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德州仪器TMS34010和VRAM

2019年12月5日,
图形芯片编年史:Vol. 1 No. 4 -德州仪器公司的TMS34010是第一个可编程图形处理器芯片。它还支持VRAM。

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在1984年,德州仪器(TI)介绍了TI的VRAMTMS4161.的TMS34010(图1)和VRAMs是相关的,但不是以人们可能认为的方式——卡尔·古塔格(Karl Guttag)开始了TMS34010的定义,他之前曾致力于TMS9918“精灵芯片”和两个16位cpu,内存带宽问题是一个关键问题。VRAM的基本概念是将移位寄存器放在DRAM上,但它的工作方式是不切实际的,在系统中使用。因此,古塔格的团队与德州仪器的MOS内存小组达成了一项协议,如果德州仪器的内存部门负责建造VRAM系统,古塔格的团队将如何帮助定义VRAM的架构。


在VRAM设计和34010发布之间,Guttag的团队还开发了TMS34061,一个简单的VRAM控制器,他们可以比34010更快地输出。

1986年,TI推出了TMS34010,这是第一个可编程图形处理器集成电路。它是一个完整的32位处理器,包含面向图形的指令,所以它可以作为CPU和GPU的组合。该设计是在德州仪器公司位于英国贝德福德和德克萨斯州休斯顿的设施中进行的。1985年12月,第一批硅材料在休斯顿生产,1986年1月,第一批产品(一块开发板)被送到位于纽约金斯顿的IBM工作站。1986年1月,卡尔·古塔格(Karl Guttag)也亲自在NeXT向史蒂夫·乔布斯(Steve Jobs)展示了一台工作中的34010。

英特尔82786是在1986年5月TI TMS34010之后不久发布的,并在第四季度上市。这是一个可以使用DRAM或VRAM的图形控制器,但它不像34010那样可编程。

随着芯片,TI介绍了他们新的软件接口,德州仪器图形架构(TIGA)。德州仪器声称这是34010(图2)在典型的图形应用中,作为通用处理器比流行的英特尔80286要快。Guttag说,34010 90%到95%的时间都在主机上等待,就像微软Windows的结构一样,主要是通过传递非常低级的命令。


TIGA是TI创建的图形接口标准,定义了图形处理器的软件接口,即API。使用这个标准,任何为TIGA编写的软件都应该能在与TIGA兼容的图形接口卡上正常工作。

TIGA标准是独立的分辨率和颜色深度,这提供了一定程度的未来打样。这个标准是为高端图形设计的。

芯片有几个专用的图形指令。它们是在硬件上实现的,由基本的图形功能组成,如填充一个像素数组,绘制一条线,像素块传输,比较一个点和一个窗口。

该芯片支持像素块传输、像素传输、透明、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寻址模式中也有一个间接的面向图形的寄存器。在这种模式下,寄存器以x、y形式保存像素的地址——像素在屏幕上的笛卡尔坐标。这种模式让软件摆脱了计算每个像素的内存地址到屏幕位置的映射这一耗时的工作。

芯片是为图形设计的(图3).它有30个32位寄存器,分为A组和B组。A银行的登记册是通用的;软件可以在计算期间使用它们作为临时存储。B银行注册人员是专业的;它们保存的信息包括当前裁剪窗口的位置和尺寸,或当前的前景色和背景颜色。


之所以决定使用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,是因为希望让时间关键函数运行得更快,并简化汇编级编程。当缓存耗尽时,寄存器到寄存器的操作可以在一个周期内完成,并且可以与内存控制器完成之前开始的写周期并行进行。这种并行性很自然地发生在CPU将计算函数写入一系列内存位置的例程中。在34010定义期间用作模型的例子是一个椭圆绘制例程,其中地址计算和数据值保存在寄存器文件中,要写入的像素被发送到内存控制器。较大的寄存器文件意味着大多数时间关键函数的所有参数都可以保存在处理器中,从而防止寄存器文件和内存之间的参数波动。

该芯片的核心时钟频率为40 MHz,之后为50MHz,这在当时是相当高的,许多oem都超过了该芯片的时钟频率,以获得一点性能差异。

就像当时所有的图形控制器一样,该芯片需要一个外部的luta - dac来进行色彩管理和CRT控制。当时最流行的卢特- dac是Brooktree的478和TI的34075。例外是Truevision使用TMS34010与真彩色帧缓冲器。

虽然TI计划将34010作为一个独立的系统处理器,能够直接运行DOS或其他操作系统,但设计者也为协同处理环境下的工作提供了特殊的规定,给oem提供了最大的灵活性。28个I/O寄存器映射到34010地址范围内的高内存位置。其中一些寄存器可以被主机处理器直接访问。看到这一点,硬件设计师松了一口气;这使得他们更容易设计微机到34010的接口。通过这些I/O寄存器,程序员的工作也变得更容易;主机可以对协处理器板的内存进行读写,使34010停止,并在一个已知的地址重新启动,从而保持状态。

然而,TIGA并没有被广泛采用。相反,VESA和Super VGA在VGA之后成为了PC图形设备的事实上的标准,一些AIB的构建者在他们的电路板上添加了VGA芯片,以兼容所有的应用程序。

微软最初在Windows界面中并不支持34010,但后来支持了34010,因为该芯片在显示列表处理方面做得很好,而且在Windows 2中更容易管理。当时的Windows传递的命令大多是低级的,开销很大。

Windows最初的结构是让主机完成所有的绘图工作,这种技术在EGA和VGA上工作正常。IBM的8514/A驱动在BLT’ing上做得很好,但不如对CAD用户至关重要的34010在线绘图。尽管如此,微软还是批评了34010,说34010在20个基本图形功能上不如8514/A。该公司后来发现,这是主机端的字体内存管理。AIB应该用于绘图和颜色扩展,而字体应该缓存在34010空间。

微软开始意识到,aib需要两到三个屏幕的内存来运行Windows应用程序,而演示管理器(Presentation Manager, PM)需要更多的内存。当时,Windows不能很好地处理位图。Windows 386改进了一些东西,允许应用程序在Windows内外运行——它允许多个应用程序同时运行多个位图。

因此,微软成为一个支持者,并宣布基于ti的AIBs将能够通过TIGA获得新的Windows和PM驱动程序——它将是TIGA包的一部分(图4).然而,Windows不能从线条绘制引擎中受益,当时微软建议客户不要在AutoCAD中使用Windows。


在那几年中,出现了三种主要的市场力量:高端个人电脑(TMS34010被许多家庭使用),家用和商用个人电脑(VGA是主要标准),以及各种游戏机和街机。TI在高端、街机和游戏机方面做得很好,也被用于科学仪器、航空电子设备和过程控制系统等几个特殊用途系统。

1991年,Guttag成为德州仪器的研究员。他还被授予NCGA技术卓越奖,以表彰他在VRAM方面的开创性工作。

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