كيف يعمل كرت الشاشة؟

كيف تظهر الصور على الشاشة؟

إن جميع الصور التي تظهر على شاشة الحاسوب مؤلفة من نقاط صغيرة جداً يدعى كل منها "بيكسل"pixel. معظم الشاشات تعرض أكثر من مليون "بيكسل" في نفس اللحظة، و من أجل تشكيل كل صورة يحتاج الحاسوب أن يعرف تماماً ما الذي يجب أن يفعله بكل نقطة صغيرة من هذه النقاط.

للقيام بتلك المهمة، يحتاج الحاسوب إلى "مترجم" يأخد المعطيات من وحدة المعالجة المركزية و يحولها إلى صورة يمكننا رؤيتها. هذا المترجم هو ما يدعى بـ كرت الشاشة.

في بعض الحواسيب ، تكون القدرة على معالجة الرسوميات مدمجة ضمن اللوحة الأم للحاسوب و غالباً ما تكون قدرة هذه الحواسيب على معالجة الرسوميات متواضعة . أما في الحواسيب الأخرى فتتم معالجة الرسوميات في كرت شاشة منفصل.

إن عمل كرت الشاشة هو عمل معقد، ولكن مبادئ عمله و مكوناته بسيطة و سهلة الفهم. سنتعرف في هذا المقال على الأجزاء الرئيسية لكرت الشاشة و العوامل التي تجعل كرت الشاشة سريعاً و فعالاً.

لتبسيط الفكرة ، سنشبّه الحاسوب بشركة تملك قسماً فنياً خاصاً بالتصميم و الرسم يقوم هذا القسم بتنفيذ الطلبات الفنية التي تطلبها بقية أقسام الشركة. يمكننا اعتبار أن كرت الشاشة هو القسم الفني الخاص بالحاسوب، حيث تقوم وحدة المعالجة المركزية - بالتعاون مع التطبيقات البرمجية - بإرسال المعلومات الخاصة بالصورة و المطلوب إظهارها إلى كرت الشاشة، فيحدد كرت الشاشة كيف سيستخدم كل بيكسل على الشاشة لتشكيل الصورة، ثم يرسل هذه المعلومات إلى الشاشة لتتم عملية الإظهار.

­إن تحويل المعطيات إلى صورة ثلاثية الأبعاد ليس بالأمر السهل، فالخطوة الأولى هي تمثيل الشكل الخارجي للغرض الذي نريد رسمه بمضلعات و خطوط مستقيمة (wireframe) ثم يتم ملء النقاط التي تقع بين هذه الخطوط عن طريق تقنية تدعى rasterization أو التنقيط، و من ثم تتم إضافة الألوان و الظل و النور و مواصفات المادة التي نريد إظهارها لتكون أقرب ما يمكن إلى الواقع لنصل في النهاية إلى صورة متكاملة ثلاثية الأبعاد كما هو موضح في الشكل التالي:

هنا

قد يبدو لنا أن هذا العمل سهل بالنسبة للحاسوب، و لكنها في الحقيقة عملية معقدة ففي الألعاب ذات الوتيرة السريعة يحتاج الحاسوب للقيام بهذه العملية حوالي 60 مرة في الثانية الواحدة، وهذه تعتبر كمية هائلة من العمليات التي لا يستطيع الحاسوب القيام بها لولا وجود كرت الشاشة المخصص للقيام بهذا النوع من الحسابات و العمليات.

ينجز كرت الشاشة العملية السابقة بمساعدة 4 قطع رئيسية هي:

• وصلة بين كرت الشاشة و اللوحة الأم motherboard من أجل الحصول على المعطيات و الطاقة الكهربائية.

• معالج يقوم بتحديد عمل كل بيكسل على الشاشة.

• ذاكرة للاحتفاظ بالمعلومات الخاصة بكل بيكسل و لتخزين الصور المكتملة بشكل مؤقت.

• وصلة بين كرت الشاشة و الشاشة ليتمكن المستخدم من رؤية النتيجة النهائية.

سنتعرف الآن على المعالج و الذاكرة الخاصين بكرت الشاشة بالتفصيل :

وحدة معالجة الرسوميات Graphics Processing Unit

إن كرت الشاشة ليس عبارة عن قطعة واحدة كما نتصور، بل هو لوحة متكاملة تشبه اللوحة الأمmotherboard، يتوضع عليها عدد من القطع، وهي معالج و ذاكرة عشوائية (RAM Random Access Memory) و شريحة (BIOS Basic Input/OutputSytem) تخزن إعدادات كرت الشاشة و تقوم بفحص الذاكرة و دخل و خرج كرت الشاشة عند بدء التشغيل.

إن المعالج الخاص بكرت الشاشة يدعى وحدة معالجة الرسوميات GPU و هي شبيهة بوحدة المعالجة المركزية للحاسوب(Central Processing Unit CPU) إلا أن وحدة معالجة الرسوميات مصممة خصيصاً للقيام بالعمليات الحسابية الهندسية المعقدة التي نحتاجها لمعالجة الرسوميات، حتى أن بعض المعالجات الخاصة بالرسوميات تحتوي على عدد من أنصاف النواقل (transistors) يفوق عدد أنصاف النواقل الموجودة في بعض وحدات المعالجة المركزية للحاسوب!.

و لأن عمل وحدة معالجة البيانيات معقد فإن درجة حرارتها ترتفع بشكل كبير و لذلك تتوضع عادة تحت مروحة أو مشتت للحرارة heatsink.

تقوم وحدة معالجة الرسوميات بتخزين المعلومات التي تحتاجها و الصور التي انتهت من معالجتها في الذاكرة الخاصة بكرت الشاشة، فتحتفظ بالمعطيات الخاصة بكل بيكسل في الصورة كاللون و مكان التوضع على الشاشة، كما تخزن الصور بشكل مؤقت إلى أن يحين وقت عرضها. إن الذاكرة الخاصة بكرت الشاشة تعمل بسرعات عالية جداّ، و غالبا ما تكون ذات مأخذين (dual ported) أي أن النظام يستطيع التخزين في الذاكرة و قراءة المعلومات منها في نفس الوقت.

تتصل الذاكرة العشوائية (RAM Random Access Memory) بشكل مباشر ب محوّل رقمي- تماثلي يدعى (DAC Digital-to-Analog Converter) حيث يقوم هذا المحول – و الذي يدعى أيضا (RAMDAC Random Access Memory Digital to Analog Converter) في بعض الأحيان – بتحويل الصورة من شكلها الرقمي الى إشارة تماثلية يمكن قراءتها من قبل الشاشة. بعض كروت الشاشة تضم أكثر من محول RAMDAC مما يحسّن الأداء و يسمح بدعم أكثر من شاشة بدل من شاشة واحدة.

يتواصل كرت الشاشة مع وحدة المعالجة المركزية عبر اللوحة الأم، كما تقوم اللوحة الأم بتزويد كرت الشاشة بالطاقة الكهربائية اللازمه لتشغيله. لكن في بعض الأحيان يحتاج كرت الشاشة لطاقة أكبر من تلك التي تستطيع اللوحة الأم تزويده بها و لذلك فيوجد بعض الأنواع من كروت الشاشة تأخذ الطاقة اللازمة لتشغيلها بشكل منفصل عن اللوحة الأم.

إن اتصال كرت الشاشة باللوحة الأم يتم عبر إحدى الطرق الثلاث التالية:

● Peripheral Component Interconnect (PCI)

● Advanced Graphics Port (AGP)

● PCI Express (PCIe)

و هي أحدث هذه الطرق و تؤمن أعلى سرعة نقل بين كرت الشاشة و اللوحة الأم، كما تدعم تشغيل كرتي شاشة في نفس الحاسوب.

و بالإضافة الى الاتصال مع اللوحة الأم و الشاشة، بعض كروت الشاشة تضم مآخذ تسمح بالاتصال بشاشات التلفاز و كاميرات الفيديو و الكاميرات الرقمية.

كيف نختار كرت شاشة جيد؟

من السهل تمييز أفضل و أحدث كروت الشاشة، فهي دوماً تمتلك ذاكرة كبيرة و معالجاً سريعاً مقارنة بكروت الشاشة الأخرى، كما تبدو أجمل من حيث التصميم و أحياناً ما تحمل رسومات أو تكون المراوح الخاصة بها ذات تصميم مميز. و لكن كروت الشاشة من المستوى الرفيع هذه غالباً ما تفوق احتياجات المستخدم العادي. فإن كان المستخدم يحتاج الحاسوب فقط لإرسال البريد الالكتروني و تصفح الانترنت و القيام بالأعمال المكتبية العادية فهو لا يحتاج لأكثر من إمكانيات معالجة الرسوميات المدمجة باللوحة الأم للحاسوب و لا يحتاج لكرت شاشة منفصل، أما المستخدم الذي يهتم أكثر قليلاً بالألعاب و الأفلام يكفيه كرت شاشة منفصل ذو مواصفات متوسطة، بينما محبي الألعاب و الأشخاص الذين يحتاجون الكثير من معالجة الرسوميات ثلاثية الأبعاد في عملهم (كالمصممين و مهندسي العمارة و المهتمين بصناعة الأفلام.. إلخ) فهؤلاء هم من يحتاجون أفضل و أحدث كروت الشاشة الموجودة في الأسواق.

عادةً ما يتم قياس أداء كرت الشاشة عن طريق حساب معدل إظهار الصور (Frame Rate) و الذي هو عدد الصور التي تظهر في الثانية و وحدته (FPS Frame Per Second). يصف هذا المعدل عدد الصور المكتملة التي يمكن لكرت الشاشة أن يعرضها في الثانية الواحدة. إنّ عين الإنسان يمكنها أن تستقبل حوالي 25 صورة في الثانية، ولكن الألعاب السريعة تحتاج لإظهار حوالي 60 صورة في الثانية!

من العوامل التي تدخل في حساب معدل إظهار الصور:

● عدد المثلثات أو الرؤوس (في الثانية): لقد ذكرنا سابقاً أن الصور ثلاثية الأبعاد تتشكل من مثلثات أو مضلعات. كجزء من عملية قياس الأداء، يتم حساب السرعة التي يقوم فيها كرت الشاشة بحساب المضلعات أو رؤوس المضلعات اللازمة لرسم الشكل، أي أنه يتم حساب سرعة كرت الشاشة في بناء صورة wireframe.

● معدل ملء ال (Pixel Fill Rate Pixels) : يصف هذا المعدل عدد النقاط التي يمكن لكرت الشاشة معالجتها في الثانية لمعرفة سرعة الكرت في القيام بعملية ال rasterization.

إذاً ما هي القطع التي تؤثر في أداء كرت الشاشة؟

يتأثر أداء و سرعة كرت الشاشة مباشرة بالعتاد أو الHardware الذي يتكون منه.

أهم مواصفات كرت الشاشة التي تؤثر بالأداء هي :

• سرعة وحدة معالجة الرسوميات GPU clock speed و تقاس بالميغاهرتز MHz.

• عرض ممر الذاكرة Memory Bus و يقاس بال Bits.

• حجم الذاكرة المتاحة و تقاس بالميغابايت MB.

• سرعة النقل للذاكرة Memory Clock Rate و تقاس بالميغاهرتز MHz.

• عرض حزمة الذاكرة Memory Bandwidth و تقاس بالغيغابايت بالثانية GB/s.

• سرعة المحول RAMDAC تقاس بالميغاهرتز MHz.

و لكن بالطبع لا تكفي مواصفات كرت الشاشة وحدها، بل يجب أن تكون مدعومة بمواصفات جيدة لمعالج الحاسوب و اللوحة الأم الخاصة به، كما أن سرعة نقل التعليمات من المعالج إلى كرت الشاشة تلعب دوراً في جودة الأداء.

مدمجة

المصدر: هنا