Сейчас в сети можно найти много статей и видеороликов о становлении 3D-графики в обычных пользовательских ПК. Даже я в своем блоге веду соответствующую рубрику, где мы с вами не только вспоминаем историю знаковых видеокарт из 90-х, но и во всех подробностях изучаем их архитектуру, возможности и графические API. Однако всё это время мы с вами обходили тему 2D-ускорителей на ПК, которые тоже очень сильно эволюционировали и изменились со времен самой первой видеокарты в IBM PC.

Если вам интересно узнать о том, зачем видеокарте нужен был свой собственный BIOS, как работали цветные режимы в первых видеокартах и почему объём VRAM в те годы решал больше, чем сейчас — жду вас под катом!

❯ Часть 1. Оригинальный IBM PC

Оригинальный IBM PC появился в далёком 1981 году и стал основоположником для всех современных персональных компьютеров. Десятки лет наследие PC кочевало из одного поколения компьютеров в другое, а аппаратная платформа какого-нибудь ноутбука на Intel Core 2 Duo была почти полностью обратно-совместима с оригинальным ПК — вплоть до того, что процессор мог почти нативно исполнять 16-битный код, а BIOS и первичный загрузчик операционной системы могли исполняться только в реальном режиме.

Дело в том, что оригинальный IBM PC был достаточно модульным и собран из целой солянки компонентов. Это сейчас мы привыкли к тому, что в процессоре есть встроенный контроллер прерываний, DMA, таймер, контроллер памяти и графическое ядро. В те годы за таймер отвечал отдельный чип Intel i8254, роль математического сопроцессора выполнял i8087, и даже DMA-контроллер был внешним чипом под маркировкой i8257. При разработке следующих поколений PC приходилось сохранять обратную совместимость с прошлыми моделями, в том числе за счёт использования всё тех же чипов или их аналогов с идентичной логикой. Благодаря популярности IBM PC и доступности микросхем логики Intel, сторонние производители тоже начали делать свои собственные аналоги IBM PC, которые назывались «клонами» и могли комплектоваться другими, более продвинутыми модулями.

История, к слову, почти как с Dendy и NES — в 90-х компания UMC умудрилась сначала скопировать процессор и PPU, а затем полностью засунуть всю консоль в единую систему на кристалле. С x86 было очень похоже — компания Chips разработала первый чипсет 82c206 в 1986'ом году, что позволило делать клоны IBM PC уже без оригинальных чипов от Intel и при этом с значительно более высокой степенью интеграции. В 1997 году, Cyrix представила x86-процессор MediaGX, который интегрировал в себе контроллер памяти и 2D-ускоритель, что даёт право называть его прямым предком современных APU.

Интересно и то, что аналоги многих компонентов системной логики производились в СССР — например, тот же 8257.

Когда встал вопрос графики, оригинальный IBM PC предлагал целых две видеокарты (или в терминологии тех лет — «видеоадаптера») — монохромный MDA и цветной CGA. MDA был очень примитивным: он не только выводил картинку всего лишь в двух цветах, но ещё и не поддерживал графические режимы. По сути, это был обычный знакогенератор с несколькими текстовыми режимами и поддержкой примитивного аппаратного скроллинга. При этом никаких кастомных ASIC'ов там не было: видеокарта была собрана на базе микросхемы MC6845 — условно говоря, это таймер, который формирует сигнал на той же частоте, что пиксель клок текущего видеорежима, а также управляет выборкой пикселей из памяти видеокарты — т. е. фреймбуфера. Чип был очень популярным и использовался во многих других компьютерах, помимо IBM PC.

Принцип работы видеокарт на MC6845

Концептуально MC6845 был контроллером CRTC — он формировал так называемый пиксельклок и сигналы HSYNC/VSYNC. Внутри были регистры, которые задавали тайминги пиксельклока, прямого и обратного хода луча, а также смещение фреймбуфера в памяти. При этом сам MC6845 на дисплей ничего не выводит, этим занимается отдельная логика — в случае MDA, это знакогенератор, который рисует знаки из CHRROM.

Общение с CGA и EGA происходило посредством портов 0x3B4 и 0x3B5, куда BIOS оригинального IBM PC при старте записывал референсные тайминги, но при желании программист мог общаться с видеокартой напрямую.

Текстовые режимы по своей натуре были очень простыми: процессор лишь записывал номера символов и атрибуты по адресу 0xB0000 (0xB8000 в CGA и выше), после чего видеокарта сама занималась выводом текста. Никакой нагрузки на процессор не было. CGA же был собран на базе всё того же MC6845, однако помимо текстовых режимов предлагал ещё и графические, а также умел выводить до 16 цветов одновременно. При этом интересен формат организации пикселей: по сути, каждая компонента цвета однобитная — то есть зеленый, красный и синий либо включены, либо выключены, что при смешивании позволяло получать дополнительные цвета, как на физической палитре.

Из графических режимов, CGA поддерживала такие разрешения, как 160x100/160x200 (полная 16-цветная графика, разрешение почти в два раза ниже, чем в NES), 320x200 (самый популярный, однако усекал 16 цветов до 8-и) и 640x200 — почти как 4K в наше время, но только монохромный. В отличие от игровых консолей, в CGA не было ни аппаратных спрайтов, ни блиттера — поэтому процессор вручную занимался отрисовкой каждого кадра, и именно поэтому реализация аппаратного скроллинга в играх была такой сложной.

Отдельного упоминания стоит видеокарта Hercules, появившаяся в 1982 году. Как и MDA, она была монохромной, однако поддерживала графические режимы (причём максимальным был 720x348 — как 8K в наше время) и несмотря на полную несовместимость с CGA, смогла стать неким стандартом. В 1984'ом появился EGA (Enhanced Graphics Adapter), который хоть и мог выводить всего 16 палитровых цветов в каждом видеорежиме, но теперь цвета в палитре можно было изменять — и впервые каждой компоненте цвета отводилось аж по 2 бита (что позволяло получить 4 тона для каждого базового цвета - красный, зеленый и синий). И вот тут была загвоздка: помимо новых цветовых режимов, EGA также поддерживал огромное, по тем временам, разрешение в 640x350 — которое просто не влезало в 64-килобайтное адресное окно процессора. Поэтому был придуман интересный хак:

Каждый пиксель состоит из 4-х бит, которые формируют индекс в цветовой палитре, в сумме это 112КБ для видеорежима 640x350. Чтобы уместится в 64-килобайтное окно между процессором и видеопамятью, инженеры IBM решили использовать концепцию «плоскостей»: программист сначала пишет в видеокарту маску того номера бита (0b0001, 0b0010 и т.д.), который нужно сейчас записать, затем записывает нужный цвет по адресу 0xA0000, далее переключает маску на следующий бит и так пока не запишем все 4 бита.

Помимо этого, EGA стала первой видеокартой со своим собственным BIOS'ом. Дело в том, что для работы с видеокартой в IBM PC изначально было отведено специальное API — прерывание 0x10. Концептуально это был специальный драйвер, к которому обращался как сам BIOS, так и DOS с прикладными программами. Во времена CGA/MDA, 0x10 был реализован в BIOS самого компьютера (из-за использования одного контроллера — MC6845), однако с появлением EGA, реализация 0x10 переехала в ROM видеокарты и стала называться Video BIOS. При включении компьютера, основной BIOS передаёт управление VBIOS видеокарты, который регистрирует обработчик 0x10 и проводит первичную инициализацию, причем точно такой же подход использовался для первых сетевых видеокарт и реализации NetBIOS. Назывался этот подход Option ROM и был доступен для любой ISA-карты расширения. Такой вот Plug'n'Play из 80-х.

Важно понимать, что Option ROM исполнялся именно центральным процессором с максимальными привилегиями, а не видеокартой. Поэтому в VBIOS теоретически можно загрузить вирусы и другую бяку.

Интересно и то, что в EGA появилась возможность загрузки кастомных шрифтов. До этого, шрифты (обычно латинские) были жестко прошиты в ROM видеокарты и для локализации необходимо было физически менять чип с CHRROM. EGA же позволил переназначить ROM знакогенератора на RAM и таким образом реализовать поддержку кодовых страниц.

❯ Часть 2. VGA

В 1987'ом появилась видеокарта, которая изменила всё и стала новым стандартом — VGA. Палитры в VGA уже были 18-битными, по 6 бит на каждую компоненту цвета, что позволяло получить уже не 64 цвета, как в EGA, а целых 262144. Помимо этого, VGA научился работать в огромном, по меркам тех лет, видеорежиме 640x480 при 16 цветах одновременно, а в видеорежиме 320x200 можно было использовать уже 256 цветов, что при грамотном квантовании позволяло смотреть цветные фотографии с почти реальной цветопередачей.

Главным отличием VGA от EGA был переход на аналоговый интерфейс. Дело в том, что MDA/CGA/EGA подключались к монитору посредством цифровой шины — например в разъёме EGA присутствовали сигнальные линии R1/R2, G1/G2 и B1/B2, где каждый отвечал за свой бит в текущем выводимом пикселе. В VGA же на физическом уровне цвет пикселя стал аналоговым и по сути, видеокарта стала простым RAMDAC'ом. Сделано это было для того, чтобы не менять разъём на мониторах при появлении новых цветовых режимов и не тянуть полноценную 24х-битную параллельную шину.

Что такое RAMDAC?

RAMDAC — специальный вид ЦАП'а, который читает пиксели из фреймбуфера и преобразует их в аналоговый сигнал. Например, у нас есть пиксель представленный тремя 8-битными числами, где каждая компонента цвета может иметь интенсивность от 0 до 255:

128 0 128 — это пурпурный цвет

В VGA логические уровни имеют пиковое напряжение в 0.7В, поэтому формулу преобразования пикселя для ЦАП'а можно представить так:

color / 255 * 0.7

То есть для 128 0 128, на выходе сигнал будет иметь напряжение 0.35В 0В 0.35В для каждой компоненты. Именно от качества RAMDAC зависела четкость и цветность картинки на мониторе, а от его частоты зависело максимальное разрешение!

В 1989 году, компания NEC создала организацию VESA, которая начала продвигать дальнейшее развитие VGA под названием SuperVGA. SVGA наконец стандартизировал VGA-мониторы (и тот самый синий разъём), добавил поддержку более высоких разрешений (вплоть до 800x600 при 256 цветах) и дополнил BIOS видеокарты новым API — VBE. По сути, VBE был расширением функционала знакомого нам прерывания 0x10, однако добавлял новые функции и, что самое главное — видеорежимы! Уже в 1991 году, VBE 1.2 поддерживал 1280x1024 с аж 16млн цветов! Это был прорыв... ну, если у вас видеопамяти хватало, конечно :)

Но вот незадача: VGA, несмотря на все свои преимущества, всё ещё не мог аппаратно ускорять отрисовку графики. Ни отрисовки линий, ни примитивов, ни даже базового блиттинга обычные VGA/SVGA-видеокарты чаще всего не умели, из-за чего вся нагрузка ложилась на и без того загруженный процессор. Например реализация платформера с параллакс-фоном и большим количеством тайлов уже была проблемой и если просто «в лоб» перерисовывать весь кадр каждый раз заново, то игра заметно подтормаживала. Однако у VGA/CGA/EGA была одна очень интересная фича — возможность задавать смещение фреймбуфера в видеопамяти, что позволяло «бесплатно» скроллить картинку по вертикали и горизонтали. Джон Кармак в игре Commander Keen воспользовался этой особенностью для того, чтобы рисовать кусочки уровня «за экраном», затем по мере движения персонажа скроллить их путем записи смещения в регистр SAR и когда камера доходила до границы — просто смещал фреймбуфер влево и перерисовывал не весь экран, а только один-два вертикальных столбца.

Кроме того, видеочипы упирались в низкую производительность 16-битной шины ISA, которая работала на частоте всего в 8МГц и достигала производительности в 1-2МБ/с. Для решения этой проблемы, VESA даже разработали расширение ISA под названием VLB, которое подключалось напрямую в 32х-битную адресную шину процессора, в обход контроллера ISA. Это позволило поднять скорость шины до 80МБ/с и значительно ускорить обмен данных с процессором.

❯ Часть 3. DirectDraw и GDI

Несмотря на то, что частота работы и производительность процессоров росла, программная отрисовка графики всё ещё оставалась одной из самых тяжелых операций. Даже для простейшей операции блиттинга (отрисовки изображения) частично прозрачного изображения, процессору приходилось итерироваться по каждому пикселю, проверять его цвет и если он отличался от ColorKey'я — то копировать его на экран. Для спрайтов 8x8 и 16x16 это не было особой проблемой, но когда разрешения подросли до 640x480, а в играх начали применять графику 32x32 или даже 64x64 в паре с параллакс фонами — здесь уже процессору становилось несладко. А уж если дело доходило до полупрозрачных изображений или аффинных трансформаций (поворот, растягивание) — то тут уже напрягался и без того небыстрый FPU.

Решение появилось ещё в 1984 году, на видеокарте IBM PGC, где была добавлена операция BitBLT для аппаратного блиттинга. Но был один нюанс — это профессиональная видеокарта ценой в 2.995$ на момент выхода, предназначенная специальная для CAD, ни о каких играх тут и речи ни шло. Причем IBM не стали делать отдельный ASIC для аппаратного ускорения графики, а поставили еще один процессор Intel 8088 со своей оперативной памятью. Таким образом, PGC можно считать первой программируемой видеокартой с условным подобием шейдеров.

В 1991 году, операционная система Windows становилась всё более популярной благодаря наличию многозадачности, хорошей совместимостью, удобному режиму выполнения DOS-программ и простоте разработки нового софта для Win16/Win32. Графическая подсистема Windows состояла главным образом из подсистемы GDI (которая практически в неизменном виде существует даже в Windows 11), которая управляла отрисовкой графики как на монитор, так и на принтеры. Microsoft сразу заложила возможность реализации аппаратного ускорения отрисовки за счёт введения концепции DIB и DDB.

И в 1991 году начали появляться первые GUI-акселлераторы, которые не только поддерживали аппаратное ускорение блиттинга, но и линий, прямоугольников и даже иногда других примитивов. Самым первым таким был S3 911 и он очень серьезно разгружал процессор при отрисовке как интерфейса, так и игр. Впервые окошки при перетаскивании не подтормаживали, а игры могли особо не заморачиваться с оптимизацией скроллинга и каждый кадр полностью перерисовывать весь экран.

В последующие годы случился бум GUI-акселdfлераторов и разные компании начали выходить на рынок видеокарт. Второй компанией, выпустившей GUI-акселлератор была легендарная ATi с видеочипом Mach32 (прапрапрадед Radeon XT :)). Особенно ценились видеокарты S3 и Oak за доступную цену, Tseng labs и Matrox за высокое качество цветопередачи, а также NeoMagic в ноутбуках за безупречную производительность и интеграцию VRAM.

В 1995 году появился DDraw, который был предназначен специально для игр и был частично совместим с видеокартами для GDI. Основной фишкой DDraw была возможность перевода видеокарты в эксклюзивный видеорежим (позволяло использовать почти всю VRAM и рисовать картинку в обход оконной системы, что было заметно быстрее), блиттинг с различными операциями, а также почти прямой доступ к видеопамяти. Почти все уважающие себя видеокарты в середине-конце 90-х поддерживали DirectDraw, который активно использовался для игр вплоть до начала 2000-х годов.

А в 2000 году нужда в 2D-видеокартах отпала: 3D видеокарты итак поддерживали ускорение GDI/DDraw, а поскольку сами 2D-игры стали сложнее и в них начала появляться полупрозрачность, освещение, а также аффинные трансформации — двухмерную графику начали рисовать через трехмерные API (Direct3D/OpenGL), представляя 2D-изображения как плоские прямоугольники, которые всегда смотрят в камеру. Таким образом, 2D стал частным случаем 3D и по сей день остаётся таковым — весь интерфейс в вашем смартфоне рисуется именно 3D-ускорителем вашего GPU!

❯ Заключение

Вот такой была история 2D-видеокарт на ПК. Как мы с вами видим, они прошли долгий путь от примитивных знакогенераторов и простейших цветных адаптеров, до сложных ASIC'ов с аппаратным ускорением 2D. Ну а в наше время 2D стало частным случаем 3D...

В общем я подумываю на досуге реализовать интересный проект: самодостаточная игра-ОС, которую можно записать на дискетку и запустить как обычную операционку. В «движок» будет заложен драйвер для работы с дискетками, видеокартой, звуком и даже щедуллер с многозадачностью! Игру мы будем тестировать на какой-нибудь 286'ой или 386'ой машине, если такую удастся найти. Что думаете, хотели бы почитать о таком проекте?

Ну а я надеюсь, что вам было интересно. Подписывайтесь на блог, чтобы не пропускать новые статьи каждую неделю! А если вам интересна тематика ремонта, моддинга и программирования для гаджетов прошлых лет — подписывайтесь на мой Telegram-канал «Клуб фанатов балдежа», куда я выкладываю бэкстейджи статей, ссылки на новые статьи и видео, а также иногда выкладываю полезные посты и щитпостю. А ролики (не всегда дублирующие статьи) можно найти на моём YouTube канале.

А если вы хотите что-нибудь подарить из железа и увидеть о нём статью — пишите мне в Telegram. Меня очень интересуют самые разные гаджеты: начиная от игровых консолей и любых связанных с геймингом устройств, телефонов, смартфонов, КПК, заканчивая ретро-компьютерами и ноутбуками. Кто знает, может героем следующей подобной статьи окажется ноутбук из 90-х? :)

После обзоров устройства не продаются, а остаются в моей коллекции. Когда-нибудь я хочу сделать музей, где к каждому устройству можно будет приложить QR и почитать мою статью. Кто знает, вдруг на следующей неделе я также подробно расскажу про девайс из вашей юности? :)

Кстати, у меня есть GameBoy Advance SP, под который я очень хочу написать игру. Однако мой экземпляр был залит водой и кофе. Может у кого-то есть донор с дохлой платой, откуда я смог бы взять контроллер питания? У меня AGS-101.