图形处理芯片编年史详解

　　NECμPD7220图形显示控制器：第一个图形处理器芯片
　　1982年，NEC改变了新兴计算机图形市场的格局，其美国分公司NEC Information Systems推出了μPD7220图形显示控制器（GDC）（见下图）。该项目于1979年启动，并在1981年2月的IEEE国际固态威廉希尔官方网站 会议上发表了一篇论文。
　　在PC图形显示系统出现之前，有两大类型：高端CAD系统挂在大型IBM和DEC大型机上，低端微机系统则基于刚刚成熟的英特尔4004 CPU，这是PC的先驱。
　　VLSI技术蓬勃发展，拥有数量惊人的晶体管（30，000到40，000）的器件构建起了CMOS，NMOS的前身。CMOS价格昂贵且功能尺寸更大。NMOS芯片可以具有小至5微米的栅极。μPD7220采用5 V电源供电，功率为1.5 W，采用40引脚陶瓷封装。
　　该芯片集成了所有CRT控制功能（称为CRTC）以及弧形，线条，圆形和特殊字符的图形基元。GDC的复杂指令集，图形绘图和DMA传输功能可使处理器软件开销最小化。它可以驱动高达4Mb的位图图形内存，这在当时是相当多的。
　　在μPD7220之前，每个图形设备都有自己的绘图原语库，IBM的2250（1974）和Tektronix的4010（1972）是最受欢迎的。μPD7220建立了一个易于使用的低级指令集，应用程序开发人员可以轻松地将其嵌入到程序中，从而加快绘图时间。
　　该芯片迅速流行起来，并成为一些“哑”终端和图形终端的基础（“哑”终端是一个无法编程并只显示图像或文本的终端）。控制器可以支持1024 x 1024像素分辨率和四个颜色平面。一些系统使用多个7220来获得更多的颜色深度。1983年6月，英特尔推出了82720，它是μPD7220的克隆版。
　　1987年，μPD7220被更新的更快版本μPD72120取代。看到它的成功，以及新兴的计算机图形市场，日立和TI几年后也推出了图形处理器。

　　IBM的EGA和VGA启动了芯片克隆战争
　　IBM于1981年推出了基于英特尔8080的个人计算机（PC），它配备了一个称为彩色图形适配器（CGA）的附加板（AIB）（如下图所示）。CGA AIB具有16 KB的视频内存，可以驱动NTSC-TV监视器或专用的4位RGB CRT监视器，例如IBM 5153彩色显示器。它没有专用控制器，使用半打LSI芯片进行组装。中心的大芯片是CRT时序控制器（CRTC），通常是摩托罗拉的MC6845。
　　这些AIB长33厘米（13英寸），高10.7厘米（4.2英寸）。IBM 于1984年推出了第二代增强型图形适配器（EGA）（如下图所示），它取代并超越了CGA的功能。1987年，EGA被VGA取代。
　　EGA开创了一个新的行业。它不是一个集成芯片，但它的I / O记录良好，并且成为了历史上最易被克隆的AIB之一。在IBM推出EGA AIB一年后，“Chips and Technologies”推出了一个芯片组，它复制了IBM AIB可以做的事情。一年之内，低成本克隆版本占据了40％以上的市场份额。其他芯片公司如ATI，NSI，Paradise和Tseng Labs也生产了EGA克隆芯片，并推动了基于克隆的威廉希尔官方网站 板的爆炸式增长（如下图所示）。到1986年，有超过20家这样的供应商，而且名单一直在增长。Everex则获得了C＆T的许可，因此它可以为其PC生产EGA芯片。
　　EGA控制器真的没什么特别的。它提供640×350像素分辨率，16种颜色（来自64位颜色的6位调色板）和1：1.37的像素长宽比。它能够通过改变分辨率来调整帧缓冲器的输出宽高比，为其提供三种额外的硬连线显示模式：640 x 350分辨率，两种颜色，宽高比为1：1.37，640 x 200像素分辨率为16种颜色和1：2.4宽高比，320×200像素分辨率，16种颜色和1：1.2宽高比。一些EGA克隆版本扩展了EGA功能，包括640 x 400像素分辨率，640 x 480像素分辨率，甚至720 x 540像素分辨率，连接显示器的硬件检测以及与旧CGA显示器配合使用的特殊400线交错模式。
　　EGA的重大突破，以及它吸引如此多克隆的原因是：它的图形模式是位图平面，而不是上一代隔行扫描CGA和Hercules AIB。视频存储器分为四页（640×350像素分辨率，两种颜色，有两页）。
　　每个比特代表一个像素。如果红色页面中的某个位被启用，而其他页面中没有相应的位，则屏幕上的该位置会出现一个红色像素。如果该像素的所有其他位也被启用，它将变为白色，依此类推。
　　基于标准，EGA从基于字符的图形转移到真正的位图。类似于微型计算机的模块，如Commodore PET和Radio Shack TRS80，以及直接来自IMSI和Color Graphics的制造商，但他们没有使用集成的VLSI芯片。EGA是最后一个拥有数字输出的AIB，VGA带有模拟信号和更大的调色板。
　　PGA
　　在以前的文章中讨论的NEC 7220和Hitachi 63484 ACRTC进入了专业市场。IBM，行业领导者和标准制定者认可了这一点，并在同年推出了商用/消费类EGA，它还推出了专业的图形AIB PGA。PGA提供640×480像素的高分辨率，256种颜色，4，096种颜色的调色板。刷新率为60 Hz。与EGA一样，PGA也不是集成芯片。
　　8514
　　IBM于1987年停止使用PGA，取而代之的是更高分辨率的8514，并打破了AIB的首字母缩略词。8514可以生成1024×768像素，256色和43.5 Hz隔行扫描。8514是一项重大突破，是IBM首款集成高分辨率VLSI图形芯片。
　　VGA
　　IBM的视频图形阵列是在体积和寿命方面有史以来最重要的图形芯片。VGA于1987年与IBM PS / 2系列计算机以及8514一起推出。两个AIB共享一个输出连接器，几十年来成为VGA连接器的行业标准。VGA连接器是导致视频电子标准协会（VESA）于1989年成立的催化剂之一。
　　小结：
　　EGA实际上是基础控制器，后来成为商用和消费PC图形芯片。
　　到1984年，计算机市场已经整合为两个主要平台：PC和工作站。由于推出了PC，微型计算机在20世纪80年代初就已经消亡。游戏控制台仍然是基于电视的客厅设备，而称为服务器的大型机器正在取代大型机。超级计算机仍以每年三到四个的速度生产。所有这些机器都使用了某种类型的图形。然而，到1988年，他们都使用标准图形芯片，有时使用其中几种（如下图所示）。
　　图：随着集成EGA控制器的出现，AIB开始变小（旧计算机）
　　EGA规范是建立一些公司的催化剂，并且其他公司的成功也在增加。其中一家公司AMD收购了先锋图形公司ATI（和一家EGA克隆制造商）。

　　英特尔推出了首款独立显卡协处理器82786
　　英特尔看到了NEC的μPD7220，日立的HD63484以及IBM EGA的几个克隆等独立显卡控制器的成功。
　　1986年，该公司推出了82786 （如下图所示），作为智能图形协处理器，它将取代传统上使用分立元件或软件进行图形功能的子系统和威廉希尔官方网站 板。它被设计用于任何微处理器，包括Intel的16位80186和80286，以及32位的80386。
　　82786集成了一个图形处理器，可用于单个88引脚网格阵列或引线载波，它包含一个带CRT控制器的显示处理器，以及一个带有支持4 MB的DRAM / VRAM控制器的总线接口单元内存，包括图形和系统内存。
　　图形处理器（GP）和显示处理器（DP）是82786中的独立处理器（如下图所示）。总线接口单元（BIU）及其DRAM / VRAM控制器在图形处理器。
　　
　　图：英特尔82786图形控制器包括图形处理器和显示处理器
　　英特尔认为，82786的集成设计可以提高编程效率和整体性能，同时减少许多基于微处理器的图形应用程序（如个人计算机，工程工作站，终端和激光打印机）的开发和生产时间以及成本。
　　与英特尔微处理器，许多独立于设备的标准以及IBM个人计算机位图存储器格式的兼容性，再加上对国际字符集，多任务处理以及8位或16位主机的支持，使82786的编程变得很灵活。英特尔82786的功能适应许多设计。下面是82786的一些主要功能。
　　集成绘图引擎，具有高级计算机图形界面指令集
　　支持多个字符集（字体），可同时用于文本显示应用程序，快速图案填充和国际字符
　　硬件支持快速操作和在屏幕上显示多个窗口
　　DRAM / VRAM控制器支持高达4 MB的图形存储器，移位寄存器和DMA通道，支持顺序存取DRAM和双端口视频DRAM（VRAM）
　　系统和图形内存之间的快速位块传输（bitbit）
　　支持高达200 MHz的CRT或其他视频接口
　　每帧最多256个同步颜色
　　可编程视频定时
　　IBM个人计算机位图格式
　　使用25 MHz像素时钟支持高分辨率显示器使82786能够同时显示多达256种颜色，这在当时是一个很大的突破。英特尔表示，采用多个82786设计的系统或带有VRAM的单个82786可以支持几乎无限的颜色和分辨率。
　　82786的关键亮点是它的存储器结构，它可以访问由集成DRAM / VRAM控制器直接支持的图形存储器或驻留在CPU总线上的外部系统存储器。当82786访问系统内存时，它控制总线并在主模式下运行。该芯片还可以作为从器件运行，CPU访问82786图形存储器和内部寄存器。从软件的角度来看，82786以相同的方式访问图形和外部系统内存。但是，当82786访问自己的图形内存时，性能提高，因为82786 DRAM / VRAM控制器直接访问它而不会遇到与CPU的争用问题。
　　82786的另一个特性是位图组织。它取代了传统的位平面存储器模型，并使用顺序排序（线性存储器），利用DRAM或双端口视频DRAM（VRAM）的快速顺序存取模式来获得性能（如下图所示）。第一个商用VRAM是由德州仪器于1983年推出的，比82786早三年，并被各种图形插件板（AIB）供应商采用。
　　
　　图：DRAM具有单个数据端口，而VRAM是双端口
　　82786支持用于颜色的打包像素位图组织，其中每个像素的所有颜色位都存储在存储器中的相同字节中。在传统的位平面模型中，每个平面定义了单独的颜色信息。例如，4平面位图描述了具有四种颜色的位图。存储器的每个字节包含4平面位图中每个像素的一位颜色信息。在82786打包像素模型中，每个字节存储两个像素的数据。
　　芯片绘制了所有几何对象和字符，并在位图内和位图之间移动图像。GP创建并更新了位图，执行了由主机CPU放置在内存中的命令，并更新了DP的位图内存。GP高级命令提供了图形对象和文本的高速绘制。它独立于DP执行所有这些功能。
　　DP遍历GP或外部CPU生成的位图，组织数据，并在屏幕上以窗口的形式显示位图。DP有一个视频移位寄存器，可以在屏幕上从内存中的不同位图组合多个窗口，并在水平或垂直方向上缩放任何窗口。
　　本质上，DP作为地址生成器运行，访问存储器驻留位图的适当部分。从位图获取的数据被传递到DP CRT control1er，后者在屏幕上显示位图数据。DP CRT控制器生成并同步水平同步（HSync），垂直同步（VSync）和空白信号。DP独立于GP执行所有这些功能。
　　DP可以作为主机运作。或者基于水平同步（HSync）和垂直同步（VSync）信号的从机，它们通过CRT模式显示控制寄存器中的S（ync）位设置。当S位设置为1时，DP是从属设备，HSync和VSync信号作为输入。如果S位为O，则DP作为主站运行，HSync和VSync作为输出。
　　82786可以处理4 MB的内存。在那些日子里，大多数系统在至少两个段中划分存储器，对于使用DRAM / VRAM控制器的82786图形存储器和外部系统存储器。划分内存可以增强图形应用程序的性能。DRAM / VRAM控制器允许比外部系统内存更快地访问图形内存，因为它没有遇到来自CPU的争用问题。CPU同时访问系统内存并执行程序，而82786访问图形内存并执行其命令。
　　但是，当性能不是很关键时，82786和CPU可以与管理内存访问的集成82786 DRAM / VRAM控制器共享相同的内存。使用此配置，目标应用程序必须能够容忍系统内存的带宽减少。
　　英特尔将该芯片作为商用部件出售，独立的AIB供应商用它制造了威廉希尔官方网站 板。1987年，两家公司使用82786提供三个AIB，到1988年，十家公司使用该芯片提供了15个AIB。与进入市场的其他产品相比，该芯片并不是非常强大，最值得注意的是德州仪器的TSM34010，也不像IBM VGA及其众多克隆版本那样受欢迎。英特尔在1989年推出了82786的更新版本86486微处理器。

德州仪器的TMS34010：第一款可编程图形处理器芯片
　　1984年，德州仪器（TI）推出了VRAM，即TMS4161。TMS34010 （如下图所示）和VRAM是相关的。在此之前的TMS9918和两个16位CPU和工作内存带宽是一个关键问题。Guttag的团队与TI的MOS存储器小组达成了一项协议，即如果TI的存储器部门能够构建它，那么Guttag的团队将帮助定义VRAM的架构以在系统中工作。
　　在VRAM设计和34010 Guttag团队的发布之间，还开发了TMS34061，这是一个VRAM控制器，它比34010快得多。
　　1986年，TI推出了第一款可编程图形处理器集成威廉希尔官方网站 TMS34010。它是一个完整的32位处理器，包括面向图形的指令，因此它可以作为CPU和GPU的组合。该设计在TI公司位于英国贝德福德和德克萨斯州休斯顿的工厂进行。1985年12月，第一批芯片在休斯顿工作，1986年1月，第一批开发板被送到位于纽约金斯敦的IBM工作站.Karl Guttag也亲自在1986年1月向NeXT的Steve Jobs展示了34010 。
　　英特尔82786是在1986年5月TI TMS34010之后不久宣布的，并于第四季度上市。它是一个能够使用DRAM或VRAM的图形控制器，但它不像34010那样可编程。
　　除芯片外，TI还推出了新的软件接口 - 德州仪器图形架构（TIGA，如下图所示）。TI声称34010作为通用处理器在典型图形应用中比流行的英特尔80286更快。
　　
　　图：TMS34010引入了新的软件接口，德州仪器图形架构（TIGA）。
　　TIGA是TI创建的图形界面标准，它定义了图形处理器API的软件接口。使用此标准，为TIGA编写的任何软件都应在符合TIGA标准的图形接口卡上正常工作。
　　TIGA标准与分辨率和颜色深度无关，这提供了一定程度的未来验证。此标准专为高端图形而设计。
　　该芯片有几个专用的图形指令。它们在硬件中实现，由基本图形功能组成，例如填充像素阵列，绘制线条，像素块传输以及将点与窗口进行比较。
　　该芯片支持像素块传输，像素传输，透明度，平面掩蔽，像素处理，布尔处理示例，多位像素操作和窗口检查。
　　在x，y寻址模式中还有一个面向图形的寄存器。在这种模式下，寄存器以x，y形式保持像素的地址 - 屏幕上的像素笛卡尔坐标。该模式减轻了软件耗费时间的工作，即将每个像素的存储器地址映射到其屏幕位置。
　　该芯片是从头开始构建图形的（如下图所示）。它有30个32位寄存器，分为A组和B组。A是通用的，软件可以在计算过程中将它们用于临时存储。B是专门的;，它们保存了当前剪切窗口的位置和尺寸，以及当前的前景和背景颜色等信息。
　　
　　图：TMS34010内部架构突出了其微程序支持。
　　决定使用30个32位寄存器，而不是大多数机器上的16个或更少的寄存器是希望使时间关键功能运行得更快并且易于编程。寄存器到寄存器操作可以在用完高速缓存时在单个周期内完成，并且可以与存储器控制器完成先前开始的写周期并行发生。这种并行性自然发生在CPU正在计算写入一系列存储器位置的函数的例程中。在34010定义期间用作模型的示例是椭圆绘图例程，其中地址计算和数据值保存在寄存器文件中，并且要写入的像素被发送到存储器控制器。
　　该芯片的核心时钟频率为40 MHz，后来为50MHz，这在当时相当高，许多OEM会将芯片超频以获得一点性能差异。
　　与当时的所有图形控制器一样，芯片需要外部LUT-DAC进行色彩管理和CRT控制。当时最流行的LUT-DAC是Brooktree的478和TI的34075。例外的是Truevision，它使用TMS34010和真彩色帧缓冲器。
　　尽管TI计划将34010作为一个能够直接运行DOS或其他操作系统的独立系统处理器，但设计人员还在协处理环境中制定了特殊规定，为OEM提供了最大的灵活性。28个I / O寄存器映射到34010地址范围内的高存储单元。其中一些寄存器可由主处理器直接访问。硬件设计师很高兴看到这一点; 它使他们更容易设计一个微型计算机到34010接口。通过这些I / O寄存器，程序员的工作也变得更加容易，主机微计算机可以读取和写入协处理器板的存储器，停止34010，并在已知地址重新启动它，从而保持状态。
　　但是，TIGA没有被广泛采用。相反，VESA和Super VGA成为VGA之后PC图形设备的事实标准，并且几个AIB构建商在其主板上添加了VGA芯片以便与所有应用兼容。
　　微软最初并没有在他们的Windows界面中支持34010，但因为该芯片在显示列表处理方面做得非常出色，并且在Windows 2中更容易管理。当时Windows仍在大多数情况下通过低级命令操作。
　　Windows最初的结构是让主机完成所有绘图，这种技术在EGA和VGA上运行良好。IBM的8514 / A驱动程序在BLT‘ing方面做得非常出色，但不如34010在线绘图那样对CAD用户至关重要。尽管如此，微软对34010提出过批评，并说它的结构方式与2014基本图形功能上的8514 / A不一样。该公司后来发现那是主机端字体的内存管理。AIB应该用于绘图和颜色扩展，而字体应该在34010空间中缓存。
　　微软开始意识到AIB需要两到三个屏幕才能运行Windows应用程序 - Presentation Manager（PM）需要更多。当时，Windows并没有很好地处理位图。Windows 386通过允许应用程序在Windows中运行或从Windows运行来改进一些东西 - 允许同时为各种应用程序提供多个位图。
　　因此，微软宣布基于TI的AIB将能够通过TIGA获得新的Windows和PM驱动程序 - 它将成为TIGA软件包的一部分（如下图所示）。然而，Windows无法从线条绘图引擎中受益，当时微软建议客户不要将Windows与AutoCAD一起使用。
　　在那些年里，TMS34010有三个主要的市场需求动力：家庭的高端PC，VGA是主要标准的消费者和商用PC，以及各种游戏机和街机。TI在高端PC，街机和游戏机中表现出色，并且还用于科学仪器、航空电子设备和过程控制系统中的几个专用系统。
　　1991年，Guttag成为德州仪器公司的研究员。由于他在VRAM方面的开创性工作，他还获得了NCGA技术卓越奖。