Il Chip grafico D7220D in tecnologia NMOS, era montato su alcune stazioni DEC, tra le quali il DEC Rainbow 100, NCR DMV.

Graphic display controller (tipo NEC µPD7220)

Definizione

Un graphic display controller (GDC) è un coprocessore video progettato per generare il refresh del display e, nei modelli più evoluti come il NEC µPD7220, anche per accelerare la costruzione di primitive grafiche (es. linee, archi, cerchi, caratteri grafici) tramite un set di comandi dedicato. A differenza di un semplice CRTC (che si limita a scandire la memoria video e produrre temporizzazioni), un GDC “tipo 7220” integra una logica che:

• Pianifica l’accesso alla display memory esterna e genera gli indirizzi video durante il refresh.

• Offre una coda comandi e un micro-motore interno per eseguire operazioni grafiche elementari, riducendo il carico della CPU host.

• Supporta sia una modalità più “testuale/character” sia una modalità bitmap/graphics, con funzioni di scrolling e gestione aree di schermo.

Perché è importante nel contesto storico

Nel primo decennio dei personal computer e delle workstation leggere, la CPU era spesso troppo lenta per:

• Aggiornare lo schermo e, contemporaneamente, calcolare geometrie o ridisegnare porzioni di bitmap in modo fluido.

• Gestire set di caratteri complessi (es. kanji) con buone prestazioni e risoluzioni elevate.

Il µPD7220 è considerato uno dei primi esempi di “graphics processor” integrato in un singolo chip, capace di alleggerire la CPU tramite comandi di alto livello (ad esempio “disegna una linea” invece di “scrivi N pixel uno a uno”).

Funzioni chiave di un GDC tipo 7220

• Generazione video: produce segnali di temporizzazione e indirizzamento verso la memoria video per alimentare il circuito di uscita (shift register, DAC, logiche RGB).

• Accesso a memoria video esterna: la VRAM/DRAM/SRAM non è “dentro” il GDC; il controller gestisce cicli di lettura durante il refresh e cicli dedicati alle operazioni grafiche.

• Command processor: riceve comandi e parametri dalla CPU, li accoda in una FIFO interna e li esegue in autonomia (entro i limiti della banda memoria).

• Primitive grafiche: accelerazione di elementi come line drawing e arc/circle drawing, oltre a funzioni per caratteri e pattern.

• Modalità character e graphics: in character mode gestisce griglie di caratteri con attributi e funzioni di finestratura; in graphics mode gestisce bitmap con viewport/scroll.

• Cursor e input sincronizzati: supporto a cursor e, in alcune configurazioni, interfaccia per light pen sincronizzata al timing video.

(Queste capacità e la programmazione a comandi sono descritte nei manuali e datasheet del µPD7220/compatibili e nella documentazione Intel 82720, che riprende l’impostazione NEC.)

Architettura logica a blocchi

Un sistema tipico con GDC comprende:

• CPU host (8086/8088 e simili) che invia comandi al GDC via I/O o memory-mapped I/O.

• GDC che contiene: logica display, generatori di indirizzi, registri di configurazione, FIFO comandi, engine di disegno.

• Display memory esterna (DRAM/SRAM, talvolta planar/bitplane) letta dal GDC durante il refresh e scritta durante le operazioni grafiche.

• Sezione di uscita video (shift register, palette, DAC o logiche TTL) che trasforma i dati letti in segnali RGB/mono.

Interfaccia con la CPU e modello di programmazione

Il µPD7220 usa tipicamente due registri I/O (spesso selezionati con linee A0/A1). In modo comune:

• Un registro è usato per leggere lo status (busy, FIFO, stato comandi).

• Un registro è usato per scrivere comandi e leggere/scrivere dati dalla coda interna.

La CPU quindi non “disegna” pixel direttamente:

• Carica parametri (coordinate, modalità, pattern, area di lavoro).

• Invia un comando (es. disegna linea/arc, copia pattern, operazioni su caratteri).

• Il GDC esegue, mentre la CPU può proseguire, sincronizzandosi solo quando serve il completamento.

Differenza pratica rispetto a un CRTC

• CRTC: refresh e timing, zero (o quasi) accelerazione grafica; la CPU fa i calcoli e spesso anche il rendering.

• GDC tipo 7220: refresh più engine grafico; la CPU orchestra, il GDC disegna primitive e gestisce parte della movimentazione dati, entro la banda memoria disponibile.

Schizzo dei collegamenti più importanti

                CPU host (es. 8086/8088)
        ┌──────────────────────────────────┐
        │  I/O bus: DATA[ ]  ADDR[ ]  RD/WR │
        └───────────────┬──────────────────┘
                        │  (registri: status / cmd+data)
                        ▼
                 ┌───────────────┐
                 │   GDC 7220    │
                 │  FIFO comandi │
                 │  engine linee │
                 │  timing video │
                 │  gen. indiriz │
                 └──────┬────────┘
                        │  bus verso display memory
                        ▼
                ┌─────────────────┐
                │ Display memory  │  (DRAM/SRAM, bitplane, ecc.)
                └──────┬──────────┘
                       │  dati video letti in refresh
                       ▼
          ┌────────────────────────────┐
          │ Shift / palette / DAC / RGB │
          └──────────────┬─────────────┘
                         ▼
                      Monitor/CRT

Aspetti progettuali tipici su scheda

• Banda memoria: la prestazione reale dipende da quanto rapidamente il GDC può leggere per il refresh e, nello stesso tempo, eseguire cicli per il disegno.

• Organizzazione della memoria: spesso a bitplane (per più colori) o con layout che facilita scrolling e viewport.

• Sincronizzazione CPU–GDC: polling dello status o interrupt (se previsti) per sapere quando un comando è finito o quando la FIFO è pronta.

• Clock e timing: il GDC richiede un clock stabile; la sezione di uscita video deve rispettare timings del display (per CRT soprattutto).

Tabella 1 – Punti tecnici chiave

Caratteristiche :

Microprocessor Interface

• DMA transfer with 8257 or 8237 controllers
• FIFO Command Buffering

Dispaly Memory Interface :

• Up to 256k words of 16 bits
• Read-Modify-Write (RMW) Display ;emory cicles in under 800ns
• Dynamic RAM refresh cycles for nonaccessed memory

Light Pen Input

External video syncronization mode

Graphics mode

• Four megabit, bit- mapped display memory

Character mode

• 8k character code and attribute display memory

Mixed Graphics and Character Mode

• 64k if all characters
• 1 megapixel if all graphics

Graphics Capabilities

• Figure drawing of lines, arc/circles, rectangles and graphics characters in 800ns per pixel
• Display 1024 by 1024 pixels with 4 planes of color or grayscale
• Two independently scrollable areas

Character Capabilities

• Auto cursor advance
• Four independently scrollable areas
• Programmable cursor height
• Characters per row : up to 256
• Characters row per screen : up to 100

Video Display format

• Zoom magnification factors of 1 to 16
• Panning
• Command settable video raster parameters

Technology

• Single +5v NMOS 40-in DIP

DMA Capability

• Bytes or word transfers
• 4 clock periods per byte transferred

Mini-glossario

• GDC: chip che combina temporizzazioni video, indirizzamento memoria e funzioni grafiche a comandi.

• CRTC: controller più semplice, focalizzato su timing/scanout senza engine grafico.

• Primitive grafiche: elementi base come linee e archi da cui costruire grafica complessa.

• Bitplane: più piani di bit separati per rappresentare colore/attributi.

• Viewport/scroll: registri o meccanismi per spostare la finestra visibile sulla bitmap senza ricopiare tutto.