Ekran Kartları Nasıl Çalışır?

Ekran Kartları Nasıl Çalışır?
Ekrandaki Görüntü Nasıl Oluşur?

Monitörünüze yeteri kadar yakından
bakarsanız görüntünün çok küçük noktalardan oluştuğunu görürsünüz. İşte bu
noktlara görüntünün en küçük birimi olan piksel diyoruz. Her pikselin kendine
ait renk ve yoğunluk bilgileri vardır. Daha genel bir tanımla piksel için
ekranın bağımsız olarak kontrol edilebilir en küçük parçası olduğunu
söyleyebiliriz. İşte bu piksellerden binlercesi bir araya gelerek ekrandaki
görüntüyü oluşturuyor.

Çözünürlük

Çözünürlüğün görüntü kalitesini
belirleyen en önemli faktör olduğunu söyleyebiliriz. Çözünürlük, ekrandaki
görüntünün kaç pikselden oluşacağını belirler ve yatay ve dikey piksel cinsinden
belirtilir (800×600,1024×768 gibi). Çözünürlük arttıkça görüntü birbirinden
bağımsız olarak kontrol edilebilen daha çok pikselden oluşur ve görüntü kalitesi
de yükselir.

Windows 95 ile hayatımıza giren "scaleable screen objects"
teknolojisi sayesinde çözünürlük arttıkça ekrandaki kullanılabilir alan da
artar. Windows ekranında çözünürlük ne olursa ekrandaki nesneleri oluşturan
piksel sayısı değişmez. Çözünürlük arttıkça pikseller de küçüleceği için
nesneler daha az yer kaplar ve masaüstündeki kullanılabilir alan çözünürlükle
doğru orantılı olarak artar.

Çözünürlük arttıkça yükselen görüntü
kalitesinin de bir bedeli var tabi ki: Çözünürlük yüseldikçe kontrol edilmesi
gereken piksel sayısı ve dolayısıyla da gerekli işlem gücü, ayrıca bu
piksellerin bilgilerini tutmak için gerekli bellek miktarıyla onların transferi
için gereken bellek bant genişliği artar. Bu yüzden de performans düşer.
Kullanmak istediğiniz çözünürlüğü hem ekran kartınız desteklemeli, hem de
monitörünüz fiziksel olarak gerekli sayıda pikseli ekranda
oluşturabilmeli.

Renk Derinliği

Piksellerin kendilerine ait
renklerinden bahsetmiştik, piksellerin alabileceği renkler kırmızı, yeşil ve
maviden türetilir. İşte renk derinliği bu renklerin miktarını belirler. Renk
derinliği ne kadar artarsa her pikselin alabileceği renk sayısı artar, renkler
gerçeğe daha yakın olur.

Renk derinliği bit cinsinden belirtilir,
işlemcilerle ilgili yazımızda bitlere kısaca değinmiştik. Her bit 1 ve 0 olarak
iki değer alabilir. 8 bit kullanıldığında bu bitlerden 28 = 256 kombinasyon
üretilir. Aynı şekilde 8 bit renk derinliğinde de her piksel için 256 renk
kullanılabilir.

İnsan gözünü aldatıp ekrandaki görüntüyü gerçek gibi
göstermek için kullanılan üç rengin de (kırmızı, yeşil ve mavi) 256`şar tonu
gereklidir, bu da renk başına 8 bitten 24 bit yapar. Bu moda True Colour (Gerçek
Renk) adı verilir. Fakat çoğu güncel ekran kartı görüntü belleğini kullanma
yöntemleri yüzünden pikselleri bu modda göstermek için 32 bite ihtiyaç duyarlar.
Kalan 8 bit alpha kanalı (piksellerin saydamlık bilgisini tutar) için
kullanılır.

High Colour (16 bit) modunda ise yeşil için altı ve maviyle
kırmızı için de beşer bit kullanılır. Yeşil için 64, maviyle kırmızı için de
renk başına 32 farklı yoğunluk vardır bu modda. Renk kalitesinde 32 bite göre
çok az fark olsa da piksel başına 4 yerine 2 byte (8 bit = 1 byte) hafıza
gerekeceğinden 32 bite göre performans avantajı sağlar.

256 renk (8 bit)
modu ilk duyuşta size renk fakiri izlenimi verebilir fakat renk paleti denen bir
yöntemle bu 8 bit olabilecek en verimli şekilde kullanılarak renk kalitesi biraz
arttırılır. Renk paletinin mantığı söyledir: Kullanılacak 256 renk gerçek renk
modundaki 3 bytelık renklerden seçilir ve bu renklerden bir renk paleti
oluşturulur. Her program ilgili paletteki 256 renkten istediğini seçip
kullanabilir. Böylece örneğin kırmızı için iki, mavi ve yeşil için de üçer bit
kullanılarak elde edilen renklerden daha canlı renkler elde edilebilir ve
elimizdeki 8 bit en verimli şekilde kullanılmış olur.

En çok kullanılan
üç renk modunu tanıdık, peki ekran kartımız üretemediği renklere ne yapıyor?
Sistemimizin 256 renge ayarlı olduğunu fakat 16 bitlik bir resim dosyası
açtığımızı varsayalım. Bu durumda hazırdaki renklerin değişik kombinasyonları
kullanılarak üretilemeyen renge yakın bir renk oluşturulur ve bu renk üretilmesi
gereken rengin yerine gösterilir. Buna dithering denir. Tabi ki dithering
yöntemiyle elde edilmiş bir resmin kalitesi orjinal resme göre göre çok daha
düşüktür.

Görüntü Arayüzleri

Önceleri ekrandaki piksellerin
adreslenmesi için bir standart olmadığından üreticiler de programcılar da
(dolayısıyla son kullanıcılar da) sorun yaşıyorlardı. Bu sorunu çözmek için
üreticiler VESA (Video Electronics Standarts Association) adında video
protokollerini standartlaştırmayı amaçlayan bir konsorsiyum oluşturdular. VGA
ile beraber geriye uyumluluk da sağlanarak çözünürlük sürekli arttı. VGA
öncesindekiler de dahil standartlara kısaca bir göz atalım:



* MDA
(Hercules): Monochrome Display Adapter, 1981 yılındaki ilk IBM PC`deki ekran
kartı. Ekranda yerleri önceden belirlenmiş olan 256 özel karakteri
gösterebilyordu sadece. 80 kolona 25 satırlık bir ekranda gösterebildiği yazı
karakterlerinin boyutları da önceden belirlenmişti ve grafik görüntülemek mümkün
değildi. IBM, bu kartlara ekstra slot masrafından kurtulmak için bir de yazıcı
bağlantı noktası eklemişti.
* CGA: Bu arayüzde ekran kartları RGB
monitörlerle çalışıp ekranı piksel piksel kontrol edebiliyorlardı. 320×240
çözünürlüğündeki bir ekranda 16 renk üretilebiliyor fakat aynı anda bunlardan
sadece 4 tanesi kullanılabiliyordu. 640×200`lük bir yüksek çözünürlük modu
vardır ama bu modda sadece 2 renk gösterilebiliyordu. Görüntü kalitesi kötü olsa
bile en azından grafik çizilebiliyordu. Zaman zaman piksellerin gidip gelmesi ve
ekranda rastgele noktalar oluşmasına rağmen bu standart çok uzun bir süre
kullanıldı.
* EGA: CGA`dan birkaç yıl sonra sırada Enhanced Graphics Adapter
vardı. CGA ile VGA arasındaki bu kartlar 1984`ten IBM`in ilk PS/2 sistemlerini
ürettiği 1987`ye kadar kullanıldı. EGA monitörle kullanıldığında üretilen 64
renkten aynı anda 16 tanesi kullanılabiliyordu. Yüksek çözünürlük ve monochrome
modları da vardı ,ayrıca eski CGA ve monochrome monitörlerle de uyumluydu. Bu
kartlardaki bir yenilik de bellek genişletme kartlarıydı. 64K bellekle satılan
bu kartları bellek genişletme kartıyla 128K`ya upgrade etmek mümkündü. Ek olarak
satılan IBM bellek kitiyle bir 128K daha eklemek de mümkündü. Sonraları bu
kartlar standart olarak 256K bellekle üretilmeye başlandı.
* PGA: IBM`in
1984`te piyasaya sürdüğü Professional Graphics Array adını hitap ettiği pazardan
alıyordu. 5000 dolara satılıyor ve entegre 8088 işlemcisiyle mühendislik
ugulamarıyla diğer alanlardaki bilimsel çalışmalar için 640×480 çözünürlükte 256
renkte saniyede 60 kare hızla 3 boyutlu animasyonları çalıştırabiliyordu. Fiyatı
yayılmasını engelledi ve fazla kullanılamadan piyasadan kalktı.
* MCGA:
1987`de piyasaya sürülen MultiColor Graphics Array standardındaki ekran kartları
teknolojide büyük bir sıçrama yaparak VGA ve SVGA`ya kadar gelen bir gelişimi
başlattı. IBM`in Model 25 ve Model 30 PS/2 PC`lerinde anakarta entegre halde
geliyordu. Uygun bir IBM monitörle kullanıldığında bütün CGA modlarını da
destekliyordu fakat TTL yerine analog sinyallerle çalıştığından daha önceki
standartlarla uyumlu değildi. TTL (Transistor – to –Transistor Logic) mantığında
voltaj seviyesine göre transistörler açılıp kapanır ve sadece 1 ve 0 değerleri
oluşur bunu sonucunda. Analog sinyallerdeyse bu kısıtlama yoktur. Analog
sinyalleşmenin de sağladığı avantajla MCGA arayüzüyle 256 renk üretilebiliyordu.
Bu arayüzle beraber 9 pinlik monitör bağlantısından halen kullanılmakta olan 15
pinlik bağlantıya geçildi.
* 8514/A: IBM`in MCA veriyoluyla kullanmak için
ortaya attığı bu arayüz zamanla yüksek tazeleme hızlarına çıktı. VGA ile aynı
monitörü kullanmasına rağmen VGA`dan farklı çalışıyordu. Bilgisayar ekran
kartına ne yapması gerektiğini söylüyordu ama ama ekran kartı onu nasıl
yapacağını kendisi ayarlıyordu. Örneğin ekrana bir çember çizileceği zaman
VGA`daki gibi işlemci görüntüyü piksel piksel hesaplayıp ekran kartına
yollamıyordu. Bunun yerine ekran kartına çember çizileceğini söylüyordu ve ekran
kartı da çemberi çizmek için piksel hesaplarını kendisi yapabiliyordu. Bu yüksek
seviyeli komutlar standart VGA ile komutlarından çok farklıydı. Bu standart
çıktığı zamanın daha ilerisindeydi ve VGA`dan daha kaliteli görüntü sonuyordu
ama fazla destek bulamadığı için yayılma imkanı bulamadan piyasan kalktı. IBM
üretimi durdurup aynı daha daha fazla renk gösterebilen XGA üzerine yoğunlaştı.
XGA 1990`da piyasaya çıktıktan sınra MicroChannelplatformları için standart
oldu.
* VGA: 2 Nisan 1987`de, MCGA ve 8514/A ile aynı günde IBM tarafından
tanıtılan Video Graphics Array aradan sıyrılarak masaüstü için standart olmayı
başardı. IBM yeni bilgisayarlarında bu chipleri anakarta entegre ederken eski
bilgisayarlarda da kullanılabilmeleri için 8 bitlik bir arayüzle anakarta
bağlanabilen bir ayrı bir kart halinde de geliştirdi. IBM üretimi durdurduktan
sonra bile değişik firmalar üretime devam ettiler. VGA ile 262144 renklik bir
paletten seçilen 256 renk aynı anda kullanılabiliyordu. 640×480`lik standart
çözünürlükte aynı anda 16 renk gösterilebiliyordu. Ayrıca 64 renk gri tonlama
ile siyah beyaz monitörlerde renk siğmilasyonu yapabiliyordu.
* SVGA: Super
VGA ilk SVGA kartlardan güncel kartlara kadar çok fazla kartı kapsayan geniş bir
standart. SVGA ile birlikte ekran kartları için aygıt sürücüsü kavramı ortaya
çıktı. Kartların yanında verilen sürücülerle ilşetim sistemleri kartların tüm
özelliklerini kullanabiliyorlardı. SVGA ile milyonlarca renk değişik
çözünürlüklerde gösterilebiliyor fakat bunun sınırları karta ve üreticiye bağlı.
SVGA değişik şirketler tarafından kullanılan ortak bir kavram olduğundan
başlarda eski standartlar gibi çok katı sınırları yoktu. Bunun üzerine VESA bir
SVGA standardı belirledi. VESA BIOS Extension adında standart bir arayüz
belirlendi ve bu sayede programcılar her kart için ayrı kod yazma zahmetinden
kurtuldular. Üreticiler bu arayüzü benimsemek istemediler ve başlarda kartların
yanında verilen ve her boot işleminden sonra çalıştırılan bir programla
kartlarını bu BIOS uzantılarıyla uyumlu hale getirdiler fakat sonunda bunu
kartların BIOS`larına entegre ettiler. SVGA ile 800×600 çözünürlüğe çıkıldı.




SVGA'dan sonra IBM XGA
ile 1024×768 çözünürlüğe geçerken sonraki basamak olan 1280×1024`e de bir VESA
standardı olan SXGA ile geçildi. Sonra da UXGA ile de 1600×1200 çöznürlüğe
geçildi. Çözünürlükteki 4:3 oranı sadece SXGA ile bozuldu, bu standartta oran
5:4`tür.

En Temel Bileşenleriyle Bir Ekran Kartı



Bir ekran kartı temel
olarak 3 bileşenden oluşur: Grafik işlemcisi, bellek ve RAMDAC.



*
Grafik İşlemcisi: Güncel kartlar için grafik işlemcisi görüntü hesaplamalarını
yapmak için ekran kartının üzerine oturtulmuş bir CPU`dur dersek yanlış olmaz.
Son zamanlarda grafik işlemcileri yapı ve karmaşıklık bakımından CPU`ları
solladılar ve işlev bakımından da görüntü üzerine yoğunlaşmış bir CPU niteliğine
kavuştular. CPU`ya neredeyse hiç yük bindirmeden üç boyutlu işlemcleri tek
başlarına tamamlayabiliyorlar artık. Bu yüzden de güncel grafik işlemcileri GPU
(Graphics Processing Unit - Grafik İşlemci Birimi) adıyla anılıyorlar.
*
Görüntü Belleği: Ekran kartının üzerinde bulunur ve görüntü hesaplamalarıyla
ilgili veriler burada saklanır. Sisteminizdeki ana bellek gibi çalışır, yalnız
burada bu belleğin muhattabı CPU değil görüntü işlemcisidir. Önceleri ekran
kartlarının ayrı bellekleri yoktu fakat görüntü işlemcileri hızlanıp geliştikçe
ekran kartları sistemden yavaş yavaş bağımsızlıklarını ilan etmeye başladılar.
Bellek miktarı kadar ekran kartının sıkıştırma algoritmalarıyla bu belleği ne
kadar verimli kullanabildiği de önemlidir.
* RAMDAC: Monitörlerdeki analog
sinyallerden bahsetmiştik, işte RAMDAC (RAM Dijital-to-Analog Converter) görüntü
belleğindeki verileri analog RGB (Red Green Blue, monitörde renklerin bu üç
renkten türetildiğini yazmıştık) sinyallerine çevirerek monitör çıkışına verir.
Monitörde kullanılan üç ana renk için de birer RAMDAC ünitesi vardır ve bunlar
her saniye belirli bir sayıda görüntü belleğini tarayıp oradaki verileri analog
sinyallere dönüştürürler. RAMDAC`in bu işlemi ne kadar hızlı yapabildiği ekran
tazeleme hızını belirler. Bu hız Hz cinsinden belirtilir ve ekrandaki görüntünün
saniyede kaç kere yenilendiğini gösterir. Örneğin monitörünüz 60 Hz`te
çalışıyorsa gördüğünüz görüntü saniyede 60 kere yenilenir. Ekran tazeleme hızını
mümkün olduğu kadar 85 Hz`in altına çekmemenizi öneririm, daha düşük tazeleme
hızları göz sağlığınız için zararlı olabilir. Tabi bu gözünüzün ne kadar hassas
olduğuna da bağlı, bazı gözler 75 ve 85 Hz arasındaki farkı hissedemezken
bazıları ilk bakışta bunu anlayabilir. RAMDAC`in iç yapısı ve özellikleri hangi
çözünürlükte ne kadar rengin gösterilebileceğini de belirler.

LCD
ekranlar yapıları gereği dijtal olduklarından RAMDAC`ten değil de direk görüntü
belleğinden görüntü bilgisini alıp kullanabilirler. Bunun için DVI (Digital
Video Interface) adında özel bir bağlantı kullanırlar. Bu konuya ileride
"Monitörler Nasıl Çalışır?" yazısında detaylı olarak değineceğiz.
* BIOS:
Ekran kartlarının da birer BIOS'ları vardır. Burada ekran kartının çalışma
parametreleri, temel sistem fontları kayıtlıdır. Ayrıca bu BIOS sistem açılırken
ekran kartına ve onun belleğine de küçük bir test yapar.