In che modo il mio driver dello schermo gestisce così tanti dati?

Ho appena fatto alcuni rapidi calcoli:

Sul mio MacBook ho una risoluzione di 2560x1440 moltiplicata per 24 bit per i colori otteniamo 11,05 MB per una singola immagine o 663 MB al secondo a 60 fps .

Immagino che ci sia un po 'di compressione, ma per esempio quando mi muovo con tre dita sul mio touch pad è abbastanza casuale, cosa succede dopo sullo schermo e quasi ogni pixel cambia. Come con quasi ogni altra interazione.

Spiegare se i miei calcoli sono errati e come vengono trasferiti questi dati dalla mia scheda grafica allo schermo? Quanto sono grandi gli autobus tra la mia scheda grafica e il mio schermo? Forse spieghi in poche parole come un display memorizza i pixel? Registro dei turni? Cache?

I tuoi calcoli sono corretti in sostanza. Per un segnale a 1440p60Hz, una velocità dati di 5,8 Gbps è disponibile anche dopo aver concesso il tempo di oscuramento (bordo pixel non visibile nell'output dell'immagine).

Per HDMI / DVI, viene utilizzata una codifica 10 / 8b, il che significa in modo efficace sebbene si dica 24 bit di dati colore per pixel, in realtà viene inviato 30 bit quando i dati vengono codificati e vengono aggiunte parole di controllo del protocollo. Non viene eseguita alcuna compressione, i dati non elaborati vengono inviati, pertanto è necessario disporre di una larghezza di banda dei dati di 7,25 Gbps .

Ancora una volta guardando HDMI / DVI. Utilizza lo standard di segnalazione "TDMS" per il trasferimento dei dati. Lo standard HDMI V1.2 impone un massimo di 4,9 Gbps per un Single-Link (3 linee dati seriali + 1 linea di clock), o nel caso di Dual-Link DVI un massimo di 9,8 Gbps (6 linee dati seriali, penso ). Quindi c'è una larghezza di banda più che sufficiente per fare 1440p60 attraverso un DVI Dual-Link, ma non attraverso un HDMI V1.2.

Nello standard HDMI V1.3 (la maggior parte dei dispositivi ha in realtà saltato alla V1.4a che è la stessa larghezza di banda di 1.3), la larghezza di banda è stata raddoppiata a circa 10 Gbps che supporterebbe 1440p60, ed è anche abbastanza larghezza di banda per UHD a 30Hz (2160p30).

DisplayPort come un altro esempio ha 4 flussi di dati seriali, ciascuno capace (in V1.1) di 2,16 Gbps per flusso (tenendo conto della codifica), quindi con un collegamento V1.1 potresti fare facilmente 1440p60 con tutti e 4 i flussi. Hanno anche rilasciato un nuovo standard, V1.2 che raddoppia a 4,32 Gbps / stream consentendo UHD a 60Hz. Esiste ancora una versione più recente che hanno ulteriormente spinto a 6,4 Gbps / stream .

Inizialmente quelle cifre suonano enormi, ma in realtà non tanto quando si considera USB 3.0. È stato rilasciato con una velocità dati di 5 Gbps su un solo cavo (in realtà due, uno per TX, uno per RX, ma sto divagando). Il PCIe, che è quello che la scheda grafica utilizza internamente al giorno d'oggi, funziona fino a 8 Gbps attraverso una singola coppia differenziale, quindi non è poi così sorprendente che le interfacce dati esterne stiano raggiungendo.

Ma la domanda rimane: come si fa? Quando pensi a VGA, è composto da singoli fili per i dati R, G e B che vengono inviati in un formato analogico. L'analogico, come sappiamo, è altamente suscettibile al rumore e anche il throughput di DAC / ADC è limitato, quindi ciò limita enormemente ciò che è possibile passare attraverso di essi (detto che si può fare a malapena 1440p60Hz su VGA se si è fortunati).

Tuttavia, con gli standard moderni utilizziamo standard digitali che sono molto più immuni al rumore (devi solo distinguere tra alto e basso piuttosto che ogni valore in mezzo) e rimuovi anche la necessità di conversione tra analogico e digitale.

Inoltre, l'avvento dell'uso di standard differenziali su single ended aiuta in modo significativo perché ora si sta confrontando il valore tra due fili (+ ve differenza = 1, -ve differenza = 0) piuttosto che confrontare un singolo filo con una certa soglia. Ciò significa che l'attenuazione è meno un problema perché influenza entrambi i fili in modo uniforme e si attenua fino alla tensione del punto medio - l'occhio (differenza di tensione) diventa più piccolo, ma puoi ancora dire se è + ve o -ve pari se è solo 100mV o meno. I segnali a terminazione singola una volta che il segnale si attenua potrebbe scendere al di sotto della soglia e diventare indistinguibile anche se ha ancora 1 V o un'ampiezza maggiore.

Usando un collegamento seriale su uno parallelo, possiamo anche passare a velocità dati più elevate perché l'inclinazione cessa di essere un problema. In un bus parallelo, diciamo a 32 bit di larghezza, è necessario abbinare perfettamente le caratteristiche di lunghezza e propagazione di 32 cavi per evitare che i segnali si spostino fuori fase l'uno dall'altro (inclinazione). In un collegamento seriale hai un solo cavo, quindi l'inclinazione non può avvenire.

TL; DR I dati vengono inviati al bit rate completo calcolato (diversi Gbps), senza compressione. Ciò è reso possibile dalle moderne tecniche di segnalazione di collegamenti digitali serializzati su coppie differenziali.

I computer moderni sono sorprendentemente veloci. Le persone caricheranno felicemente video full HD 30fps senza rendersi conto che ciò comporta miliardi di operazioni aritmetiche al secondo. I giocatori tendono ad esserne leggermente più consapevoli; una GTX 1060 ti darà 4.4 TFLOPS ( trilioni di operazioni in virgola mobile al secondo).

Spiegare se i miei calcoli sono errati e come vengono trasferiti questi dati dalla mia scheda grafica allo schermo?

Quanto sono grandi gli autobus tra la mia scheda grafica e il mio schermo?

Un'altra risposta ha riguardato la natura multi-gigabit di HDMI, DisplayLink ecc.

Forse spieghi in poche parole come un display memorizza i pixel? Registro dei turni? Cache?

Il display stesso memorizza, in teoria, nessun dato di immagine.

(Alcuni display, in particolare i televisori, memorizzano un frame o due per applicare l'elaborazione delle immagini. Ciò aumenta la latenza ed è impopolare con i giocatori.)

Il sottosistema grafico di un computer memorizza i pixel nella normale DRAM. Di solito non ridisegna il tutto dal processore in ogni frame, ma trasferisce alcune funzionalità a sottosistemi dedicati e a un compositore . Un compositore consentirà ad esempio che ogni finestra del desktop sia memorizzata come un insieme distinto di pixel, che può quindi essere spostato, fatto scorrere o ingrandito dall'hardware dedicato. Questo diventa abbastanza ovvio con lo scorrimento su dispositivi mobili: puoi fare una breve strada fino a quando non esaurisci i pixel pre-calcolati "offscreen" e il software deve fermarsi e renderizzare un po 'di più i buffer del compositore.

I giochi vengono ridisegnati in ogni fotogramma e c'è molta letteratura su come viene costruita una scena. Questo è incorporato in un framebuffer sulla scheda grafica che viene quindi trasmesso mentre il frame successivo viene disegnato in un buffer diverso.

La decodifica video viene solitamente fornita anche a hardware dedicato, in particolare H.264.

Il collegamento tra la scheda display e il pannello LCD viene trasferito su diverse coppie differenziali ad alta velocità utilizzando la segnalazione TMDS , generalmente denominata "corsia". In genere vengono utilizzate quattro corsie, quindi si può dire che il bus è largo 4 bit. Per qualche dettaglio in più c'è una risposta di scambio dello stack .

Ogni modello di pannello LCD viene solitamente prodotto con diverse incarnazioni di interfaccia, quindi è necessario fare attenzione e osservare i suffissi quando si cerca di sostituire un pannello rotto. Il collegamento digitale più moderno (HDMI 1.4) ha 10,2 Gbps, o solo 2,5 Gbps per corsia. Nei tuoi calcoli (663 MBps) ammonta a 1,2 Gbps per corsia (presupponendo 4 corsie), il che non è molto (ad esempio SATA3 ha 6 Gbps).

AGGIUNTA su pannelli LCD. Il display LCD a matrice attiva in realtà tenta di memorizzare l'immagine del fotogramma (dati pixel) nei condensatori associati a "Twisted Nematic Cells" (quello che controlla la polarizzazione del film). Il problema è che la dimensione dei tappi di memoria analogici deve essere un compromesso tra tempo di memorizzazione e velocità dell'interruttore pixel. Quindi non può essere ingrandito, perde velocemente il potenziale immagazzinato e quindi richiede un aggiornamento periodico . Ogni cella di pixel è collegata con dati e linee di indirizzo tramite un transistor (elemento "attivo"), vedi questo articolo di Tomshardware . Il controller del driver LCD muliplexes i dati e le linee di indirizzo in modo riga per riga mantenendo così l'immagine visualizzata. L'immagine stessa è memorizzata in un frame buffer (RAM) all'interno del controller grafico.