圖形處理晶元編年史

來源：本文由公眾號半導體行業觀察（ID：icbank）翻譯自「electronicdesign」，作者：Jon Peddie, William Wong, James Morra，謝謝。

圖形控制器幾乎從一開始就成為計算機系統的重要組成部分，並且從提供對低解析度顯示器的有限支持，到提供實時光線跟蹤支持的平台，一直在穩步發展。早期，顯示控制器的許多功能始於PC，以支持遊戲和其他應用程序。這些技術後來被遷移到手機，以及超級計算機中。

本文從NEC的μPD7220圖形顯示控制器開始，介紹了歷史上多款具有里程碑意義的圖形處理晶元。

1、NECμPD7220圖形顯示控制器：第一個圖形處理器晶元

1982年，NEC改變了新興計算機圖形市場的格局，其美國分公司NEC Information Systems推出了μPD7220圖形顯示控制器（GDC）（見下圖）。該項目於1979年啟動，並在1981年2月的IEEE國際固態電路會議上發表了一篇論文。

圖：NEC的μPD7220是第一款集成圖形控制器晶元（Drahtlos，Wikipedia）

在PC圖形顯示系統出現之前，有兩大類型：高端CAD系統掛在大型IBM和DEC大型機上，低端微機系統則基於剛剛成熟的英特爾4004 CPU，這是PC的先驅。

VLSI技術蓬勃發展，擁有數量驚人的晶體管（30,000到40,000）的器件構建起了CMOS，NMOS的前身。CMOS價格昂貴且功能尺寸更大。NMOS晶元可以具有小至5微米的柵極。μPD7220採用5 V電源供電，功率為1.5 W，採用40引腳陶瓷封裝。

該晶元集成了所有CRT控制功能（稱為CRTC）以及弧形，線條，圓形和特殊字元的圖形基元。GDC的複雜指令集，圖形繪圖和DMA傳輸功能可使處理器軟體開銷最小化。它可以驅動高達4Mb的點陣圖圖形內存，這在當時是相當多的。

在μPD7220之前，每個圖形設備都有自己的繪圖原語庫，IBM的2250（1974）和Tektronix的4010（1972）是最受歡迎的。μPD7220建立了一個易於使用的低級指令集，應用程序開發人員可以輕鬆地將其嵌入到程序中，從而加快繪圖時間。

該晶元迅速流行起來，並成為一些「啞」終端和圖形終端的基礎（「啞」終端是一個無法編程並只顯示圖像或文本的終端）。控制器可以支持1024 x 1024像素解析度和四個顏色平面。一些系統使用多個7220來獲得更多的顏色深度。1983年6月，英特爾推出了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，以及新興的計算機圖形市場，日立和TI幾年後也推出了圖形處理器。

2、IBM的EGA和VGA啟動了晶元克隆戰爭

IBM於1981年推出了基於英特爾8080的個人計算機（PC），它配備了一個稱為彩色圖形適配器（CGA）的附加板（AIB）（如下圖所示）。CGA AIB具有16 KB的視頻內存，可以驅動NTSC-TV監視器或專用的4位RGB CRT監視器，例如IBM 5153彩色顯示器。它沒有專用控制器，使用半打LSI晶元進行組裝。中心的大晶元是CRT時序控制器（CRTC），通常是摩托羅拉的MC6845。

圖：CGA附加板和16KB的視頻內存（hiteched）

這些AIB長33厘米（13英寸），高10.7厘米（4.2英寸）。IBM 於1984年推出了第二代增強型圖形適配器（EGA）（如下圖所示），它取代並超越了CGA的功能。1987年，EGA被VGA取代。

圖：IBM的EGA插件板取代了CGA。注意形狀因子和布局與CGA的相似性

EGA開創了一個新的行業。它不是一個集成晶元，但它的I / O記錄良好，並且成為了歷史上最易被克隆的AIB之一。在IBM推出EGA AIB一年後，「Chips and Technologies」推出了一個晶元組，它複製了IBM AIB可以做的事情。一年之內，低成本克隆版本佔據了40％以上的市場份額。其他晶元公司如ATI，NSI，Paradise和Tseng Labs也生產了EGA克隆晶元，並推動了基於克隆的電路板的爆炸式增長（如下圖所示）。到1986年，有超過20家這樣的供應商，而且名單一直在增長。Everex則獲得了C＆T的許可，因此它可以為其PC生產EGA晶元。

圖：隨著集成EGA控制器的出現，AIB開始變小（舊計算機）

EGA控制器真的沒什麼特別的。它提供640×350像素解析度，16種顏色（來自64位顏色的6位調色板）和1：1.37的像素長寬比。它能夠通過改變解析度來調整幀緩衝器的輸出寬高比，為其提供三種額外的硬連線顯示模式：640 x 350解析度，兩種顏色，寬高比為1：1.37,640 x 200像素解析度為16種顏色和1：2.4寬高比，320×200像素解析度，16種顏色和1：1.2寬高比。一些EGA克隆版本擴展了EGA功能，包括640 x 400像素解析度，640 x 480像素解析度，甚至720 x 540像素解析度，連接顯示器的硬體檢測以及與舊CGA顯示器配合使用的特殊400線交錯模式。

EGA的重大突破，以及它吸引如此多克隆的原因是：它的圖形模式是點陣圖平面，而不是上一代隔行掃描CGA和Hercules AIB。視頻存儲器分為四頁（640×350像素解析度，兩種顏色，有兩頁）。

每個比特代表一個像素。如果紅色頁面中的某個位被啟用，而其他頁面中沒有相應的位，則屏幕上的該位置會出現一個紅色像素。如果該像素的所有其他位也被啟用，它將變為白色，依此類推。

基於標準，EGA從基於字元的圖形轉移到真正的點陣圖。類似於微型計算機的模塊，如Commodore PET和Radio Shack TRS80，以及直接來自IMSI和Color Graphics的製造商，但他們沒有使用集成的VLSI晶元。EGA是最後一個擁有數字輸出的AIB，VGA帶有模擬信號和更大的調色板。

在以前的文章中討論的NEC 7220和Hitachi 63484 ACRTC進入了專業市場。IBM，行業領導者和標準制定者認可了這一點，並在同年推出了商用/消費類EGA，它還推出了專業的圖形AIB PGA。PGA提供640×480像素的高解析度，256種顏色，4,096種顏色的調色板。刷新率為60 Hz。與EGA一樣，PGA也不是集成晶元。

IBM於1987年停止使用PGA，取而代之的是更高解析度的8514，並打破了AIB的首字母縮略詞。8514可以生成1024×768像素，256色和43.5 Hz隔行掃描。8514是一項重大突破，是IBM首款集成高解析度VLSI圖形晶元。

IBM的視頻圖形陣列是在體積和壽命方面有史以來最重要的圖形晶元。VGA於1987年與IBM PS / 2系列計算機以及8514一起推出。兩個AIB共享一個輸出連接器，幾十年來成為VGA連接器的行業標準。VGA連接器是導致視頻電子標準協會（VESA）於1989年成立的催化劑之一。

小結：

EGA實際上是基礎控制器，後來成為商用和消費PC圖形晶元。

到1984年，計算機市場已經整合為兩個主要平台：PC和工作站。由於推出了PC，微型計算機在20世紀80年代初就已經消亡。遊戲控制台仍然是基於電視的客廳設備，而稱為伺服器的大型機器正在取代大型機。超級計算機仍以每年三到四個的速度生產。所有這些機器都使用了某種類型的圖形。然而，到1988年，他們都使用標準圖形晶元，有時使用其中幾種（如下圖所示）。

圖：隨著集成EGA控制器的出現，AIB開始變小（舊計算機）

EGA規範是建立一些公司的催化劑，並且其他公司的成功也在增加。其中一家公司AMD收購了先鋒圖形公司ATI（和一家EGA克隆製造商）。

3、英特爾推出了首款獨立顯卡協處理器82786

英特爾看到了NEC的μPD7220，日立的HD63484以及IBM EGA的幾個克隆等獨立顯卡控制器的成功。

1986年，該公司推出了82786 （如下圖所示），作為智能圖形協處理器，它將取代傳統上使用分立元件或軟體進行圖形功能的子系統和電路板。它被設計用於任何微處理器，包括Intel的16位80186和80286，以及32位的80386。

圖：英特爾82786是第一款支持硬體多窗口的圖形晶元（Source Commons.wikipedia.org）

82786集成了一個圖形處理器，可用於單個88引腳網格陣列或引線載波，它包含一個帶CRT控制器的顯示處理器，以及一個帶有支持4 MB的DRAM / VRAM控制器的匯流排介面單元內存，包括圖形和系統內存。

圖形處理器（GP）和顯示處理器（DP）是82786中的獨立處理器（如下圖所示）。匯流排介面單元（BIU）及其DRAM / VRAM控制器在圖形處理器。

圖：英特爾82786圖形控制器包括圖形處理器和顯示處理器

英特爾認為，82786的集成設計可以提高編程效率和整體性能，同時減少許多基於微處理器的圖形應用程序（如個人計算機，工程工作站，終端和激光印表機）的開發和生產時間以及成本。

與英特爾微處理器，許多獨立於設備的標準以及IBM個人計算機點陣圖存儲器格式的兼容性，再加上對國際字符集，多任務處理以及8位或16位主機的支持，使82786的編程變得很靈活。英特爾82786的功能適應許多設計。下面是82786的一些主要功能。

• 集成繪圖引擎，具有高級計算機圖形界面指令集

• 支持多個字符集（字體），可同時用於文本顯示應用程序，快速圖案填充和國際字元

• 硬體支持快速操作和在屏幕上顯示多個窗口

• DRAM / VRAM控制器支持高達4 MB的圖形存儲器，移位寄存器和DMA通道，支持順序存取DRAM和雙埠視頻DRAM（VRAM）

• 系統和圖形內存之間的快速位塊傳輸（bitbit）

• 支持高達200 MHz的CRT或其他視頻介面

• 每幀最多256個同步顏色

• 可編程視頻定時

• IBM個人計算機點陣圖格式

使用25 MHz像素時鐘支持高解析度顯示器使82786能夠同時顯示多達256種顏色，這在當時是一個很大的突破。英特爾表示，採用多個82786設計的系統或帶有VRAM的單個82786可以支持幾乎無限的顏色和解析度。

82786的關鍵亮點是它的存儲器結構，它可以訪問由集成DRAM / VRAM控制器直接支持的圖形存儲器或駐留在CPU匯流排上的外部系統存儲器。當82786訪問系統內存時，它控制匯流排並在主模式下運行。該晶元還可以作為從器件運行，CPU訪問82786圖形存儲器和內部寄存器。從軟體的角度來看，82786以相同的方式訪問圖形和外部系統內存。但是，當82786訪問自己的圖形內存時，性能提高，因為82786 DRAM / VRAM控制器直接訪問它而不會遇到與CPU的爭用問題。

82786的另一個特性是點陣圖組織。它取代了傳統的位平面存儲器模型，並使用順序排序（線性存儲器），利用DRAM或雙埠視頻DRAM（VRAM）的快速順序存取模式來獲得性能（如下圖所示）。第一個商用VRAM是由德州儀器於1983年推出的，比82786早三年，並被各種圖形插件板（AIB）供應商採用。

圖：DRAM具有單個數據埠，而VRAM是雙埠

82786支持用於顏色的打包像素點陣圖組織，其中每個像素的所有顏色位都存儲在存儲器中的相同位元組中。在傳統的位平面模型中，每個平面定義了單獨的顏色信息。例如，4平面點陣圖描述了具有四種顏色的點陣圖。存儲器的每個位元組包含4平面點陣圖中每個像素的一位顏色信息。在82786打包像素模型中，每個位元組存儲兩個像素的數據。

晶元繪製了所有幾何對象和字元，並在點陣圖內和點陣圖之間移動圖像。GP創建並更新了點陣圖，執行了由主機CPU放置在內存中的命令，並更新了DP的點陣圖內存。GP高級命令提供了圖形對象和文本的高速繪製。它獨立於DP執行所有這些功能。

DP遍歷GP或外部CPU生成的點陣圖，組織數據，並在屏幕上以窗口的形式顯示點陣圖。DP有一個視頻移位寄存器，可以在屏幕上從內存中的不同點陣圖組合多個窗口，並在水平或垂直方向上縮放任何窗口。

本質上，DP作為地址生成器運行，訪問存儲器駐留點陣圖的適當部分。從點陣圖獲取的數據被傳遞到DP CRT control1er，後者在屏幕上顯示點陣圖數據。DP CRT控制器生成並同步水平同步（HSync），垂直同步（VSync）和空白信號。DP獨立於GP執行所有這些功能。

DP可以作為主機運作。或者基於水平同步（HSync）和垂直同步（VSync）信號的從機，它們通過CRT模式顯示控制寄存器中的S（ync）位設置。當S位設置為1時，DP是從屬設備，HSync和VSync信號作為輸入。如果S位為O，則DP作為主站運行，HSync和VSync作為輸出。

82786可以處理4 MB的內存。在那些日子裡，大多數系統在至少兩個段中劃分存儲器，對於使用DRAM / VRAM控制器的82786圖形存儲器和外部系統存儲器。劃分內存可以增強圖形應用程序的性能。DRAM / VRAM控制器允許比外部系統內存更快地訪問圖形內存，因為它沒有遇到來自CPU的爭用問題。CPU同時訪問系統內存並執行程序，而82786訪問圖形內存並執行其命令。

但是，當性能不是很關鍵時，82786和CPU可以與管理內存訪問的集成82786 DRAM / VRAM控制器共享相同的內存。使用此配置，目標應用程序必須能夠容忍系統內存的帶寬減少。

英特爾將該晶元作為商用部件出售，獨立的AIB供應商用它製造了電路板。1987年，兩家公司使用82786提供三個AIB，到1988年，十家公司使用該晶元提供了15個AIB。與進入市場的其他產品相比，該晶元並不是非常強大，最值得注意的是德州儀器的TSM34010，也不像IBM VGA及其眾多克隆版本那樣受歡迎。英特爾在1989年推出了82786的更新版本86486微處理器。

4、德州儀器的TMS34010：第一款可編程圖形處理器晶元

1984年，德州儀器（TI）推出了VRAM，即TMS4161。TMS34010 （如下圖所示）和VRAM是相關的。在此之前的TMS9918和兩個16位CPU和工作內存帶寬是一個關鍵問題。Guttag的團隊與TI的MOS存儲器小組達成了一項協議，即如果TI的存儲器部門能夠構建它，那麼Guttag的團隊將幫助定義VRAM的架構以在系統中工作。

圖：德州儀器的TMS34010圖形系統處理器是第一款可編程圖形晶元。

在VRAM設計和34010 Guttag團隊的發布之間，還開發了TMS34061，這是一個VRAM控制器，它比34010快得多。

1986年，TI推出了第一款可編程圖形處理器集成電路TMS34010。它是一個完整的32位處理器，包括面向圖形的指令，因此它可以作為CPU和GPU的組合。該設計在TI公司位於英國貝德福德和德克薩斯州休斯頓的工廠進行。1985年12月，第一批晶元在休斯頓工作，1986年1月，第一批開發板被送到位於紐約金斯敦的IBM工作站.Karl Guttag也親自在1986年1月向NeXT的Steve Jobs展示了34010 。

英特爾82786是在1986年5月TI TMS34010之後不久宣布的，並於第四季度上市。它是一個能夠使用DRAM或VRAM的圖形控制器，但它不像34010那樣可編程。

除晶元外，TI還推出了新的軟體介面 - 德州儀器圖形架構（TIGA，如下圖所示）。TI聲稱34010作為通用處理器在典型圖形應用中比流行的英特爾80286更快。

圖：TMS34010引入了新的軟體介面，德州儀器圖形架構（TIGA）。

TIGA是TI創建的圖形界面標準，它定義了圖形處理器API的軟體介面。使用此標準，為TIGA編寫的任何軟體都應在符合TIGA標準的圖形介面卡上正常工作。

TIGA標準與解析度和顏色深度無關，這提供了一定程度的未來驗證。此標準專為高端圖形而設計。

該晶元有幾個專用的圖形指令。它們在硬體中實現，由基本圖形功能組成，例如填充像素陣列，繪製線條，像素塊傳輸以及將點與窗口進行比較。

該晶元支持像素塊傳輸，像素傳輸，透明度，平面掩蔽，像素處理，布爾處理示例，多位像素操作和窗口檢查。

在x，y定址模式中還有一個面向圖形的寄存器。在這種模式下，寄存器以x，y形式保持像素的地址 - 屏幕上的像素笛卡爾坐標。該模式減輕了軟體耗費時間的工作，即將每個像素的存儲器地址映射到其屏幕位置。

該晶元是從頭開始構建圖形的（如下圖所示）。它有30個32位寄存器，分為A組和B組。A是通用的，軟體可以在計算過程中將它們用於臨時存儲。B是專門的;，它們保存了當前剪切窗口的位置和尺寸，以及當前的前景和背景顏色等信息。

圖：TMS34010內部架構突出了其微程序支持。

決定使用30個32位寄存器，而不是大多數機器上的16個或更少的寄存器是希望使時間關鍵功能運行得更快並且易於編程。寄存器到寄存器操作可以在用完高速緩存時在單個周期內完成，並且可以與存儲器控制器完成先前開始的寫周期並行發生。這種並行性自然發生在CPU正在計算寫入一系列存儲器位置的函數的常式中。在34010定義期間用作模型的示例是橢圓繪圖常式，其中地址計算和數據值保存在寄存器文件中，並且要寫入的像素被發送到存儲器控制器。

該晶元的核心時鐘頻率為40 MHz，後來為50MHz，這在當時相當高，許多OEM會將晶元超頻以獲得一點性能差異。

與當時的所有圖形控制器一樣，晶元需要外部LUT-DAC進行色彩管理和CRT控制。當時最流行的LUT-DAC是Brooktree的478和TI的34075。例外的是Truevision，它使用TMS34010和真彩色幀緩衝器。

儘管TI計劃將34010作為一個能夠直接運行DOS或其他操作系統的獨立系統處理器，但設計人員還在協處理環境中制定了特殊規定，為OEM提供了最大的靈活性。28個I / O寄存器映射到34010地址範圍內的高存儲單元。其中一些寄存器可由主處理器直接訪問。硬體設計師很高興看到這一點; 它使他們更容易設計一個微型計算機到34010介面。通過這些I / O寄存器，程序員的工作也變得更加容易，主機微計算機可以讀取和寫入協處理器板的存儲器，停止34010，並在已知地址重新啟動它，從而保持狀態。

但是，TIGA沒有被廣泛採用。相反，VESA和Super VGA成為VGA之後PC圖形設備的事實標準，並且幾個AIB構建商在其主板上添加了VGA晶元以便與所有應用兼容。

微軟最初並沒有在他們的Windows界面中支持34010，但因為該晶元在顯示列表處理方面做得非常出色，並且在Windows 2中更容易管理。當時Windows仍在大多數情況下通過低級命令操作。

Windows最初的結構是讓主機完成所有繪圖，這種技術在EGA和VGA上運行良好。IBM的8514 / A驅動程序在BLT"ing方面做得非常出色，但不如34010在線繪圖那樣對CAD用戶至關重要。儘管如此，微軟對34010提出過批評，並說它的結構方式與2014基本圖形功能上的8514 / A不一樣。該公司後來發現那是主機端字體的內存管理。AIB應該用於繪圖和顏色擴展，而字體應該在34010空間中緩存。

微軟開始意識到AIB需要兩到三個屏幕才能運行Windows應用程序 - Presentation Manager（PM）需要更多。當時，Windows並沒有很好地處理點陣圖。Windows 386通過允許應用程序在Windows中運行或從Windows運行來改進一些東西 - 允許同時為各種應用程序提供多個點陣圖。

因此，微軟宣布基於TI的AIB將能夠通過TIGA獲得新的Windows和PM驅動程序 - 它將成為TIGA軟體包的一部分（如下圖所示）。然而，Windows無法從線條繪圖引擎中受益，當時微軟建議客戶不要將Windows與AutoCAD一起使用。

圖：NEC基於MVA TI TMS34010的AIB板載VGA（克隆）晶元和Brooktree LUTDAC（來源：Vlask）

在那些年裡，TMS34010有三個主要的市場需求動力：家庭的高端PC，VGA是主要標準的消費者和商用PC，以及各種遊戲機和街機。TI在高端PC，街機和遊戲機中表現出色，並且還用於科學儀器、航空電子設備和過程式控制制系統中的幾個專用系統。

1991年，Guttag成為德州儀器公司的研究員。由於他在VRAM方面的開創性工作，他還獲得了NCGA技術卓越獎。

5、IBM的 PGC和8514 / A

IBM長期以來提供兩種級別的顯示功能，一種用於進行文字處理，資料庫輸入和Lotus電子表格的通用業務用戶；另一種用於工程用戶。後者總是具有更高解析度，更昂貴的監視器和控制器。

在8514 / A之前，1984年，IBM推出了一種名為Professional Graphics Controller（PGC）的多板AIB，通常稱為Professional Graphics Adapter，有時也稱為Professional Graphics Array。

PGC由三個互連的PCB組成，包含圖形處理器和存儲器。

PGC有一個簡單的圖形控制器晶元，並使用外部DAC和離散邏輯晶元用於許多其他功能和查找表（如下圖所示）。

圖：專業圖形控制器（PGC）是一個3板組

PGC支持640×480像素圖形，並從4096的調色板產生256種顏色。PGC有兩種操作模式：CGA（320×200像素）和原生模式。PGC的匹配顯示器是IBM 5175，這是一款獨特的模擬RGB顯示器，與任何其他顯卡不兼容。

它沒有廣泛用於商用和消費級PC，其價格為4,290美元，與當時價值50,000美元的專用CAD工作站相比，甚至包括PC XT 87型（4,995美元）的成本。今天，AIB將花費9,910美元 - 相比之下今天的AIB看起來更便宜。

在20世紀80年代後期，原始的IBM外圍匯流排（稱為ISA（行業標準體系結構））已從慢速4.7 MHz 8位匯流排發展為8 MHz 16位，並為克隆AIB製造商開闢了一個網關。克隆PC和配件使IBM的核心PC業務處於邊緣地位，該公司希望停止這種做法，推出了一款新的PC，PS / 2，帶有專有OS（OS / 2）和系統匯流排，Micro Channel，微通道與ISA板不兼容。8514 / A高解析度圖形適配器是10 MHz微通道的第一個AIB。

1987年4月，IBM推出了Personal System / 2計算機。8514 / A項目的傳聞最早於1985年開始傳播。該晶元是在英國赫斯利開發的，距離創建受歡迎的TSM34010的德州儀器貝德福德開發中心不遠。著名的視頻圖形陣列（VGA）和8514 / A晶元及附加板（AIB）都是在IBM Hursley和監視器上設計的。

8514 / A是對基於Micro Channel架構的PS / 2視頻圖形陣列的可選升級，並在PS / 2推出後的三個月內推出（如下圖所示）。

圖：IBM的8514 / A AIB和內存板

8514 / A是第一款適用於PC的固定功能圖形加速器，支持1024 x 768像素解析度和256種顏色。基本的8514 / A和512KB VRAM僅支持16種顏色，512 KB的內存擴展使總計達到1 MB VRAM並支持256種顏色。

隨著8514 / A的推出，還有一款16英寸，1024×768像素的CRT顯示器。8514 / A是具有「/ A」指定適配器的AIB，8514 / A只是PS / 2附件，IBM沒有生產任何ISA版本。然而，有幾家克隆廠商做過。在1990年，它被XGA取代。

8514 / A是大規模集成圖形晶元的開始，與PGC圖形控制器相比，8514控制器晶元（如下圖所示）非常龐大。

圖：IBM的PGC支持640 x 480像素的圖形，並從4096的調色板中產生256種顏色。它有兩種模式：CGA（320 x 200像素）和原生模式。

8514 / A能夠支持VGA中沒有的四種新圖形模式。IBM將它們命名為高級功能模式，另外還有640 x 480像素。其他三種模式最高可達1024 x 768像素。然而，有點諷刺的是，它不支持其他視頻標準的傳統字母數字或圖形模式，因為它僅在高級功能模式下執行。在典型系統中，當應用程序或操作系統調用標準模式時，VGA會自動接管。

因此，8514 / A的一個有趣特性是包含它的系統可以使用兩個監視器。在這種情況下，通常的設置是將8514顯示器連接到8514 / A，將標準顯示器連接到VGA （如下圖所示）。

圖：VGA / 8514 / A可以一次驅動兩個顯示器。

雖然經常被稱為第一個PC大眾市場固定功能加速器，但8514並不是第一個支持硬體加速的PC AIB，這種區別歸功於NECμ7220。

8514 / A是第一款廣泛使用的固定功能加速器，因此相對便宜，而且它是當時的快速加速器。該時期的其他圖形加速器使用德州儀器TMS34010 / TMS34020晶元，是一種運行在50MHz左右的RISC處理器。它們更靈活，但編程更複雜，更昂貴，並且通常與更簡單的8514 / A一樣快。

直到8514 / A的推出，PC圖形加速被降級為昂貴的工作站級圖形協處理器板。人們可以使用可編程的特殊CPU或數字信號處理器晶元來獲得協處理器板。然而，固定功能加速器，例如8514 / A，犧牲了可編程性，以獲得更好的性價比。

當時，IBM Display Adapter 8514 / A的售價為1,290美元。今天：它將花費2,785美元。

在20世紀80年代末和90年代初期，一些公司對8514 / A進行了逆向工程，並提供了支持ISA的克隆晶元（軟體兼容）。其中最突出的是Paradise系統（後被Western Digital收購）PWGA-1（也稱為WD9500），Chips＆Technologies 82C480，以及ATI的Mach 8及更高版本的Mach 32晶元。在20世紀90年代早期，兼容的8514板也基於TI的TMS34010晶元。所有克隆都更快，部分原因是新的更高密度的VRAM晶元，因此將顯示解析度推高到1280×1024，具有24位，1600萬種顏色 - 真正是PC中的工作站。

IBM還有一個圖形控制器，XGA將是VGA和8414 / A的超集，下一版將是廣受歡迎的行業標準設置視頻圖形適配器 - 無處不在的VGA。

6、IBM的VGA

1987年4月2日，當IBM推出PS / 2系列個人電腦時，其中一個硬體公告是VGA顯示晶元，這個標準已經持續了超過25年。雖然VGA是對其前身EGA（1984）的逐步改進，並且仍然向後兼容EGA以及早期（1981）的CGA和MDA，但其向前兼容性使其獲得了廣泛的認可。

PS / 2 Model 80是IBM的第一台386計算機，最值得注意的是板載VGA圖形處理晶元（如下圖所示）具有256 KB RAM，32位匯流排微通道架構（MCA），BIOS識別和配置以及RGB視頻信號路由。MCA可以容納上一代8514 / A顯卡，而VGA晶元則在主板上。

圖：VGA是迄今為止最流行的圖形晶元。

VGA的一個重要特性是集成了顏色查找表（cLUT）和數模轉換器（DAC）。在VGA，LUT-DAC之前，它們被稱為Brooktree。VGA的集成邏輯還包含CRT控制器並替換了五個或更多其他晶元，只需要外部存儲器。VGA描繪了未來完全集成設備的路徑。

VGA還引發了新的克隆浪潮，並使Cirrus Logic，S3，Chips＆Technologies等公司以及其他三家公司獲得了巨大的財富。

IBM 5162，通常稱為IBM PC XT / 286，是一款非常受歡迎的PC，使用的是16位擴展匯流排，可以插入升級的顯卡，取代IBM EGA主板。由於PS / 2使用了MCA，一些電路板製造商提供了一個帶有兩個標籤的電路板，一個用於ISA，另一個用於MCA。不久之後，於1988年推出了適用於IBM兼容計算機的擴展工業標準架構匯流排。它有MCA和ISA信號。它是由PC克隆供應商聯盟（「Gang of Nine」）開發的，作為IBM在其PS / 2系列中使用其專有微通道架構（MCA）的反擊，並且出現了帶有ISA和ELISA標籤的電路板。

基本系統視頻由IBM稱為Type 1或Type 2的視頻子系統（即VGA或XGA）生成。提供VGA功能的電路包括視頻緩衝器、DAC和測試電路。視頻存儲器被映射為64Kb×8位的四個平面（映射O到3）。視頻DAC驅動模擬輸出到顯示器連接器。測試電路用於測試附加的顯示器類型、顏色或單色。

視頻子系統控制從系統和CRT控制器訪問視頻內存。它還控制分配給視頻內存的系統地址。最多可以編程三個不同的起始地址，以便與以前的視頻適配器兼容。在圖形模式下，模式決定了視頻信息在內存中的格式以及內存的組織方式。

在字母數字模式下，系統分別將ASCII字元代碼和屬性數據寫入視頻存儲器映射O和1。內存映射2包含在字母數字模式集期間由BIOS載入的字元字體。字元生成器使用該字體在顯示器上創建字元圖像。

ROM中包含三種字體：8×8，8×14和8×16字體。最多可以將8個256個字元的字體載入到視頻存儲器映射2中，其中兩個字體可以同時處於活動狀態，允許使用512個字元的字體。

視頻子系統將信息格式化為視頻存儲器並將輸出發送到視頻DAC。對於彩色顯示器，視頻DAC將三個模擬顏色信號（紅色，綠色和藍色）發送到顯示器連接器。對於單色顯示器，BIOS將顏色信息轉換為DAC，DAC將求和信號驅動到綠色輸出上。因此，綠線或信號成為仍然使用BNC連接器的監視器的默認同步信號。

輔助視頻連接器允許視頻數據在視頻子系統和插入通道連接器的適配器之間傳遞。這是一種持續到20世紀90年代末的常用技術。IBM沒有為VGA提供任何高解析度圖形驅動程序。

最初的VGA規格與以前的控制器不同，沒有提供硬體支持。

板載規格包括256 KB視頻RAM（第一批系統可以訂購64 Kbytes或128 KB RAM，代價是失去部分或全部高解析度16色模式）。它支持16-彩色和256色調色板顯示模式和262,144色全局調色板（6位，因此，64個可能的級別，通過RAM DAC的每個紅色，綠色和藍色通道）。

對於主像素時鐘，時鐘可在25.175 MHz或28.322 MHz處選擇，但通常的線速率固定為31.46875 kHz。VGA指定最多800個水平像素和600行，這比當時提供的640×480監視器更大。

刷新率可能高達70 Hz，垂直空白中斷（為了降低成本，並不支持所有克隆板）。

該晶元可以支持平面模式：最多16種顏色（四個位平面）和一個打包像素模式：256種顏色。該晶元沒有bit-BLT功能（即Blitter），但通過「VGA latch」寄存器支持非常快速的數據傳輸。有一些原始的Raster Ops支持，一個桶形移位器，以及IBM稱為硬體平滑滾動支持的東西，這實際上只是一些緩衝。

桶形移位器是一種數字電路，可以在沒有CPU的情況下將數據字移位指定的位數。桶形移位器的常見用法是浮點運算的硬體實現。在現代GPU中，有數千個32位浮動處理器。

VGA規範包括解析度、物理連接器規範和視頻信令。今天仍然支持，人們可以找到帶有VGA連接器的投影儀，當與較新的計算機或圖形板一起使用時需要使用適配器電纜。

除了克隆晶元供應商之外，其他幾家公司還將VGA結構整合到他們的晶元中。其中一些供應商包括：ATI / AMD，晶元和技術，Cirrus Logic，Cornerstone Imaging，Gemini，Genoa，Headland Technologies，Hercules，Hualon，IIT，Intergraph，LSI，Matrox，NEC，Oak Technology，Paradise Systems / Western Digital， Plantronics，Realtek，S3 Graphics，SiS，Tamerack，Texas Instruments，Trident Microsystems，Tseng Labs，Video 7和WinBond。

沒有其他晶元像VGA那樣對計算機業產生了深遠的影響。遺憾的是，IBM並沒有像其他供應商那樣從發明中獲利。

**點擊文末閱讀原文，可閱讀英文原文。

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第2017期內容，歡迎關注。

半導體行業觀察

『半導體第一垂直媒體』

實時 專業 原創 深度

華為｜台積電｜江北新區｜三星｜IC｜AI｜博世｜ARM

回復 投稿，看《如何成為「半導體行業觀察」的一員 》

回復 搜索，還能輕鬆找到其他你感興趣的文章！

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！