« Les cartes graphiques/Les cartes d'affichage » : différence entre les versions

Les cartes graphiques sont des cartes qui communiquent avec l'écran, pour y afficher des images. Au tout début de l'informatique, ces opérations étaient prises en charge par le processeur : celui-ci calculait l'image à afficher à l'écran, et l'envoyait pixel par pixel à l'écran, ceux-ci étant affichés immédiatement après. Pour simplifier la vie des programmeurs, les fabricants de matériel ont inventé des '''cartes d'affichage''', ou cartes vidéo. Avec celles-ci, le processeur calcule l'image à envoyer à l'écran, la transmet à la carte d'affichage, qui la transmet à l'écran. L'avantage d'une carte d'affichage et qu'elle décharge le processeur de l'envoi de l'image à l'écran. Le processeur n'a pas à se synchroniser avec l'écran : il a juste à envoyer l'image à une carte d'affichage. De plus, la transmission de l'image à la carte d'affichage est très rapide, surtout comparé au temps mis pour envoyer l'image à l'écran, ce qui fait que le processeur peut faire autre chose pendant que l'image s'affiche.

 

Une carte d'affichage contient au minium trois circuits : une mémoire vidéo, un circuit d'interfaçage avec l'écran et un circuit d'interfaçage avec le bus. La mémoire vidéo mémorise l'image à afficher, les deux autres circuits permettent à la carte d'affichage de communiquer respectivement avec l'écran et le reste de l'ordinateur.

Les cartes graphiques actuelles sont des cartes d'affichage auxquelles on a ajouté des capacités de calcul pour le rendu 2D et/ou 3D, mais elles n'en restent pas moins des cartes d'affichages améliorées. La seule différence est que le processeur n’envoie pas une image à la mémoire vidéo, mais que l'image à afficher est calculée par la carte graphique 2D/3D. Si vous analysez une carte graphique récente, vous retrouverez globalement les mêmes circuits que dans les premières cartes d'affichage.

 

 

La carte graphique communique via un bus, un vulgaire tas de fils qui connectent la carte graphique à la carte mère. Les premières cartes graphiques utilisaient un bus nommé ISA, qui fût rapidement remplacé par le bus PCI, plus rapide. Viennent ensuite le bus AGP, puis le bus PCI-Express. Ce bus est géré par un contrôleur de bus, un circuit qui se charge d'envoyer ou de réceptionner les données sur le bus. Les circuits de communication avec le bus permettent à l'ordinateur de communiquer avec la carte graphique, via le bus PCI-Express, AGP, PCI ou autre. Il contient quelques registres dans lesquels le processeur pourra écrire ou lire, afin de lui envoyer des ordres du style : j'envoie une donnée, transmission terminée, je ne suis pas prêt à recevoir les données que tu veux m'envoyer, etc.

 

 

Le circuit d’interfaçage avec l'écran permet à la carte graphique d'envoyer à l'écran une image à afficher. le circuit d'interfaçage s'occupe de traduire l'image à afficher, qui est dans la mémoire vidéo, en un signal qui est transmis à l'écran. Et cela demande beaucoup de manipulations diverses. Il faut que le signal soit compatible électriquement avec le connecteur de l'écran, il faut traduire l'image en ce signal, etc. Si le signal accepté par l’écran est de type analogique, il faut traduire l'image numérique à afficher en signal analogique, ce qui demande un circuit de conversion dédié. Le circuit d'interfaçage doit lire l'image depuis la mémoire vidéo, gérer des techniques comme l'entrelacement (voir plus bas) et ainsi de suite. Bref, les fonctions du circuits d'interfaçage sont multiples et nous allons surtout voir les principales.

 

 

Le câble qui relie la carte graphique à l'écran transmet au mieux un seul pixel à la fois, voire un seul bit à la fois. On ne peut pas envoyer l'image d'un seul coup à l'écran, et on doit l'envoyer pixel par pixel. L'écran traite alors ce flux de pixels de deux manières différentes. Dans le cas le plus intuitif, l'écran accumule les pixels reçus dans une mémoire tampon et affiche l'image une fois qu'elle est totalement reçue. Sinon, l'écran affiche les pixels reçus immédiatement dès leur réception sur l'entrée. Mais il faut envoyer les pixels dans un certain ordre bien précis.

 

Rappelons qu'un écran est considéré par la carte graphique comme un tableau de pixels, organisé en lignes et en colonnes. Les écrans LCD sont bel et bien conçus comme cela, c'est plus compliqué sur les écrans CRT, mais cela ne change rien du point de vue de la carte graphique. Chaque pixel est localisé sur l'écran par deux coordonnées : sa position en largeur et en hauteur. Par convention, on suppose que le pixel de coordonnées (0,0) est celui situé tout haut et tout à gauche de l'écran. Le pixel de coordonnées (X,Y) est situé sur la X-ème colonne et la Y-ème ligne. Le tout est illustré ci-contre.

 

La carte graphique doit envoyer les pixels dans un certain ordre, qui est généralement ligne par ligne, colonne par colonne : de haut en bas et de gauche à droite. Cet ordre d'envoi est appelé le '''balayage progressif'''. Le balayage progressif est utilisé sur tous les écrans LCD moderne, mais il était plus adapté aux écrans CRT. Sur les écrans plats, l'image transmise à l'écran est affichée une fois qu'elle est intégralement reçue, d'un seul coup. Mais sur les anciens écrans de télévision, les choses étaient différentes. Les vieux écrans CRT fonctionnaient sur ce principe : un canon à électrons balayait l'écran en commençant en haut à gauche, et balayait l'écran ligne par ligne. Ce ''scan progressif'' de l'image faisait apparaitre l'image progressivement et profitait de la persistance rétinienne pour former une image fixe. L'image était donc affichée en même temps qu'elle était envoyée et le scan progressif correspondait à l'ordre d'allumage des pixels à l'écran.

La carte graphique doit lire l'image dans la mémoire vidéo pixel par pixel dans l'ordre adéquat, pour obtenir ce balayage ligne par ligne, de gauche à droite. Cela est réalisé par des compteurs, des registres à décalage et quelques circuits. Le contenu des compteurs de ligne et de colonne est combiné avec d'autres informations, de manière à pointer sur le pixel en mémoire vidéo. En clair, l'adresse mémoire du pixel à afficher est calculée à partir de la valeur des deux compteurs, et de l'adresse du premier pixel. Mais le calcul à réaliser dépend de la manière dont l'image est codée en mémoire vidéo. En général, ce codage est des plus simple : l'image est stockée dans ce que les programmeurs appellent un tableau bi-dimensionnel. On peut récupérer un pixel en spécifiant les deux coordonnées X et Y, ce qui est l'idéal. Pour détailler un peu ce tableau bi-dimensionnel de pixels, c'est juste que les pixels consécutifs sur une ligne sont consécutifs en mémoire et les lignes consécutives sur l'écran le sont aussi dans la mémoire vidéo. En clair, il suffit de balayer la mémoire pixel par pixel en partant de l'adresse mémoire du premier pixel, jusqu’à atteindre la fin de l'image.

 

 

[[File:CRT image creation animation.gif|vignette|upright=0.5|Illustration de l'entrelacement.]]

L'entrelacement est géré par le circuit de communication avec l'écran, qui s'occupe aussi de la gestion de la lecture de l'image en mémoire vidéo. L'entrelacement demande de lire l'image à afficher une ligne sur deux, donc d’accéder à la mémoire vidéo d'une certaine manière. Gérer l'entrelacement est donc un sujet qui implique l'écran mais aussi la carte d'affichage. Notamment, la lecture des pixels dans la mémoire vidéo se fait différemment. Le compteur de ligne est modifié de manière à avoir une séquence de comptage différente. Déjà, il compte deux par deux, pour sauter une ligne sur deux. De plus, quand il est réinitialisé, il est réinitialisé à une valeur qui est soit paire, soit impaire, en alternant.

 

 

Un autre point important est que la carte graphique ne peut pas envoyer un flux de pixels n'importe quand et doit respecter des timings bien précis. Le flux de pixel envoyé à l'écran est souvent structuré d'une certaine manière, avec des temps de pause, un temps de maintien minimum pour chaque pixel, etc.

[[File:VGACmptFig2.png|centre|vignette|upright=2|Circuit de gestion des timings H-sync et V-sync d'un écran VGA.]]

 

 

L'écran peut avoir une entrée analogique, surtout s'il est assez ancien. Si c'est le cas, il faut utiliser un circuit qui traduit des données numériques (ici, du binaire) en données analogiques : le '''convertisseur numérique-analogique''' ou DAC (''Digital-to-Analogue Converter''). Au tout début, le circuit d’interfaçage était un DAC combiné avec des circuits annexes, ce qu'on appelle un RAMDAC (''Random Access Memory Digital-to-Analog Converter''). Les écrans de l'époque ne comprenaient que des données analogiques et ne comprenaient pas le binaire, alors que c'est l'inverse pour la carte graphique, ce qui fait que le circuit d'interfaçage devait faire la conversion. De nos jours, les écrans comprennent le binaire sous réserve qu'il soit codé suivant le standard adapté et les cartes graphiques n'ont plus besoin de RAMDAC. Mais elles ont quand même besoin d'un circuit d'interfaçage minimal, ne serait-ce que pour le connecteur HDMI/DisplayPort ou autre.

 

 

La mémoire vidéo est nécessaire pour stocker l'image à afficher à l'écran, mais aussi pour mémoriser temporairement des informations importantes. Sur les toutes premières cartes graphiques, elle servait uniquement à stocker l'image à afficher à l'écran. Le terme pour ce genre de mémoire vidéo est : '''Framebuffer'''. Au fil du temps, elle s'est vu ajouter d'autres fonctions, comme stocker les textures et les vertices de l'image à calculer, ainsi que divers résultats temporaires. Elle est très proche des mémoires RAM qu'on trouve sous forme de barrettes dans nos PC, à quelques différences près. En premier lieu, la mémoire vidéo peut supporter un grand nombre d'accès mémoire simultanés. Ensuite, elle est optimisée pour accéder à des données proches en mémoire. Dans les grandes lignes, elle est optimisée pour avoir un débit de donnée très élevé, au détriment du temps d'accès, qui est assez moyen.

 

 

Chaque pixel est codé sur un certain nombre de bits, qui dépend du standard d'affichage utilisé. A l'époque des toutes premières cartes graphiques, les écrans étaient monochromes et ne pouvait afficher que deux couleurs : blanc ou noir. De fait, il suffisait d'un seul bit pour coder la couleur d'un pixel : 0 codait blanc, 1 codait noir (ou l'inverse, peu importe). Par la suite, les niveaux de gris furent ajoutés, ce qui demanda d'ajouter des bits en plus.

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La taille du ''framebuffer'' limite la résolution maximale atteignable. Autant ce n'est pas du tout un problème sur les cartes graphiques actuelles, autant c'était un facteur limitant pour les toutes premières cartes d'affichage. En effet, prenons une image dont la résolution est de 640 par 480 : l'image est composé de 480 lignes, chacune contenant 640 pixels. En tout, cela fait 640 * 480 = 307200 pixels. Si chaque pixel est codé sur 32 bits, l'image prend donc 307200 * 32 = 9830400 bits, soit 1228800 octets, ce qui fait 1200 kilo-octets, plus d'un méga-octet. Si la carte d'affichage a moins d'un méga-octet de mémoire vidéo, elle ne pourra pas afficher cette résolution, sauf en trichant avec les techniques d'entrelacement. De manière générale, la mémoire prise par une image se calcule comme : nombre de pixels * taille d'un pixel, où le nombre de pixels de l’image se calcule à partir de la résolution (on multiplie la hauteur par la largeur de l'écran, les deux exprimées en pixels).

Disons-le clairement, la première méthode est la plus simple et la plus intuitive, alors que la seconde n'a pas d'intérêt évident. Son avantage principal est qu'elle gaspille moins de mémoire quand les pixels sont codés sur 3, 5, 6, 7, 9, 11 bits ou tout autre nombre de bits qui n'est pas une puissance de deux. Un autre avantage est que l'on peut modifier un bitplanes indépendamment des autres, ce qui permet de faire certains effets graphiques simplement. C'est leur avantage principal, mais ils ont l’inconvénient que lire un pixel est plus lent. Aussi, ils sont rarement utilisés dans les cartes d'affichage, sauf pour les très anciens modèles qui codaient leurs couleurs sur 3, 5 ou 7 bits. Pour donner un exemple d'utilisation de ''planar framebuffer'' est l'ancien ordinateur/console de jeu Amiga Commodore.

 

 

Sur les toutes premières cartes graphiques, le ''framebuffer'' ne pouvait contenir qu'une seule image. L'ordinateur écrivait donc une image dans le ''framebuffer'' et celle-ci était envoyée à l'écran dès que possible. Cependant, écran et ordinateur n'étaient pas forcément synchronisés. Rien n’empêchait à l’ordinateur d'écrire dans le ''framebuffer'' pendant que l'image était envoyée à l'écran. Et cela peut causer des artefacts qui se voient à l'écran. Un exemple typique est celui des traitements de texte. Lorsque le texte affiché est modifié, le traitement de texte efface l'image dans le ''framebuffer'' et recalcule la nouvelle image à afficher. Ce faisant, une image blanche peut apparaitre durant quelques millisecondes à l'écran, entre le moment où l'image précédente est effacée et le moment où la nouvelle image est disponible. Ce phénoméne de ''flickering''; d'artefacts liés à une modification de l'image pendant qu'elle est affichée, est des plus désagréables.

 

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