ビデオディスプレイコントローラ

ビデオディスプレイ コントローラ( VDC ) は、ディスプレイ エンジンまたはディスプレイ インターフェイスとも呼ばれ、コンピューティング システムまたはゲーム システムでTVビデオ信号を生成するデバイスであるビデオ信号ジェネレータの主要コンポーネントである集積回路です。一部の VDC はオーディオ信号も生成しますが、これが主な機能ではありません。VDC は、1980 年代の家庭用コンピュータや、初期のビデオ画像システムの一部で 使用されていました。

VDC はビデオ信号発生器ロジックの主要コンポーネントであり、水平同期信号、垂直同期信号、ブランキング インターバル信号などのビデオ信号のタイミングを生成する役割を担っています。完全なシステムを構築するには、ピクセルデータを保持するRAM、文字フォントを保持するROM、シフト レジスタなどの個別のロジックなど、他のサポート チップが必要になることもあります。

ほとんどの場合、VDC チップはメイン コンピュータ システムのロジックに完全に統合されています (ビデオ RAMはメイン CPU のメモリ マップ内に表示されます)。ただし、ビデオ RAM の内容を独立して操作できるコプロセッサとして機能することもあります。

ディスプレイ コントローラ、グラフィックス アクセラレータ、およびビデオ圧縮/解凍 IC 間の違いは非常に大きいですが、これらのロジックはすべて通常グラフィックス処理ユニットのチップ上に存在し、エンド カスタマーが個別に入手できないため、これらの非常に異なる機能ブロックについて混乱が生じることがよくあります。

ハードウェア アクセラレーションを備えた GPU は、 S3 ViRGE、Matrox Mystique、Voodoo Graphicsなど、1990 年代に人気を博しました。ただし、 NEC μPD7220などの以前の例はすでにしばらく前から存在していました。VDC には、「スプライト」を作成するための特別なハードウェアが搭載されていることが多く、この機能は、より新しい VDP チップでは、「ビット ブリッター」の「ビット ブリット」機能を使用して実行されます。

典型的なビデオ ディスプレイ プロセッサの一例として、セガ サターンの「VDP2 32 ビット バックグラウンドおよびスクロール プレーン ビデオ ディスプレイ プロセッサ」が挙げられます。もう 1 つの例としては、後期世代のAmigaコンピューターの改良されたグラフィックスに使用されたLisa (AGA) チップが挙げられます。

そうは言っても、「ビデオ チップ」が「ビデオ ディスプレイ コントローラ」である場合と「ビデオ ディスプレイ プロセッサ」である場合の区別は、完全には明らかではありません。たとえば、TMS9918 は「ビデオ ディスプレイ コントローラ」と呼ばれることもあれば、「ビデオ ディスプレイ プロセッサ」と呼ばれることもあります。ただし、一般的に「ビデオ ディスプレイ プロセッサ」にはビデオ RAM の内容を「処理」する機能 (たとえば、RAM の領域を埋める) があるのに対し、「ビデオ ディスプレイ コントローラ」はビデオ同期信号のタイミングとビデオ RAM へのアクセスを制御するだけです。

グラフィックス プロセッシング ユニット(GPU) は VDP よりもさらに一歩進んでおり、通常は 3D 機能もサポートします。これは、最新のパーソナル コンピューターで使用されている種類のチップです。

ビデオ ディスプレイ コントローラは、最も単純なものから最も複雑なものまで、いくつかの異なるタイプに分けられます。

• ビデオ シフタ、または「ビデオ シフト レジスタ ベースのシステム」(これらのタイプのデバイスには一般に合意された名前はありません) は、最も単純なタイプのビデオ コントローラです。ビデオ タイミング信号を直接または間接的に処理しますが、通常はビデオ RAM に直接アクセスしません。ビデオ データをメイン CPU から 1 バイトずつ取得し、シリアル ビットストリームに変換します。これが「ビデオ シフタ」という技術名が付けられている理由です。このシリアル データ ストリームは、同期信号とともにビデオ信号を出力するために使用されます。メイン CPU は、作業の大部分を行う必要があります。通常、これらのチップは、非常に低解像度のラスター グラフィックモードのみをサポートします。
• CRTC （ブラウン管コントローラ）はビデオタイミングを生成し、CRTC に接続された RAM からビデオデータを読み取り、外部の文字ジェネレータ ROM 経由で出力するか（テキストモードの場合）、またはビデオ出力シフトレジスタに直接出力します（高解像度グラフィックモードの場合）。^[1]ビデオジェネレータの実際の機能は外部ロジックに大きく依存するため、CRTC チップに基づくビデオジェネレータは、単純なテキストモードのみのシステムから、幅広い色をサポートする高解像度システムまで、幅広い機能を持つことができます。ただし、スプライトは通常、これらのシステムではサポートされていません。
• ビデオ インターフェイス コントローラはCRT コントローラよりもはるかに複雑で、CRTC に必要な外部回路はビデオ コントローラ チップに組み込まれています。スプライトがサポートされている場合が多く、高解像度またはテキスト モード用のカラー属性とパレット レジスタ(カラールックアップ テーブル) 専用の (RAM ベースの)文字ジェネレータやビデオ RAMもサポートされています。
• ビデオ コプロセッサには、独自のビデオ RAM (CPU と共有される場合もあります) の読み取り (および書き込み) と、このビデオ RAM の内容をビデオ信号に変換する専用の内部 CPU があります。メイン CPU は、ビデオ モードの変更やビデオ RAM の内容の操作などのコマンドをコプロセッサに与えることができます。ビデオ コプロセッサは、(ほとんどの場合 RAM ベースの) 文字ジェネレータ、カラー属性 RAM、パレット レジスタ、およびスプライト ロジック (もちろん、これらが存在する場合) も制御します。

ビデオ ディスプレイ コントローラの例は次のとおりです。

ビデオシフター

• RCA CDP1861 は、 RCA 1802マイクロプロセッサを補完するためにCMOSテクノロジ (1970 年代半ばとしては珍しい)で構築された非常にシンプルなチップで、主にCOSMAC VIPで使用されていました。非常に低解像度のモノクロ グラフィック モードしかサポートできませんでした。
• テレビインターフェイス アダプタ(TIA) は、 Atari 2600ゲーム コンソールの心臓部であるカスタム ビデオ チップであり、ほとんどの作業を 6502 マイクロプロセッサに依存していた原始的なチップで、オーディオの生成にも使用されていました。

CRT コントローラ

• Intel 8275 CRT コントローラは、一部のS-100 バスシステムとともに、Convergent Technologies AWS / Burroughs B20で使用されました。
• Motorola 6845 (MC6845) は、Motorolaが最初に導入し、 Amstrad CPCおよびBBC Microで使用されたビデオ アドレス ジェネレータです。また、 MDA、CGA、EGAアダプタなど、PC 用の初期のビデオ アダプタのほとんどすべてで使用されました。MDA と CGA は実際の Motorola チップを使用しますが、EGA は 5 つの LSI チップのカスタム IBM チップセットを使用します。これらのチップの 1 つには、IBM による CRTC の再実装が含まれています。これは MC6845 のように動作しますが、いくつかのレジスタ アドレスと機能が異なるため、100% の互換性はありません。後続のすべてのVGA互換アダプタでは、6845 の機能がビデオ チップ内で再現されているため、ある意味では、現在のすべてのIBM PC 互換PC にはまだ 6845 CRTC のロジックが組み込まれています。

ビデオインターフェースコントローラ

• Signetics 2636と 2637 は、それぞれInterton VC 4000とEmerson Arcadia 2001で使用されていることでよく知られているビデオ コントローラです。
• MC6847は、モトローラが最初に導入し、 TRS-80 カラー コンピュータ、Dragon 32/64、Laser 200、Acorn Atomなどで使用されたビデオ ディスプレイ ジェネレーター (VDG) です。
• MOS Technology 6560 (NTSC) および 6561 (PAL) はビデオ インターフェイス コントローラ (VIC) と呼ばれ、VIC-20で使用されます。
• MOS Technology 6567/8562/8564 (NTSC バージョン) および 6569/8565/8566 (PAL) はVIC-II として知られ、Commodore 64で使用されていました。
• MOSテクノロジー 8563/8568は、Commodore 128 (8563) および Commodore 128D (8568)で使用され、80 列のテキスト ディスプレイといくつかの高解像度グラフィック モードを実現しました。Commodore 128 モデルには、Commodore 64互換のビデオ モードをサポートするVIC-IIが含まれていました。
• MOS Technology 7360テキスト編集デバイス (TED) は、Commodore Plus/4、Commodore 16、およびCommodore 116コンピュータで使用され、統合オーディオ機能を備えていました。
• Philips半導体のSCC66470 は、 CD-iシステムなどで同社の68070マイクロコントローラと組み合わせて使用​​される VSC (ビデオおよびシステム コントローラ) でした。

ビデオコプロセッサ

• ANTIC ( A lpha- N umeric T elevision I nterface C ircuit )は、 Atari 8 ビット コンピュータで使用されていた初期のビデオ システム チップです。内蔵の CPU で「ディスプレイ リスト」を読み取り、このデータを使用して複雑なビデオ信号を生成することができました。
• TMS9918はビデオ ディスプレイ プロセッサ (VDP) として知られ、最初はTexas Instruments TI-99/4用に設計されましたが、後にMSX (MSX-1)、ColecoVision、Memotech MTX シリーズなどのシステムや、Sega SG -1000およびSC-3000でも使用されました。マスター システムでは、TMS9918 をベースにした拡張 VDP が使用され、Sega Genesisや一部のアーケード マシンで使用されている Sega 315-5313 (Yamaha YM7101) VDP は、元の (劣った) TMS9918 モードを削除したマスター システム VDP のさらなる進化版です。
• NEC μPD7220。80 年代半ばの IBM PC 用の一部のハイエンド グラフィック ボード、特にNumber Nine Visual Technologyの製品に使用されました。
• RP2C02 ( NTSC ) ^[2]または RP2C07 ( PAL ) ^[3]は、リコーが任天堂のファミコンおよび任天堂エンターテイメントシステムで使用するために設計したビデオコプロセッサでした。2048バイトの専用ビデオRAMに接続され、ゲームカートリッジから追加のRAMまたはROMにアクセスできるようにする専用アドレスバスがありました。256×240ピクセルのスクロール可能なプレイフィールドがサポートされ、64個のOBJ (スプライト) の表示リストがサポートされ、スキャンラインごとに8個を表示できました。
• ヤマハV9938 はTMS9918 の改良版であり、主にMSX2で使用されました。
• Yamaha V9958 は、主にMSX2+およびMSX turboRコンピュータで使用されるビデオ ディスプレイ プロセッサ (VDP) です。
• VLSI VS21S010D-L は、可変ビット深度のピクセルとブロック移動ブリッターを備えた統合ビデオ ディスプレイ コントローラーを備えた 128kB SPI/パラレル SRAM です。
• 1 秒あたり 100 万ピクセルの描画速度  と最大 1024×512 の解像度を提供するThomson EF936xシリーズのグラフィック ディスプレイ プロセッサ (GDP)。

初期の家庭用コンピュータの多くは VDP チップを使用しておらず、ビデオ ディスプレイ コントローラ全体を多数の個別のロジックチップから構築していたことに注意してください (例として、Apple II、PET、TRS-80などがあります)。これらの方法は非常に柔軟であるため、ビデオ ディスプレイ ジェネレーターは非常に高性能 (または設計の品質によっては非常に原始的) でしたが、多くのコンポーネントも必要でした。

初期のシステムの多くは、ビデオ システムを作成するために、初期のプログラマブル ロジック アレイの何らかの形式を使用していました。例としては、 ZX SpectrumおよびZX81システム、Elektronika BK-0010などがありますが、他にも多数ありました。初期の実装は非常に原始的なものが多かったのですが、後の実装では、 SAM Coupéのようなかなり高度なビデオ システムになることもありました。ZX81 などのローエンドでは、ハードウェアは電気的機能のみを実行し、ビデオ ストリームのタイミングとレベルはマイクロプロセッサによって提供されました。ビデオ データ レートはプロセッサ速度に比べて高かったため、コンピュータは表示フレーム間のリトレース期間中にのみ、実際の非表示の計算を実行できました。これにより、パフォーマンスは利用可能な CPU サイクル全体の最大 25% に制限されました。

これらのシステムでは、比較的少ない部品で非常に高性能なシステムを構築できましたが、初期のプログラマブル ロジックのトランジスタ数が少なかったため、初期の PLA ベースのシステムの機能は、当時利用可能だったビデオ インターフェイス コントローラやビデオ コプロセッサを使用したシステムに比べて劣ることが多かったのです。その後の PLA ソリューション ( CPLDやFPGA を使用したものなど)では、市販の部品を使用して構築されたものよりも、はるかに高度なビデオ システムを実現できました。

よく使用されるハイブリッド ソリューションは、ビデオ インターフェイス コントローラ (多くの場合Motorola 6845 ) をベースとして使用し、プログラマブル ロジックまたはASICでその機能を拡張するというものでした。このようなハイブリッド ソリューションの例として、6845 と ASIC を組み合わせて使用​​したオリジナルのVGAカードがあります。これが、現在のすべての VGA ベースのビデオ システムで、 6845 によって提供された ハードウェア レジスタが依然として使用されている理由です。

半導体デバイス製造の進歩により、ますます多くの機能が集積回路として実装され、多くの場合、半導体知的財産コア(SIP コア)としてライセンス可能になっています。ディスプレイ コントローラシステム イン パッケージ(SiP) ブロックは、 GPU、APU、およびSoCのダイ上に存在します。^[要出典]

これらは、VGA、DVI、HDMI、DisplayPort、VHDCI、DMS-59など、さまざまなインターフェイスをサポートしています。PHYには、 LVDS、TMDS、フラット パネル ディスプレイ リンク、OpenLDI、CMLが含まれます。^{[引用が必要]}

たとえば、GPU によって作成された VGA 信号は、VGA ケーブルを介してディスプレイ コントローラに転送されます。ケーブルの両端はVGA コネクタで終わります。ラップトップやその他のモバイル コンピュータでは、ディスプレイ コントローラとディスプレイの間で異なるインターフェイスが使用されます。ディスプレイ コントローラは通常、複数のコンピュータ ディスプレイ標準をサポートします。

KMS ドライバーはディスプレイ コントローラー用のデバイス ドライバーの例であり、 AMD Eyefinityはマルチモニターをサポートする特別なブランドのディスプレイ コントローラーです。

RandR (サイズ変更と回転) は、各出力ごとに画面解像度とリフレッシュ レートを個別に構成し、同時にそれに応じてウィンドウ システムの設定を構成する方法です。

この二分法の例はARMホールディングスによって提供されています。同社は3Dレンダリングアクセラレーション用とディスプレイコントローラ用のSIPコアを別々に提供しています。前者はMali-200やMali-T880などのマーケティング名で販売されており、後者はMali-DP500、Mali-DP550、Mali-DP650として提供されています。^[4]

1982年、NECは1980年代のパソコンで最も広く使われたビデオディスプレイコントローラの1つであるNEC μPD7220をリリースした。これはNEC PC-9801、APC III、IBM PC互換機、DEC Rainbow、Tulip System-1、Epson QX-10で使用された。^[5] Intelはこの設計のライセンスを取得し、82720グラフィックスディスプレイコントローラと名付けた。^[6]

以前は、グラフィック カードはグラフィック アダプタとも呼ばれ、これらのISA / EISAカードで使用されるチップはディスプレイ コントローラのみで構成されていました。これは、コンピュータをディスプレイに接続するために必要な唯一の機能だったからです。その後のカードには、CPU と並行して 2D レンダリングに関連する計算を実行する IC が含まれ、これらのカードはグラフィック アクセラレータ カードと呼ばれました。同様に、3D レンダリング用の IC も最終的に登場しました。このようなカードは、VLB、PCI、およびAGPインターフェイスで使用できましたが、最近のカードは ISA バスが提供できるよりもはるかに大きな帯域幅を必要とするため、通常はPCI Expressバスを使用します。

• ビデオハードウェア別家庭用コンピュータのリスト
• カラーパレットのリスト

• Embedded Linux Conference 2013 – YouTubeの組み込み KMS ドライバーの分析KMS ドライバーはディスプレイ コントローラー用のデバイス ドライバーです