Les cartes graphiques/Les Video Display Controler atypiques

Nous avions vu dans le chapitre précédent qu'il existe plusieurs types de VDC. Dans les chapitres précédents, nous avons abordé les CRTC des systèmes à framebuffer, ainsi que des VDC à tile et ceux à tampon de ligne. Dans ce chapitre, nous allons voir des VDC ou des systèmes graphiques originaux.

Le double VDC de la SuperGrafx

La console de jeu SuperGrafx est le successeur spirituel de la console PC-Engine, aussi appelée Turbo Graphx en occident. Elle a le même CPU, la même quantité de mémoire RAM, le même VDC 2D. Voici l'architecture de la Turbo Graphx, qui est assez simple. Un CPU, une puce sonore, un VDC, un circuit pour la palette et l'interface écran séparé du VDC, une RAM pour le CPU et une mémoire vidéo reliée au VDC. La ROM du système est dans la cartouche de jeu.

La Super Graphx a une grosse différence : elle a deux VDC identiques ! L'objectif des concepteurs de la console était de doubler la puissance graphique et la solution la plus simple était évidemment de dupliquer le VDC... La console avait donc deux VDC identique à ceux de la PC-Engine, à savoir deux HuC6270. La mémoire vidéo est elle aussi dupliquée, à savoir que chaque VDC dispose de sa propre mémoire vidéo de 64 kilo-octets.

Les deux VDC calculent une image séparée chacun de leur côté, puis les deux images sont fusionnées pour donner l'image finale. L'intérêt est que cela permet d'avoir deux fois plus d'arrière-plan et de sprite, si la fusion est gérée correctement. La fusion est réalisée par un circuit séparé, appelé le VPC (Video Priority Controler). À chaque pixel de l'écran, il choisit si ce pixel provient du premier VDC ou du second. Le tout est géré par un système qui dit quel écran a la priorité, l'écran prioritaire étant codé sur un 1 bit par pixel. Le VPC gère aussi la palette indicée et le RAMDAC, il n'y a pas de VCE séparé comme sur la PC-Engine.

Les Video shifters : des VDC sans mémoire vidéo associée

Les VDC les plus simples, appelés des Video shifters, ne sont pas connectés à la mémoire vidéo. Ils fournissent des signaux de commande à l'écran, mais n’accèdent pas à la mémoire vidéo. D'autres VDC plus complexes sont capables de générer des adresses mémoire et accèdent directement à la mémoire vidéo, ils gèrent d'eux-mêmes le parcours du framebuffer. Parmi ces derniers, on distingue généralement plusieurs sous-types, suivant leur complexité et leurs fonctionnalités supportées.

Les VDP les plus simples se passent de mémoire vidéo. Ils n'effectuent pas le rendu ligne par ligne, mais réellement pixel par pixel. Nous les appellerons des Video shifters, un nom qui trahit le fait qu'ils reçoivent des données pixel par pixel, et les transforment en un flux de bit, voire un flux analogique (ils intègrent alors un RAMDAC). Ils ne peuvent pas envoyer de commandes/adresses à la mémoire vidéo, ils ne parcourent pas le framebuffer et ne lisent pas les pixels à envoyer à l'écran dedans, c'est le processeur qui le fait à leur place. Leur avantage est qu'ils se passent de mémoire vidéo dédiée et d'utiliser une mémoire unique pour le processeur et le système vidéo. Ils sont très rares, les seuls à avoir été utilisé sur un microordinateur sont le RCA CDP1861 du micro-ordinateur soviétique COSMAC VIP, et le système vidéo du Sinclair ZX-81 (bien qu'il soit fabriqué avec des portes logiques et non avec un VDP).

Pour résumer, voici les fonctions possibles de ces circuits :

RAMDAC et transformation octet/pixel en flux de bits ;
génération des signaux de commande pour l'écran ;
génération des raster interrupts.

Prenons l'exemple du RCA CDP1861. Il générait les signaux HSYNC et VSYNC de synchronisation verticale et horizontale pour l'écran, et transformait un octet reçu en flux de bits envoyés à l'écran (monochrome). L'intérieur de ce circuit était très simple : un registre à décalage pour la transformation parallèle-série, des compteurs pour la ligne et la colonne, quelques circuits de contrôle associés.

Le RCA CDP1861 était relié au processeur et à la mémoire comme indiqué ci-dessous. Le rendu d'une image se faisait en utilisant les raster interrupt. Le RCA CDP1861 générait une interruption à chaque fin de ligne, grâce à un compteur de ligne interne. Le processeur affichait une image grâce à une routine d'interruption, aidé par un contrôleur DMA intégré dans le processeur. La routine d'interruption configurait le contrôleur DMA, qui s'occupait d'envoyer l'image au RCA CDP1861, octet par octet. Il y avait un signal de synchronisation entre RCA CDP1861 et processeur/DMA : un bit émis par le RCA CDP1861 à destination du processeur indiquait qu'il était prêt à recevoir un nouvel octet.

Les fonctionnalités supplémentaires

Au-delà des Video shifters et des CRTC, les Video Interface Controler intègrent des fonctionnalités supplémentaires, comme de quoi gérer une palette indicée, ainsi que des circuits d'accélération 2D qu'on verra dans le prochain chapitre. En clair, ils regroupent tout ce qui est nécessaire pour faire une carte d'affichage, sauf la mémoire vidéo et éventuellement le RAMDAC. Ils peuvent gérer des RAMS séparées pour la gestion de la palette de couleur ou les caractères, voire peuvent l'intégrer dans leurs circuits. Là encore, ils peuvent souvent gérer à la fois mode texte et graphique, on peut les configurer pour choisir lequel utiliser.

Les VDC peuvent gérer des fonctionnalités qui dépassent de loin le rendu 2D. Ils peuvent gérer des fonctionnalités très diverses, allant de la gestion de la mémoire vidéo, l'intégration d'un co-processeur graphique, la gestion du clavier et de la souris, une carte son rudimentaire, la gestion des signaux d'horloge du processeur, des timers et bien d'autres. Faisons un petit tour d'horizon de ces fonctionnalités.

Le contrôleur mémoire pour la RAM vidéo

De plus, beaucoup d'entre eu incorporent des circuits liés à la gestion de la mémoire vidéo. Pour rappel, l'accès à une mémoire DRAM est plus complexe que l'accès aux autres mémoires RAM, notamment, car les timings des accès mémoire sont complexes et que l'adresse doit être envoyée en deux fois.

Un point important est que la mémoire vidéo est quasi-systématiquement une mémoire de type DRAM, similaire aux mémoires SDRAM ou DDR des PC actuels. Elles tendent à perdre leur contenu au bout d'un certain temps, ce qui fait qu'elles doivent être rafraichies régulièrement pour éviter cet effacement. Les VDP les plus complexe peuvent incorporer des circuits pour effectuer ce rafraichissement automatiquement. Mais d'autres VDC plus simples font sans et ajoutent des circuits de rafraichissement mémoire séparés du VDC.

Et outre le rafraichissement, l'accès à une mémoire DRAM est plus complexe que l'accès aux autres mémoires RAM. Les timings des accès mémoire sont complexes, sans compter que l'adresse doit être envoyée en deux fois. Pour cela, un circuit appelé le contrôleur mémoire est nécessaire pour communiquer avec une DRAM. Le contrôleur traduit les adresses mémoires et signaux de commandes en commandes compréhensibles par la mémoire DRAM. Notamment, il reçoit une adresse mémoire et l'envoie en deux fois. Le contrôleur mémoire peut être intégré au VDC, ou être un circuit séparé, tout dépend du VDC en question.

Les fonctionnalités liées aux périphériques

Il existe des VIC qui incorporent une carte son rudimentaire, de quoi gérer les entrées clavier-souris, etc. Prenons par exemple le VDP 7360/8360 TExt Display (TED). Niveau affichage, il gérait mode texte et graphique, avec une résolution allant jusqu’au 320 × 200, avec une SRAM pour la palette de couleur intégrée. Il ressemble beaucoup au MOS Technology VIC-II de la Commorodre 64, mais avec des fonctionnalités de rendu 2D en moins. Mais contrairement à la VIC-II, il incorpore des circuits de génération sonore, avec de quoi générer un signal sonore dit carré ou du bruit blanc. Il incorporait aussi des circuits d'interface avec le clavier, ainsi que des timers (des circuits capables de compter une durée précise).

Une fonctionnalité très courante des VIC est la gestion d'un light pen, une sorte de stylet pour écrans CRT, aujourd'hui disparus. Beaucoup de VIC incorporaient cette fonctionnalité, très fréquente pour l'époque. Il faut dire que les light pen étaient très pratiques pour toute application gérant autre chose que tu texte, comme le dessin assisté par ordinateur. Mais même pour ls applications texte, le light pen était utile, pour sélectionner une lettre ou un mot, éventuellement pour le corriger. Les VIC géraient le light pen en interne et présentaient au processeurs deux registres, qui indiquaient la position du light pen à l'écran.

Un exemple : le NEC μPD7220

Un exemple de VIC est le NEC μPD7220 de NEC. Le schéma ci-contre illustre ce qu'il y a à l'intérieur. On voit qu'il y a plusieurs circuits à 'intérieur, chacun spécialisé dans une tâche précise. Pour résumer, il contient : un CRTC, des circuits mémoire, et des circuits d'accélération 2D.

Le CRTC, qui contient lui-même plusieurs sous-circuits :

Un circuit de génération des signaux de commande pour l'écran (HSYNC, VSYNC, autres).
Des registres de configuration et de status.
Une mémoire ROM et une mémoire RAM pour le circuit de contrôle.

Les circuits liés à la mémoire vidéo sont les suivants :

Un circuit qui gère les timings pour les accès mémoire.
Un contrôleur mémoire avec un circuit de rafraichissement intégré.
Un contrôleur DMA pour la communication avec le bus ou les copies de blocs mémoire.
Une mémoire FIFO pour gérer les accès simultanés à la mémoire du CPU et du VDP (voir chapitre sur le framebuffer).

Les circuits d'accélération 2D regroupent :

Un circuit de tracé de lignes et de figures géométriques.
Un circuit pour les zooms et certaines opérations graphiques similaires.

Enfin, il faut citer le circuit pour la gestion d'un light pen.

L'exemple des anciens micro-ordinateurs Amiga

L'implémentation des optimisations du rendu 2D peuvent se faire soit directement dans le VDC, soit dans un circuit séparé. Le cas le plus fréquent est une intégration dans le VDC. Mais quelques consoles de jeu faisaient autrement : elles utilisaient un circuit séparé pour les optimisations du rendu 2D. Il est intéressant de donner quelques exemples réels de consoles de jeux qui utilisaient de l'accélération 2D. Nous allons voir l'exemple des anciens micro-ordinateurs Amiga.

Pour finir ce chapitre, nous allons voir les anciens ordinateurs de marque Amiga, qui servaient aussi de console de jeu. Ces consoles disposaient d'un processeur Motorola MC 68000, couplé à une mémoire RAM principale, et d'un chipset qui gère tout ce qui a trait aux entrée-sorties (vidéo, sonore, interruptions, clavier et souris, lecteur de disquette). Il contient plusieurs circuits appelés respectivement Paula, Denise et Agnus.

Agnus gère la communication avec la mémoire vidéo et contient notamment un blitter et un co-processeur qui commande le blitter.
Denise est une carte graphique de rendu 2D qui gère 8 sprites matériels. Il s'occupe aussi de la souris et du joystick.
Paula est un circuit multifonction qui fait à la fois carte son, controleur du lecteur de disquette, gestion des interruptions matérielles, du joystick analogique, du port série et de toutes les autres entrées-sorties.

Agnus contient un blitter, un CRTC, et un co-processeur spécialisé qu'on détaillera plus bas. Le fait qu'il intègre un CRTC fait qu'il gère aussi la génération des timings vidéos pour l'écran, le signal d'horloge du chipset, et quelques autres signaux temporels.

Agnus incorpore un circuit de gestion de la mémoire assez complexe. Il intégre notamment un contrôleur mémoire de DRAM, pour communiquer avec la mémoire, qui lui-même incorpore un circuit de rafraichissement mémoire. Tous les contrôleurs DRAM de l'époque ne géraient pas le rafraichissement mémoire, mais c'est le cas d'Agnus. Il n'a donc pas besoin de déléguer cette fonction au processeur. De plus, le circuit de gestion mémoire gère l'arbitrage de la mémoire, à savoir qu'il empêche le processeur et les circuits vidéo/audio de se marcher sur les pieds. Il privilégie les accès provenant du CRTC aux accès initiés par le blitter, l'affichage à l'écran ayant la priorité sur tout le reste. Agnus alloue un cycle sur deux au CRTC, le reste est alloué suivant les besoins, soit au CPU, soit au blitter.

Le blitter des anciennes consoles Amiga fonctionne suivant trois modes de fonctionnement : copie mémoire, remplissage de polygone, et tracé de ligne. Leurs noms sont assez parlants. Le mode de tracé de ligne permet de tracer une ligne en utilisant l'algorithme de Bresenham. Les deux autres modes se ressemblent, dans le sens où ils font des écritures en mémoire, pour remplir un bloc entier de forme rectangulaire.

Le premier mode copie un bloc de mémoire dans un autre, mais peut aussi effectuer une opération logique entre plusieurs blocs. Le blitter prend en entrée 0, 1, 2 ou 3 blocs, et écrit le résultat d'une opération logique dans un quatrième bloc. Les quatre blocs peuvent se recouvrir partiellement. Les blocs en question sont rectangulaires et sont définis par les informations suivantes : une longueur mesurée en multiples de 16 bits, une largeur exprimée en nombre de lignes, et un stride qui indique la distance entre deux lignes dans le framebuffer.

Pour ce qui est du remplissage de polygone, il s'agit du remplissage de figures géométriques simples avec une couleur uniforme. Les figures géométriques sont soit en forme de rectangles, soit des trapèzes dessinés à l'horizontale. Ils sont dessinés en fournissant plusieurs informations : une largeur qui est un multiple de 16 bits, une hauteur mesurée en nombre de lignes, un décalage qui indique de combien de pixels sont décalées deux lignes consécutives, la position de leur premier pixel. Il peut aussi remplir un polygone d'une couleur uniforme.

Enfin, Agnus contient un co-processeur spécialisé appelé Copper. Il s'agit plus d'une machine à état que d'un co-processeur, mais passons ce détail sous silence. Il exécute une display list, à savoir une liste d'instructions, un programme. Les instructions en question sont de trois type : MOV, WAIT et SKIP. L'instruction MOV écrit dans les registres de configuration du VDC, ce qui lui permet d'initialiser des transferts DMA, de modifier les sprites, etc. L'instruction WAIT attend que le l'écran en soit arrivé au rendu du pixel de coordonnée X,Y, ce qui peut remplacer partiellement les raster interrupts. L'instruction SKIP est techniquement un branchement qui passe outre certaines instructions de la display list si l'écran a dépassé le pixel de coordonnée X,Y.

Le co-processeur Copper peut modifier les registres du blitter, ce qui lui permet de démarrer des copies mémoire sans que le CPU ne soit impliqué. Sans lui, le CPU devrait configurer les registres du blitter pour initier une copie. Ici, le CPU n'a rien à faire : tout est précisé dans la display list. Copper peut modifier les registres de sprites à la volée, il suffit de coder la display list adéquate. Copper peut aussi générer des raster interrupts, encore que leur utilité soit ici moindre, vu que blitter et registres de sprites sont gérés par la display list. Mais elles sont supportées pour gérer la synchronisation CPU-mémoire vidéo.

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