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Grundlagenserie Teil 1: Die Funktionsweise der GPU


Hallo liebe Leserinnen und Leser,

willkommen bei unserer Grundlagenserie zum Thema Grafikkarten. Habt ihr euch nicht schon oft gefragt, wie eine GPU aufgebaut ist und wie sie Bilder berechnet? Oder wolltet ihr schon immer mal wissen, wie Anti-Aliasing oder diverse Texturfilter funktionieren? In unserer Grundlagenserie zum Thema Grafikkarten werden wir versuchen, euch all das in einfacher und verständlicher Art und Weise zu erklären.

Grundlagen Grafikkarten: Teil 1

In unserem ersten Teil zum Grundlagenwissen werden wir euch die Funktionsweise von komplexen Grafikprozessoren näher bringen.

Der Grafikprozessor, oder kurz "GPU" (Graphic Processing Unit), ist das Kernstück jeder modernen Grafikkarte. Sie ist maßgebend für das Potential der gesamten Grafikkarte, allerdings nicht immer auch für die Leistungsfähigkeit. So kann ein DirectX8 Chip schneller sein als ein DirectX9 Chip, wenn letzterer durch niedrigen Takt oder der Hardwareumgebung ausgebremst wird. Andererseits kann ein DirectX8 Chip auch keinen DirectX9 Shader berechnen, selbst wenn er noch so stark ist.

Früher waren Grafikarten nicht mehr als Hilfsarbeiter der CPU, deren Funktionen kaum programmierbar waren. Heute lassen sich Grafikkarten dagegen immer besser programmieren. Die Programmierbarkeit ist abhängig von der Schnittstelle (DirectX oder OpenGL) . So sind Pixelshader und Vertexshader erst ab DirectX 8 Grafikkarten programmierbar. Die Schnittstellenversionen werden deshalb den Grafikkarten zugeteilt:

Schnittstelle
GPU
Features
DirectX 6 Voodoo 1, Riva TNT und Rage 128 Multitexturing
DirectX 7 GeForce 256, Radeon Hardware T&L
DirectX 8 ab GeForce 3 und Radeon 8500, GeForce 4Ti Pixel- und Vertex-Shader Version 1.0 und 1.1
DirectX 9b ab Radeon 9500 Pro, GeForce FX 58xx Pixel- und Vertex-Shader Version 2.0
DirectX 9c GeForce 6 & 7 & Radeon X1000 Serie Pixel- und Vertex-Shader Version 3.0

Kommen wir nun zur Beschreibung der Shadereinheiten. Shadereinheiten sind Funktionseinheiten innerhalb einer GPU, welche einen großen Beitrag zur eigentlichen Geschwindigkeit in 3D Anwendungen leisten. Sie werden in zwei Einheiten unterteilt, so dass man ausgehend von den Arbeiten, die sie durchführen, von Vertex- oder Fragmentshader spricht. Shadereinheiten sind also wie Produktionsabschnitte an einem Fließband.

Anmerkung:

Fragmentshader werden auch als Pixelshader bezeichnet, da hier Berechnungen auf Pixelebene durchgeführt werden. Einige Programme in der DirectX Schnittstelle werden aber auch als Pixelshader bezeichnet, welches zu Verwechslungen führen kann. Im OpenGL Jargon werden diese Hardwareeinheiten einer GPU als Fragmentshader bezeichnet, wodurch dieser Verwechslung vorgebeugt wird.

Welchen Weg muss nun eine zu berechnende Datei durchlaufen um auf den Bildschirm zu gelangen?

Grob zusammengefaßt müssen dazu folgende Schritte durchlaufen werden:

Vertexshader -> Triangle Setup -> Rasterization -> Fragment-Shader -> ROPs

Als erstes werden über eine "Vertex Fetch Unit" Eckdaten (Vertizes; Mehrzahl von Vertex) für den Vertexshader eingelesen. Die Vertex Fetch Unit dient nur zum Lesen und Zwischenspeichern dieser Eckdaten. Der Vertexshader wendet auf diese Eckpunkte spezielle Programme (Vertexprogramme) an.

Mit diesen Programmen kann u.a. die Form eines Polygons verändert werden. Dazu werden einfach die Koordinaten eines Vertex verändert. Anschließend werden diese Eckpunkte zu so genannten "Primitiven" zusammengefaßt. Primitive sind in der Regel Dreiecke können aber auch Punkte oder Linien sein. Diese Primitive stellen so das geometrische Grundgerüst dar, mit denen die GPU ihre Berechnungen durchführt. In den Vertexeinheiten werden aber auch Koordinaten zur späteren Beleuchtung von Objekten berechnet.

Anmerkung:

Ein Vertex beschreibt den Eckpunkt eines Polygons. In der Mathematik wird das als Vektor bezeichnet. In der 3D Technik enthält ein Vertex neben den Punktkoordinaten zusätzlich noch Transparenzwerte und Farbwerte. Mehrere Vertizes können also auch Koordinaten für Texturen darstellen.

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