Como funcionam as placas de vídeo

Introdução

As imagens que você vê em seu monitor são formadas por pequenos pontos chamados pixels. Mesmo nas resoluções mais baixas, a tela exibe mais de um milhão de pixels e o computador tem que decidir o que fazer com cada um deles para criar uma imagem. Nesse processo, ele precisa da ajuda de um tradutor. Algo que possa transformar os dados binários da CPU em imagens que você possa ver. A menos que o computador tenha capacidade de processamento gráfico embutido na placa-mãe, a tradução acontece na placa de vídeo. O trabalho de uma placa de vídeo é complexo, mas seus componentes e princípios são fáceis de entender. Neste artigo, vamos examinar os componentes básicos de uma placa de vídeo e saber qual é a função de cada um deles. Também vamos analisar o que possibilita uma placa de vídeo rápida e eficiente.

A placa de vídeo cria as bordas de uma imagem e depois as preenche com texturas e sombras

Informações básicas sobre as placas de vídeo
Pense em um computador como se ele fosse uma empresa com seu próprio departamento de arte. Quando alguém na empresa precisa de alguma peça de arte, pede ajuda a esse departamento. Esse departamento decide como criar a imagem e coloca a idéia no papel. O resultado final é a idéia materializada em uma figura visível e real.

Foto cedida por HowStuffWorks Shopper Os quatro componentes principais de uma placa de vídeo são as conexões para a placa-mãe e para o monitor, um processador e a memória

Uma placa de vídeo funciona da mesma maneira. A CPU trabalha em conjunto com os aplicativos e envia informações sobre a imagem para a placa de vídeo. Então a placa decide como usar os pixels na tela para criar a imagem, enviando depois essa informação para o monitor através de um cabo.

A evolução das placas de vídeoAs placas de vídeo evoluíram bastante desde que a IBM criou o primeiro modelo, em 1981. Ele se chamava adaptador de visor monocromático (Monochrome Display Adapter - MDA) e só exibia textos em verde ou branco numa tela preta. Hoje o padrão mínimo das novas placas de vídeo é a matriz de gráficos e vídeo (Video Graphics Array - VGA), que exibe 256 cores. Os padrões de alta perfomance como a matriz quântica gráfica extendida (Quantum Extended Graphics Array - QXGA) podem exibir milhões de cores em resoluções que chegam a 2040 x 1536 pixels.

Criar imagens a partir de dados binários é um processo trabalhoso. Para criar uma imagem 3-D, a placa de vídeo desenha primeiro as bordas da imagem com linhas simples. Depois, ela preenche a imagem, criando os pixels restantes. No fim, ela também adiciona efeitos de luz, texturas e cores. Nos jogos modernos, o computador faz esse processo cerca de sessenta vezes por segundo. Sem uma placa de vídeo para executar os cálculos necessários, o trabalho poderia sobrecarregar o computador.
As placas de vídeo cumprem essa tarefa utilizando quatro componentes principais:

• uma conexão com a placa-mãe para trocar dados e alimentação de energia;
• um processador para decidir o que fazer com cada pixel na tela;
• memória para armazenar informação sobre cada pixel e para salvar temporariamente imagens completas;
• uma conexão com o monitor para você poder ver o resultado final.

Processador e memória
Semelhante a uma placa-mãe, a placa de vídeo é uma placa com circuito impresso que abriga um processador e memória RAM. Ela também tem um chip com sistema de entrada/saída, chamado BIOS, que armazena as configurações da placa, diagnósticos da memória e dados de entrada e saída durante a inicialização.
O processador de placa de vídeo, chamado de unidade de processamento gráfico (graphics processing unit - GPU), é semelhante a uma CPU. A diferença é que a GPU foi criada especificamente para executar complexos cálculos matemáticos e geométricos necessários para a renderização gráfica. Algumas GPUs têm mais transistores do que uma CPU comum. Esses processadores gráficos geram muito calor, por isso são posicionados debaixo de um ventilador (cooler) ou dissipador de calor.

Foto cedida por HowStuffWorks Shopper Um dissipador de calor previne o superaquecimento da placa de vídeo

Além de seu poder de processamento, a GPU usa uma programação especial para ajudá-la a analisar e utilizar os dados. As empresas ATI e nVidia produzem a grande maioria das placas de vídeo disponíveis no mercado e cada uma desenvolveu um projeto visando melhorar o desempenho das placas. Para melhorar a qualidade da imagem, os processadores usam:

• suavização de cena completa (full scene anti aliasing - FSAA), que suaviza as bordas de objetos 3D;
• filtro anisotrópico (anisotropic filtering - AF), que torna as imagens mais nítidas.

Gráficos integrados (on-board)Muitas placas-mãe têm capacidade gráfica integrada (on-board) e funcionam sem uma placa de vídeo independente. Essas placas-mãe podem facilmente criar imagens 2D e são indicadas para aplicações de Internet e trabalhos mais comuns, como edição de textos. Ao conectar uma placa de vídeo na placa-mãe, você cancela suas capacidades gráficas nativas.

Cada empresa também desenvolveu técnicas específicas para ajudar a GPU a utilizar cores, sombras, texturas e padrões.
Enquanto a placa cria novas imagens, também precisa armazenar em algum lugar as informações sobre as figuras já criadas. Essa informação é armazenada na memória RAM. São guardados dados sobre cada pixel, sua cor e localização na tela. Uma parte da memória RAM também funciona como memória temporária, que armazena imagens completas até o momento de exibi-las. Geralmente, a memória RAM de vídeo opera em altíssima velocidade e o sistema pode ler e escrever informações ao mesmo tempo.
A memória RAM está conectada diretamente ao conversor digital-analógico, conhecido como DAC (digital-to-analog converter). Esse conversor, também chamado RAMDAC, traduz a imagem para um sinal analógico que o monitor pode utilizar. Algumas placas possuem múltiplos RAMDAC que podem melhorar o desempenho e suportam mais de um monitor.
O RAMDAC envia a imagem final para o monitor através de um cabo. Vamos ver como funciona essa conexão e outras interfaces na próxima seção.

Entrada e saída

Conectores ADCHá algum tempo, a Apple criou uma conexão exclusiva chamada ADC (conector de visor Apple - Apple Display Connector). Esses monitores ainda são utilizados, mas os novos monitores da Apple utilizam uma conexão DVI.

As placas de vídeo se conectam ao computador através da placa-mãe. A placa-mãe fornece energia para a placa de vídeo e permite que ela se comunique com a CPU. As placas de vídeo mais recentes precisam de mais energia do que aquela que a placa-mãe pode oferecer. É por essa razão que elas também se conectam diretamente com a fonte de energia do computador. Existem três interfaces de conexão entre as placas de vídeo e a placa-mãe:

• Componente de interconexão de periféricos - Peripheral component interconnect (PCI)
• Porta aceleradora gráfica - Advanced graphics port (AGP)
• PCI Express (PCIe)

PCI Express é uma novidade e fornece as taxas mais rápidas de transferência de dados entre a placa de vídeo e a placa-mãe. PCIe também suporta a utilização de duas placas de vídeo no mesmo computador. A maioria das placas de vídeo tem dois conectores para monitores. Geralmente, um é um conector DVI que suporta LCD (tela de cristal líquido) e o outro é um VGA que funciona com monitores que utilizam CRT (tubo de raios catódicos). Algumas placas de vídeo têm duas conexões DVI. Mesmo assim, é possível usar uma tela CRT por meio de um adaptador.
A maioria das pessoas utiliza apenas uma das conexões de monitor. As pessoas que precisam usar dois monitores devem adquirir uma placa de vídeo com capacidade para exibir o sistema operacional dividido em duas telas. Esse recurso se chama dual head capability. Teoricamente, um computador com duas placas de vídeo PCIe poderia suportar quatro monitores.

Foto cedida por HowStuffWorks Shopper Essa placa de vídeo Radeon X800XL tem conexões DVI, VGA e ViVo

Além de conexões para a placa-mãe e para o monitor, algumas placas de vídeo têm conexões para:

• TV: saída para TV ou S-vídeo;
• Câmeras de vídeo analógicas: ViVo ou video in/video out;
• Câmeras digitais: FireWire ou USB.

Algumas placas ainda têm a capacidade de reproduzir canais de TV convencional. Agora vamos analisar os fatores que influenciam na eficiência e velocidade das placas de vídeo.

DirectX e Open GLDirectX e Open GL são interfaces de programação de aplicativos ou APIs (application programming interfaces). Uma API ajuda a tornar a comunicação entre hardware e software mais eficiente. Ela fornece instruções para a realização de tarefas complexas como a renderização 3D. Os desenvolvedores otimizam os jogos com gráficos intensos para APIs específicas. É por isso que os jogos novos sempre requerem versões atualizadas do DirectX ou Open GL para funcionar corretamente. Uma API é diferente de um driver. Um driver é um programa que permite a comunicação de um hardware com o sistema operacional do computador. É importante ter APIs e drivers sempre atualizados para os programas funcionarem corretamente.

Desempenho das placas de vídeo
É fácil identificar uma placa de vídeo top de linha. Ela tem muita memória e um processador rápido. Muitas placas de alto desempenho têm ilustrações e ventiladores ou dissipadores decorativos.
Mas uma placa tão moderna oferece muito mais poder do que as pessoas realmente precisam. As pessoas que usam o computador basicamente para e-mail, edição de texto e Internet serão perfeitamente atendidas por uma placa de vídeo integrada na placa-mãe. Uma placa com desempenho mediano é suficiente para a maioria dos jogadores casuais. Quem precisa de uma placa ultramoderna são os entusiastas de jogos e as pessoas que trabalham com programas 3D.

Foto cedida por HowStuffWorks Shopper Placas como a ATI All-in-Wonder possuem conexão para TV e vídeo, além de um seletor de canais de TV

Uma boa forma de avaliar o desempenho de uma placa é por meio das taxas de frames, medidas em frames por segundo (frames per second - FPS). As taxas de frame informam quantas imagens completas a placa consegue exibir a cada segundo. O olho humano consegue perceber cerca de 25 frames por segundo, mas jogos de ação rápida requerem uma taxa de pelo menos 60 frames por segundo para exibir uma animação suave. Os componentes das taxas de frame são:

• triângulos ou vértices por segundo: as imagens 3-D são formadas por triângulos ou polígonos. Essa medição informa a velocidade em que a GPU consegue calcular o polígono inteiro e os vértices que o definem. Geralmente essa informação diz a velocidade com que a placa consegue formar a borda de uma imagem;
• taxa de preenchimento de pixels (pixel fill rate): essa informação descreve quantos pixels a GPU pode processar em um segundo, o que se traduz na velocidade com que a placa consegue rasterizar a imagem.

O hardware da placa de vídeo afeta diretamente sua velocidade. Essas são as especificações de hardware que mais afetam a velocidade da placa de vídeo e as unidades em que são medidas:

• velocidade do clock da GPU (MHz)
• tamanho da memória bus (bits)
• quantidade de memória disponível (MB)
• taxa do clock da memória (MHz)
• largura de banda da memória (GB/s)
• velocidade RAMDAC (MHz)

A CPU e a placa-mãe também desempenham um papel importante na velocidade, já que uma placa de vídeo rápida não pode substituir a incapacidade de distribuição rápida de dados de uma placa-mãe lenta. A conexão da placa de vídeo com a placa-mãe e a velocidade com a qual ela consegue pegar informações da CPU também afetam o desempenho.
OverclockAlgumas pessoas conseguem melhorar o desempenho da placa de vídeo manualmente, ao configurar sua velocidade de medidor para uma taxa mais rápida. Isso é conhecido como overclocking. Geralmente as pessoas fazem overclock na memória, já que fazer esse processo na GPU pode causar superaquecimento. O overclock pode resultar em um melhor desempenho, mas também viola a garantia do fabricante.