Como funcionam as placas de vídeo

Autor: 
Tracy V. Wilson and Jeff Tyson

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.

uma mão desenhada pelo computador

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.

uma imagem de uma placa gráfica
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 vídeo
As 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.

um 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.