Wie genau funktioniert eine Grafikkarte? Funktionsweise einer Grafikkarte

Wie eine Grafikkarte genau funktioniert, interessiert vielleicht den ein oder anderen, der sich überlegt eine neue bzw. bessere Grafikkarte anzuschaffen. Insbesondere, wenn man den PC zum Spielen verwendet, sollte man wissen, wie eine Grafikkarte ungefähr funktioniert, um eine leistungsstarke Grafikkarte zu finden.

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Die Hauptaufgabe der Grafikkarte ist es, die Daten vom Hauptprozessor so umzuwandeln, dass diese als Bild auf dem Monitor dargestellt werden können. Dabei spielen verschiedene Berechnungen eine entscheidende Rolle und die Umwandlung der Daten erfolgt in verschiedenen Teilschritten. Wie letztendlich ein Bild mit der mithilfe der Grafikkarte produziert wird, werden wir Ihnen in diesem Beitrag erklären.

Wie produziert eine Grafikkarte ein Bild?
Bevor ein Bild dargestellt werden kann, muss zunächst ein Signal ausgegeben werden. Dieses Signal kommt von einer Software, die durch den Hauptprozessor (CPU) ausgeführt wird und genau dort beginnt die Berechnung des Bildes, so z.B. auch in einem Spiel oder einem Bildbearbeitungsprogramm. Die Programmcodes der Software enthalten Befehle und Anweisungen für die genaue Darstellung der jeweiligen Bildinformationen, diese werde innerhalb der Programmcodes abgearbeitet und anschließend an das Betriebssystem übergeben.

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Programmierschnittstellen & Grafikkarten-Treiber
Damit das Betriebssystem diese Befehle für die Darstellung der Bildinformationen richtig interpretieren kann, benötigt es Programmierschnittstellen, die für die Verarbeitung im Multimediabereich zuständig sind. Dies wären z.B. DirectX oder OpenGL, sie stehen beim Betriebssystem für die weitere Verarbeitung multimedialer Inhalte zur Verfügung. Nach dem z.B. DirectX die Bildinformationen richtig interpretiert hat, werden die Befehle von dort aus an den Grafikkarten-Treiber weitergeleitet, der diese Befehle dann übersetzt. Ein Treiber dient generell als Schnittstellen zwischen Hardware und Software. Sobald die Befehle dann vom Grafikkarten-Treiber übersetzt wurden, werden sie von der Grafikkarte ausgeführt.

Ohne eigenen Grafikkarten-Treiber für das Betriebssystem kann eine Grafikkarte nicht optimal arbeiten und ihre Bestleistung erreichen. Es kann sogar sein, dass Fehler bei der Darstellung des Bildes auf dem Monitor auftreten können, wenn nicht der richtige Treiber verwendet wird. Die meisten Betriebssysteme bieten zwar Standard-Treiber an, diese aber unterstützen eher veraltete Funktionen, deshalb ist zu empfehlen, immer den aktuellsten Grafikkarten-Treiber zu verwenden.

Pixel, Grafikpipelines & Shader
Nachdem alle Befehle an die Grafikkarte übermittelt wurden, kommt es jetzt zur Darstellung des Bildes. Die einzelnen Pixel werden anhand der Bildinformationen in sogenannten "Pipelines" nacheinander verarbeitet. Eine "Computergrafik-Pipeline" oder einfach "Grafikpipeline", ist eine Modellvorstellung in der Computergrafik, die beschreibt, welche Schritte ein Grafiksystem zum Rendern, also zur Darstellung einer 3D-Szene auf einem Bildschirm, durchführen muss.
Eine Grafikpipeline lässt sich in drei große Schritte aufteilen: Anwendung, Geometrie und Rasterung.

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Optimal ist es, wenn mehrere Pipelines zur Verfügung stehen, denn dann können mehrere Bearbeitungsschritte parallel ablaufen, so kann anschließend der Bildaufbau schneller erfolgen.

Die Shader, welche sich innerhalb der Grafikpipelines befinden, verleihen den Pixelflächen Farben und geometrische Formen. Vor allem bei grafischen Effekten kommen die Shader zum Einsatz.

Grafikspeicher & GPU
Wenn dann abschließend das einzelne Bild vollständig geladen ist, fängt die Grafikkarte damit an, das neue Bild in der gleichen Reihenfolge, wie oben beschrieben, zu berechnen. So wird Bild für Bild gerendert, was dafür sorgt das Animationen (Bewegtbilder) sichtbar werden.

Die Texturen und die Shader-Programme bleiben im Grafikspeicher der Grafikkarte erhalten, wenn die GPU (Grafikprozessor) diese im nächsten Bild erneut benötigt. Die neuen Daten, die übermittelt wurden, werden dann nur ergänzt, wenn beispielsweise andere Objekte oder Details im Bild auftauchen.

Kurzgefasst
Die Beschreibung der Funktionsweise einer Grafikkarte muss nicht unbedingt für jeden leicht verständlich sein. Hier kann man deshalb noch mal den Funktionsablauf einer Grafikkarte in kurzen bzw. vereinfachten Schritten betrachten:

  • CPU auf dem Mainboard berechnet Bildinformationen
  • Über die BUS-Schnittstelle Weiterleitung der Bildinformationen an die Grafikkarte bzw. direkt an den Grafikkartenchip
  • Verarbeiten der Bildinformationen in der GPU (Grafikkartenchip bzw. Grafikprozessor)
  • Ablegen der Bildinformationen im Grafikspeicher
  • RAM-DAC ließt Grafikspeicher ein und wandelt die digitalen Signale um, direkte Weiterleitung der digitalen Signale an den Monitor
  • Kontinuierliche Signalweiterleitung an den Monitor

Erklärungsvideo
Für die, die mehr über die Funktionsweise einer Grafikkarte erfahren möchten, haben wir zusätzlich ein Video hinzugefügt. In diesem Video wird sehr anschaulich erklärt, was eine Grafikkarte ist und wie sie genau funktioniert.


Fazit
Zusammenfassend kann man sagen, dass die Funktionen einer Grafikkarte die Systemleistung und Eigenschaften eines Computers maßgeblich bestimmten. Die Leistung ist jedoch nur bei umfangreichen Grafikdarstellungen, wie bei Computerspielen oder Bildbearbeitungsprogrammen relevant.


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