Rozšiřující zařízení – grafická, zvuková a síťová karta

Často jsou všechna tato zařízení integrována na základní desce, takže už ani podobu karty, zasouvané do slotu na základní desce nemají, nicméně název jim zůstal. Síťová a zvuková karta jsou dnes na základní desce integrované vždy a jejich parametry vyhovují většině uživatelů. V případě grafické karty platí, že integrované typy mívají nižší výkon a hodí se spíš pro běžnou „kancelářskou“ práci. Uživatelé s vyššími nároky na výkon grafiky (např. hráči 3D her) volí samostatnou kartu pro zasunutí do slotu.

Grafická kartaZprostředkovává výstup dat v grafické podobě na zobrazovací zařízení, což může být monitor, televizor nebo projektor.Dle způsobu připojení zobrazovače a parametrů obrazu rozlišujeme jednotlivé grafické standardy.

Standard VGA (Video Graphics Array)Zavedený v roce 1987 firmou IBM. Základ, z něhož vychází všechny dnešní standardy. Standard definuje jak parametry obrazu, tak zobrazovací zařízení včetně konektoru.

Vlastnosti:• rozměr obrazu 640x480• barevná hloubka (počet barev na pixel) 4 bity, tzn. 24 = 16 barev• zobrazovač (monitor, projektor) – vybaven konektorem D-SUB 15, často označovaný jako

VGA. Na obrázku jsou oba protějšky konektoru – na grafické kartě je zásuvka (má zdířky), na šňůře od zobrazovače je zástrčka (má kolíky).

Signál do zobrazovače je analogový, tzn. ve formě plynule (spojitě) se měnící elektrické veličiny (proud nebo napětí). Je rozdělen do 3 cest, představující 3 základní barvy obrazu - RGB signál (red, green, blue). Kromě těchto obrazových signálů jsou přenášeny další pomocné signály (synchronizace obrazu, povely pro uspávání a probouzení monitoru).

• VGA je svými parametry dávno nedostačující pro dnešní požadavky, proto se používá rozšíření tohoto standardu. Nicméně VGA je poslední standard, který je zcela kompatibilní i po hardwarové stránce, proto pro tento režim nejsou třeba softwarové ovladače. Pro všechny vyšší režimy již kompatibilita neplatí a komunikace se řeší instalací softwarového ovladače do operačního systému. Pokud ovladač chybí, grafický výstup pracuje v základním VGA režimu

Standard SVGA (Super VGA)Zavedený sdružením VESA (sdružení různých firem z oboru počítačové grafiky) jako rozšíření VGA. Přináší větší rozměry obrazu, větší barevnou hloubku i jiný poměr stran obrazu, než je standardních 4:3 u VGA. Barevná hloubka může být až 24 bitů, každá barevná složka má 8 bitů,

1

celkem tedy 224 = asi 16,7 milionu barev. Množství režimů je velké, situaci zachycuje obrázek, kde jsou uvedeny režimy jak po VGA, tak předchůdci VGA:

Další způsoby připojení zobrazovačeKonektor VGA přetrval až do dnešních dnů, protože dlouho kralovaly klasické CRT monitory, které vyžadovaly analogový signál. Dnes rozšířené LCD monitory měly zpočátku mnoho nectností (špatné podání barev, dlouhá doba odezvy, úzké pozorovací úhly, vysoká cena). Když se tyto parametry zlepšily, používal se na LCD monitorech nadále konektor VGA, protože bylo mnoho grafických karet, které měly jen analogový VGA konektor. Nicméně použití analogového přenosu pro LCD monitor je v principu nevhodné, protože samotný LCD panel vyžaduje digitální signál. Pokud má LCD monitor analogový VGA vstup, probíhá následující proces:

Je zřejmé, že jsou zde dva zbytečné převody D/A a zpět A/D, což z principu s sebou nese snížení kvality obrazu.Proto bylo vyvinuto nové připojení vhodné pro zařízení zpracovávající přímo digitální signál – LCD monitory, projektory:

DVI (Digital Visual Interface) Je to připojení, umožňující přenos digitálního obrazového signálu a z důvodu zpětné kompatibility zahrnuje i možnost přenosu analogového signálu. CRT monitory jsou vytlačovány LCD panely, takže roste význam a rozšíření DVI rozhraní.

2

grafická kartapřevod digital na anlog (D/A)

LCDpřevod zpět na digital (A/D)

VGA kabel

Obrázky v prvním řádku ukazují podobu zásuvky DVI na grafické kartě, zbylé 4 obrázky různé varianty protějšků na kabelu od zobrazovače. Konektory v levém sloupci značené DVI-D (d=digital) umožňují přenos pouze digitálního signálu (viz absence 4 pinů v levé části konektoru), konektory v pravém sloupci značené DVI-I (I=integrated=zahrnuje digitál i analog) umožňují i přenos analogového signálu. Konektory ve spodním řádku s nejvíce piny, označené předponou DL (dual line) se používají pro přenos obrazu v náročných aplikacích (obraz větší než 2,75 megapixelu).

TV výstupPro možnost připojení k běžné televizi jsou některé karty vybavovány televizním výstupem, který poskytuje videosignál zpracovatelný běžným televizorem. Možnosti jsou dvě: kompozitní výstup a s-video. Technický popis spadá mimo informatiku do oblasti analogové TV techniky. Konektory vypadají následovně:

Žlutý konektor vlevo je kompozitní, černý s-video, modrý je standardní VGA konektor. Vzhledem k technickému vývoji televizorů význam TV výstupu upadá a nahrazuje jej rozhraní HDMI.

HDMI (high definition multimedia interface)Rozhraní používané hlavně k propojení komponent ve spotřební elektronice. Přenáší obraz i zvuk

3

digitálně, u grafických karet v současnosti nahrazuje klasický TV výstup. Všechny LCD a plazmové televizory vstup HDMI mají.

Na obrázcích je HDMI zásuvka na grafické kartě a konektor na kabelu.

Konstrukce grafické karty

Grafická karta obsahuje:• konektor pro zasunutí do slotu sběrnice – dříve AGP, dnes PCIe 16x• paměť RAM pro uložení obrazových dat• grafický procesor (GPU)

◦ přijímá od procesoru počítače obrazová data a instrukce a ukládá je do RAM◦ s přijatými daty provádí patřičné výpočetní úkony◦ do paměti RAM ukládá výsledná data určená pro zobrazení na monitoru◦ data z paměti posílá (v závislosti na tom, kterými výstupy je karta vybavena):

▪ do digitálně-analogového převodníku, který vyrobí analogový signál pro rozhraní VGA

▪ v digitální podobě na rozhraní DVI popř. HDMI▪ do TV kodéru, který z nich vyrobí analogový signál pro televizor připojený do TV

výstupu

4

Dnes je běžné, že procesor na grafické kartě přebírá značnou část práce, kterou by jinak musel vykonat procesor počítače a kartě by pak jen předával „hotová“ data. Práce přebíraná procesorem grafické karty se týká hlavně náročných aplikací pracujících s trojrozměrnou grafikou (hry, modelovací software) nebo přehrávání videa s vysokým rozlišením (HD video). Grafická karta obdrží v podstatě data ve formě „polotovaru“ a instrukce, co s nimi a procesor na kartě následně data zpracuje. Tím se značně ulehčí procesoru počítače, který se může věnovat jiným činnostem. Tento pojem, kdy grafická karta přebírá část výpočetního výkonu se nazývá akcelerovaná grafika a grafická karta s touto schopností se nazývá akcelerátor. V devadesátých letech byl akcelerátor nadstandard, často ve formě další karty byl přidáván ke stávající grafické kartě a obě pracovaly společně – standardní karta zajišťovala 2D grafiku, v případě potřeby 3D akcelerované grafiky se aktivovala přídavná karta. Obě karty byly propojeny kabelem, který zajišťoval sloučení obrazu z obou karet do jednoho výstupu. Takto fungovaly akcelerátory s grafickým čipem Voodoo od dnes již neexistující firmy 3dfx interactive. Dnes je samozřejmost, že grafická karta obslouží současně 2D i 3D grafiku včetně akcelerace.Grafické karty dnes tak představují značný výpočetní výkon (procesory řádově stovky MHz, paměti RAM stovky MB), který však po většinu provozu počítače je prakticky nevyužit (pokud nespustíme nějaký náročný program – třeba 3D hru). Tohoto faktu využívají tvůrci moderních operačních systémů, přesněji řečeno grafických rozhraní těchto

5

operačních systémů. Grafika operačních systémů je čím dál propracovanější, oplývá nejrůznějšími efekty, které nejsou z racionálního hlediska potřebné pro práci s počítačem, prostě jde o vzhled. Grafické efekty jsou samozřejmě náročné na výpočetní výkon, proto programátoři začali využívat právě výkon grafických karet, který se využije pro tvorbu efektů. Potom závisí na grafické kartě, jaké grafické efekty nám budou nabídnuty. V případě, že je nějaký problém s využitím grafické karty k akceleraci prostředí, systém některé nebo všechny efekty vypne, nicméně zůstane plně funkční, jen „nenačančaný“. Jedním z typických příkladů efektů je průhlednost oken nebo jiných prvků. V případě Windows se akcelerované prostředí začalo používat ve Windows Vista, v současnosti ve Windows 7. Na obrázku výše je ukázka průhlednosti programové nabídky a hlavního panelu v grafickém prostředí KDE běžícím na operačním systému Linux.

Zvuková karta

Reproduktory či sluchátka vyžadují analogový zvukový signál, hlavním úkolem grafické karty je tedy konverze mezi digitálními zvukovými daty a analogovým signálem. Zvuková karta je obousměrná, čili dokáže vytvořit z digitálních dat analogový signál pro reproduktory či sluchátka a také přijmout analogový signál (z mikrofonu či jiného zdroje) a přeměnit ho na digitální pro další zpracování. Obě konverze obstarávají digitálně-analogové (D/A) a analogově-digitální (A/D) převodníky. Převodníky jsou řízeny procesorem zvukové karty, který komunikuje s počítačem, přijímá a odesílá zvuková data.S rozmachem vícekanálového prostorového zvuku u filmů se tato možnost objevila i u zvukových karet – karty se označují jako 5.1 (výstup na 6 reproduktorů) nebo 7.1 (výstup na 8 reproduktorů). Prostorového zvuku kromě filmů využívají také hry.

Konstrukce zvukové karty

Zvuková karta obsahuje:• konektor pro zasunutí karty do slotu sběrnice PCI nebo PCIe 1x• procesor (řídící čip karty)• D/A a A/D převodníky (vetšinou všechny v jednom integrovaném obvodu)• vstupní a výstupní analogové obvody (zesilovače) – vstupní zesilovače zesilují příchozí

signály tak, aby i při použití zdrojů s různou úrovní signálu (mikrofon, gramofon, apod.) dostal A/D převodník vždy optimální úroveň signálu, výstupní zesilovače zesilují signál z D/A převodníku na úroveň dostatečnou pro reproduktory nebo sluchátka.

• vnější konektory – většinou se používají konektory JACK 3,5 mm („sluchátkový typ“)

6

7

Vst

upy

a vý

stup

y zv

uku

Konektor PCI

Zesilovače

A/D převodníkyD/A

procesor

digitální data

analogový signál

Síťová kartaJe to rozhraní, zprostředkující přístup počítače do počítačové sítě.

Parametry síťové karty:• Typ sítě – prakticky významný je dnes jen Ethernet (pro běžné uživatele)• Přenosová rychlost – 10 až 1000 Mb/s

◦ Dnes je naprostý standard 100 Mb/s, rozšiřují se sítě s 1000 Mb/s (1Gb/s)Upozornění: jde o násobky jednotky bit, ne byte.

◦ Duplex – možnost současného přenosu dat oběma směry. Pokud tato možnost není, označujeme jako half-duplex a reálná rychlost klesá na polovinu oproti „papírové“ hodnotě, protože čistě jednosměrný provoz na síti je jen teoretická varianta.Half-duplex bychom mohli přirovnat k jednokolejné železnici (vlaky v protisměru na sebe musí čekat, nemohou jet oba naráz), duplex, nebo taky full-duplex je jako dvoukolejná trať.

• Přenosové médium – kabel (dříve koaxiální kabel, dnes kroucená dvoulinka) nebo bezdrátový přenos (Wi-Fi)

8

Síťová karta Ethernet pro kroucenou dvoulinku, zakončenou konektorem RJ-45

paměť EEPROM – uložen firmware – software od výrobce, podle něhož pracuje řídící čip karty

oddělovací transformátor – propustí oběma směry signál nesoucí data, ale brání přenosu rozdílných potenciálů, které se na různých zařízeních v síti mohou vyskytnout

řídící čip karty – provádí převod mezi digitálními daty a signály, které se šíří po síti, řídí provoz na lince a komunikuje s ostatními síťovými zařízeními

konektor PCI

konektor RJ-45

Bezdrátová (wireless) síťová karta

Vysokofrekvenční část – slouží jako vysílač i přijímač – signály posílané do sítě moduluje na vysokofrekvenční signál, který je následně vyzářen anténou, signály přijaté anténou ze sítě demoduluje a předává řídícímu čipu karty.

anténa

Kroucená dvoulinka• Nejběžnější kabelové médium současnosti, levná• Označení UTP – unshielded twisted pair (nestíněný kroucený pár). Stíněním se myslí vodivá

vrstva obklopující všechny žíly kabelu, vylepšující ochranu proti pronikání rušení – tato vrstva u UTP chybí. Stíněná varianta se označuje STP a používá se v náročných podmínkách s velkou úrovní elektromagnetického rušení – např. v průmyslových provozech.

• kabel obsahuje v jednom plášti 4 barevně odlišené páry, odpovídající konektor RJ-45 má 8 pinů

• max. délka kabelu mezi dvěma zařízeními je 100 m• kroucení párů je potřebné z elektrického hlediska – eliminuje vyzařování

elektromagnetických vln z kabelu a zároveň příjem elektromagnetického rušení z venčí do kabelu. Běžné dnešní kabely jsou kategorie CAT-5e, mají pracovní frekvenci 100 MHz. Vlnová délka elektromagnetického vlnění při kmitočtu 100 MHz je

Jakmile je délka vodiče srovnatelná s vlnovou délkou či větší, začíná vodič fungovat jako anténa – ať už vysílací nebo přijímací – a může tudíž vysíláním vlastního signálu zarušit jiná zařízení nebo naopak přijímat rušení z okolí. Každé překřížení vodičů znamená prohození polarity vyzařovaného nebo přijímaného signálu, na celé délce vodiče tudíž dojde vlivem opakujících se překřížení po malých úsecích k téměř dokonalému vyrušení nežádoucího vyzařování či příjmu.

Využití UTP kabelu:V současnosti je nejrozšířenější kabel kategorie CAT-5e, který má pracovní kmitočet 100 MHz. Standardní rychlost sítě je 100 Mb/s, novější sítě mají rychlost 1000 Mb/s.

• Síť 100 Mb/s – duplexní provoz, využity 2 páry z kabelu. Zbývající 2 páry lze využít pro další připojené zařízení, občas se využívají pro přívod el. energie k nějakému vzdálenému síťovému zařízení, které je umístěno v místě, kde není elektroinstalace 230 V. Většinou jsou ale tyto 2 páry nevyužity.

• Síť 1000 Mb/s – duplexní provoz, využity všechny 4 páry kabelu.

9

λ=cf=

3.108

1.108 =3m