant’altro.

L’articolo che segue mira proprio a spiegare, nei termini più semplici possibili, come è fatta una scheda video ed il suo (complesso) funzionamento: bisogna sottolineare che il linguaggio si allontanerà il più possibile dal tecnico e che ciascuna spiegazione sarà semplificata il più possibile, sacrificando qualche volta quei “termini e tecnicisimi” incomprensibili che potrebbero spaventare i più.

Detto ciò, iniziamo il nostro viaggio!

Come è fatta una scheda video – le componenti principali

L’immagine in alto parla chiaro: anche la scheda video, più o meno come succede per la scheda madre, è composta da un processore, della RAM, un BIOS ed una serie di slot e connettori installati su un circuito stampato. Iniziamo a dare uno sguardo alle componenti principali.

L’interfaccia di collegamento al PC

Come ogni componente di un qualsiasi elaboratore, anche la scheda video deve essere collegata alla scheda madre per poter comunicare con la CPU e per potersi alimentare; può comunque capitare che una scheda video – specie se moderna e potente – disponga di un chip che ne permette il collegamento diretto con l’alimentatore.

Le attuali modalità di collegamento tra scheda video e scheda grafica, che si distinguono tra di loro per forma dello slot e funzionalità, sono:

  • PCI: standard introdotto nel 1993, non richiede l’utilizzo di jumper per la configurazione;
  • AGP: standard introdotto 4 anni dopo e dedicato soltanto alle schede grafiche, è stato introdotto ed adottato globalmente con l’avvento del fenomeno delle schede 3D-accelerate;
  • PCI-e (PCI-express): introdotto nel 2004 come un’evoluzione del PCI, ha soppiantato rapidamente AGP per la maggiore potenza erogata ed è diventato lo standard di fatto per il collegamento tra scheda video e scheda madre.

LA GPU

L’Unità di Elaborazione Grafica – o GPU – è il “cuore” della scheda video moderna, quello che permette di fatto di elaborare le immagini eseguendo rapidamente gran parte dei complessi calcoli matematici e geometrici richiesti e di coordinare l’invio dell’immagine al monitor nel momento giusto. In genere la GPU è praticamente invisibile in quanto, data l’elevata velocità di elaborazione e la conseguente attitudine a produrre molto calore, è “nascosta” sotto una grande ventola o un dissipatore.

Curiosità: Nelle schede video più datate (non accelerate) il lavoro svolto dalla GPU era decisamente meno oneroso, in quanto questa si limitava a “leggere sequenzialmente” i dati già elaborati dalla CPU, inviarli alla RAM e gestire il DAC (che vedremo in seguito).

IL BIOS

Più o meno come succede anche per i computer, il BIOS (sistema di input/output di base) è un chip che memorizza le impostazioni della scheda video e, al momento del suo avvio, esegue tutti i test di diagnostica sulla memoria, sull’input e sull’output della scheda stessa.

LA RAM

Come abbiamo detto poc’anzi è la GPU ad eseguire i calcoli e creare le immagini e, di conseguenza, c’è bisogno di una componente in grado di memorizzare le informazioni elaborate dalla GPU ed eventualmente le immagini completate nell’attesa di inviarle al monitor: questo compito è svolto dalla RAM.

Ciascuna locazione di memoria della RAM si occupa di memorizzare i dati relativi a ciascun pixel, inclusi il colore e la sua posizione sullo schermo; si parla di RAM in modalità frame-buffer quando una parte di essa è dedicata a memorizzare le immagini complete finché queste non debbano essere visualizzate.

La memoria RAM agisce a gran velocità, è dual-ported (si può leggere e scrivere su di essa contemporaneamente) ed è direttamente collegata al DAC (per le schede video dotate di uscita VGA).

IL DAC (O RAMDAC)

Il DAC altri non è che una componente in grado di convertire il segnale digitale generato dalla GPU e dalla RAM in un segnale analogico leggibile ed utilizzabile dai monitor VGA (è utilizzato soltanto per la “sincronizzazione” della palette in caso di collegamento DVI/HDMI, poiché in tal caso il monitor è in grado di leggere il segnale digitale e non c’è bisogno di conversione).

Alcune schede grafiche specifiche (ad esempio quelle dei notebook o alcune schede di fascia alta) dispongono di più DAC, ciò permette di migliorare ulteriormente la qualità delle immagini e supportare più di un monitor.

Il DAC invia le immagini al monitor tramite un cavo di collegamento disponibile ad oggi in diversi formati.

Il collegamento Scheda – Monitor (le uscite video)

Sono diverse le tipologie di collegamento tra scheda video e monitor, tutte riconoscibili dalla diversa forma dell’alloggiamento reperibile sul retro della scheda stessa (la parte che “esce fuori” e permette di inserire i cavi). Le più utilizzate ad oggi sono:

  • VGA: si tratta di uno standard del 1987, compatibile con i monitor a tubo catodico (CRT) ma usato ancora oggi per compatibilità in una gran quantità di monitor LCD. Essendo uno standard abbastanza vecchio soffre di alcuni problemi strutturali, i più noti sono collegati alla risoluzione ed alla distorsione dell’immagine;
  • DVI: introdotto grazie ai monitor LCD, risolve i problemi collegati alla risoluzione e riscontrati nello standard VGA; può essere utilizzato da monitor LCD, proiettori e televisori al plasma;
  • HDMI: si tratta di uno standard del 2003 in grado di supportare risoluzioni ad alta definizione (e di conseguenza monitor HDMI) e che cerca ancora oggi di imporsi a tutti gli altri standard.

Altre tipologie di connessione possono essere:

  • S-Video: per la connessione a televisori, lettori DVD e proiettori;
  • ViVo: utilizzato per la connessione a videocamere analogiche;
  • DisplayPort: diretto concorrente di HDMI, è utilizzato sia per connessioni tra PC e monitor che per sistemi home theater.

Le modalità di funzionamento

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Anche se siamo abituati a pensare alla scheda video come qualcosa che fabbrichi autonomamente le immagini che vediamo sullo schermo, bisogna sottolineare alcuni aspetti sul suo funzionamento: una scheda video può infatti visualizzare contenuti seguendo diverse modalità di funzionamento, che vi spieghiamo qui in basso.

Modalità testo

Praticamente questa modalità è presente in tutte le schede video: il monitor viene “organizzato” dalla scheda come una griglia di caselle, ciascuna delle quali conterrà un carattere creato da un generatore presente nella scheda – generatore che si occuperà oltre che della creazione anche della gestione e dell’invio al monitor – ed eventualmente memorizzato in codice ASCII dalla RAM video.

Modalità grafica

Anche questa modalità è presentein tutte le schede grafiche: a differenza della modalità testuali, i codici ASCII letti non saranno “convertiti” in caratteri da un generatore ma verrà creata l’intera immagine pixel per pixel prevalentemente in formato bitmap, specificando il colore di ognuno di essi all’interno della RAM – chiaramente, la quantità di RAM richiesta dalla modalità grafica è superiore a quella richieesta dalla modalità testuale.

Modalità 2D-accelerata

Le schede grafiche 2D-accelerate sono quelle che siamo abituati a vedere da almeno una decina d’anni a questa parte, ovvero quelle dotate di GPU in grado di “aiutare” il processore del computer ad eseguire parte delle funzioni (tracciare linee, archi e forme semplici) e dei calcoli necessari per la visualizzazione delle immagini.

Presente in esse anche un generatore di caratteri avanzato, in grado di funzionare anche in modalità grafica.

Modalità 3D-accelerata

Questo tipo di scheda dispone delle funzionalità delle accelerazione 2D e vi affiancano la modalità 3D, in cui la GPU esegue ancora più calcoli – con grande gioia della CPU, il cui unico compito resta fornire i dati geometrici tramite i quali la GPU stessa calcolerà i pixel fotogramma per fotogramma.

Per questa modalità si richiedono una grossa quantità di RAM – che conterrà le texture da applicare ai pixel – ad alta frequenza e potenzialità di calcolo parallelo (con più “cuori” per ogni GPU): il processore grafico deve infatti essere in grado di calcolare rapidamente i dettagli della superficie (visibilità, coordinate, texture e relativi pixel) a partire dai dati geometrici forniti dalla CPU.

Curiosità: esistono alcune funzionalità di accelerazione che migliorano la qualità dell’immagine, vanno ad aggiungersi al procedimento di texturing eseguito dalla GPU e sono implementate a livello software. Tra queste troviamo i pixel shader, il rendering, il vertex shader, ed i filtri ansiotropico ed antialiasing.

Più schede video contemporaneamente? SLI e CrossFire

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Viste le velocità raggiunte dalle schede grafiche odierne esistono comunque casi in cui c’è bisogno di… ottenere una potenza ancora maggiore, facendo lavorare – praticamente – due o più schede in parallelo allo stesso momento.

I due più grandi produttori di schede video al momento sul mercato – NVIDIA e AMD/ATI – hanno risposto a questa richiesta con due tecnologie differenti ma dall’obiettivo comune, SLI per il primo produttore e CrossFire per il secondo.

La tecnologia SLI – Interfaccia Scalabile di Collegamento – di NVIDIA permette di collegare due schede video assolutamente identiche (o più, negli hardware di nuova generazione) in parallelo, in grado di dividersi il lavoro suddividendo virtualmente lo schermo in più “settori”, ciascuno dei quali sarà preso in carico da ognuna delle schede video collegate in SLI; i dati saranno successivamente uniti ed inviati al monitor.

Chiaramente per usufruire di SLI bisogna avere un alimentatore abbastanza potente da supportare il tutto, una scheda madre compatibile (che disponga di più slot PCI-e): le schede vengono collegate tra di loro mediante due connettori disponibili in dotazione.amd-crossfire_risultatoLa soluzione offerta da AMD trova i natali già nel 1999, quando ATI introdusse una scheda grafica a doppia GPU che però non ebbe successo; l’azienda ci ha poi riprovato con il calcolo in parallelo – questa volta collegando tra di loro due schede diverse – dopo l’introduzione di SLI, presentando CrossFire – ad oggi evoluto in CrossFireX.

Esattamente come per SLI, anche CrossFireX necessita di una scheda madre in grado di due slot PCI-e per inserire entrambe le schede, tuttavia non c’è bisogno che le due schede video siano identiche (Hybrid CrossFire) ma basta che una delle due sia una CrossFire Master in grado di distribuire autonomamente il carico sull’hardware a disposizione.

Le schede collegate in CrossFire venivano inizialmente collegate con un apposito connettore da agganciare ad entrambe le porte DVI delle schede e, successivamente, al monitor stesso; attualmente la modalità di collegamento in CrossFireX è interna, simile a quella della tecnologia SLI.

Le schede video integrate

Questo è uno scenario che riguarda più che altro i notebook o tutti quei dispositivi “compressi”: la scheda video in questo caso viene ricavata direttamente dalla scheda madre e ne condivide sia la CPU che la RAM, con ovvi problemi in caso di richiesta di particolari funzionalità 3D.

Con il passare del tempo ed il raffinamento dei processi produttivi, tuttavia, si è riuscito ad ovviare almeno in parte a questo problema e creare delle schede video dedicate (discrete) di cui i notebook possono essere dotati, schede che in tal caso dispongono di risorse proprie e possono raggiungere prestazioni anche notevoli, quasi al pari di quelle delle controparti desktop.

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Con le ultime tecnologie è possibile ottenere elaborazione grafica in parallelo tramite doppia scheda video anche sui notebook, con grossi vantaggi per prestazioni e risparmio energetico: la soluzione fornita da NVIDIA (scheda discreta NVIDIA + scheda integrata Intel) risponde al nome di Optimus, mentre quella fornita da AMD (scheda discreta AMD + APU AMD) risponde al nome di Radeon Dual Graphics (in passato Hybrid CrossFireX).

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Il funzionamento di Optimus e Dual Graphics può essere gestito e definito tramite appositi software gestionali offerti dai produttori ed attivato/disattivato tramite il BIOS EFI.

L’articolo Come è fatta una scheda video? E come funziona? appare per la prima volta su Chimera Revo – News, guide e recensioni sul Mondo della tecnologia.

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