Un controlador de vídeo (VDC, por sus siglas en inglés), también llamado motor de visualización o interfaz de visualización, es un circuito integrado que es el componente principal de un generador de señal de vídeo, un dispositivo responsable de la producción de una señal de vídeo en un sistema informático o de juegos. Algunos VDC también generan una señal de audio, pero esa no es su función principal. Los VDC se utilizaron en los ordenadores domésticos de la década de 1980 y también en consolas de juegos y juegos arcade.
La mayoría de las veces, el chip VDC se utiliza como una extensión de un sistema informático anfitrión, y está completamente integrado en él, con la memoria que contiene los datos gráficos apareciendo en el mismo mapa de memoria de la CPU principal. Esto permite a la CPU escribir nuevos datos en la memoria, que el VDC luego lee y muestra. En algunos casos, el VDC funciona como un coprocesador que puede manipular el contenido de la RAM de forma independiente. Debido al bajo rendimiento de la DRAM temprana, algunos VDC utilizaban un grupo de DRAM completamente separado que podían leer sin interrumpir o ser interrumpidos por la CPU. Los sistemas posteriores utilizaron video RAM de doble puerto para evitar los problemas de rendimiento, permitiendo a la CPU leer o escribir memoria desde un puerto, mientras que al mismo tiempo el VDC la lee desde el otro puerto.
VDC vs. GPU
La diferencia entre un controlador de vídeo, un acelerador gráfico, un blitter y una unidad de procesamiento gráfico (GPU) a menudo se difumina con ejemplos que se denominan de una manera pero tienen algunas características de otra clase. No siempre está claro cuándo un chip de vídeo en particular es un controlador de vídeo y cuándo es un procesador de vídeo. Por ejemplo, el TMS9918 puede ser referido de cualquiera de las dos maneras, dependiendo de la fuente.
Generalmente, un VDC canónico no incluiría ninguna capacidad interna para realizar operaciones gráficas por sí mismo, como la capacidad de dibujar líneas o rellenar áreas, y depende de la CPU anfitriona para realizar este tipo de operaciones mediante el cálculo y la colocación de los resultados en la memoria para que el VDC los lea. Los blitters añaden algunas de estas características, lo que requiere registros adicionales y algo de hardware matemático en el CI para ejecutar estas rutinas. Algunos chips llamados VDC en la década de 1980 incluyen algunas de estas características, lo que los acerca técnicamente a los blitters, y la elección de la terminología se debió en gran medida a que el fabricante prefería un término sobre otro.
Los VDC y los blitters fueron populares durante la década de 1980 y hasta la de 1990. Estos VDC a menudo tenían hardware especial para la creación de sprites. Los primeros ejemplos incluyen el ANTIC de Atari y el TMS9918 de Texas Instruments. Los diseños posteriores generalizaron los sprites mediante la implementación de funciones Bit Blitter, incluyendo el VDP2 de Sega Saturn y el chip Lisa (AGA) que se utilizó para los gráficos mejorados de la última generación de ordenadores Amiga.
Las unidades de procesamiento gráfico (GPU) llevan esta evolución un paso más allá, incluyendo no solo un hardware matemático más potente, típicamente múltiples unidades de coma flotante, sino también la capacidad de enviar rutinas personalizadas a la GPU para que se ejecuten localmente. Esto significa que una GPU no solo tiene rutinas integradas para "dibujar línea" o "rotar cámara", sino que también se le pueden enviar programas completos como "dibujar avión", que luego se pueden ejecutar con una sola línea de código. Esto permite al programa anfitrión reducir drásticamente la cantidad de información que debe enviarse entre la GPU y el anfitrión y puede ofrecer grandes mejoras de rendimiento.
Las GPU se hicieron populares durante la década de 1990, incluyendo la S3 ViRGE, la Matrox Mystique y la Voodoo Graphics; aunque ya existían ejemplos anteriores como el NEC μPD7220. Los sistemas modernos utilizan sistemas de visualización similares a GPU, a veces integrados en la CPU, a veces como un CI separado en una placa base más grande, y a veces en una tarjeta separada.
Tipos
Los controladores de vídeo se pueden dividir en varios tipos diferentes, enumerados aquí del más simple al más complejo:
Desplazadores de vídeo son el tipo más simple de controladores de vídeo. Son directa o indirectamente responsables de las señales de temporización de vídeo, pero normalmente no acceden a la VRAM directamente. Obtienen los datos de vídeo de la CPU principal, un byte a la vez, y los convierten en un flujo de bits en serie, de ahí el nombre técnico "desplazador de vídeo". Este flujo de datos en serie se utiliza junto con las señales de sincronización para generar una señal de vídeo. La CPU principal necesita hacer la mayor parte del trabajo. Normalmente, estos chips solo admiten un modo de gráficos rasterizados de muy baja resolución.
Un CRTC, o controlador de tubo de rayos catódicos, genera las temporizaciones de vídeo y lee los datos de vídeo de la RAM conectada al CRTC para emitirlos a través de un generador de caracteres externo (para modos de texto) o directamente al registro de desplazamiento de salida de vídeo (para modos de gráficos de alta resolución). Debido a que las capacidades reales del generador de vídeo dependen en gran medida de la lógica externa, el generador de vídeo basado en un chip CRTC puede tener una amplia gama de capacidades, desde sistemas de solo modo de texto simples hasta sistemas de alta resolución que admiten una amplia gama de colores. Sin embargo, los sprites normalmente no son compatibles con estos sistemas.
Los controladores de interfaz de vídeo son mucho más complejos que los controladores CRT, y la circuitería externa que se necesita con un CRTC está integrada en el chip controlador de vídeo. A menudo se admiten sprites, así como generadores de caracteres basados en RAM y VRAM dedicada para atributos de color y registros de paleta (tablas de búsqueda de color) para los modos de alta resolución o texto.
Los coprocesadores de vídeo tienen su propia CPU interna dedicada a leer (y escribir) su propia VRAM (que puede ser compartida con la CPU) y convertir el contenido de esta VRAM en una señal de vídeo. La CPU principal puede dar órdenes al coprocesador, por ejemplo, para cambiar los modos de vídeo o para manipular el contenido de la VRAM. El coprocesador de vídeo también controla el generador de caracteres (generalmente basado en RAM), la RAM de atributos de color, los registros de paleta y la lógica de sprites (siempre que existan, por supuesto).
El RCA CDP1861 era un chip muy simple, construido en tecnología CMOS (lo que era inusual para mediados de la década de 1970) para complementar el microprocesador RCA 1802, se utilizó principalmente en el COSMAC VIP. Solo podía admitir un modo gráfico monocromático de muy baja resolución.
El Television Interface Adaptor (TIA) es el chip de vídeo personalizado que es el corazón de la consola Atari 2600, un chip primitivo que dependía del microprocesador 6502 para hacer la mayor parte del trabajo, también se utilizaba para generar el audio.
El Motorola 6845 (MC6845) es un generador de direcciones de vídeo introducido por Motorola, Inc. y utilizado para el Amstrad CPC y el BBC Micro. También se utilizó para casi todos los primeros adaptadores de vídeo para PC, como los adaptadores MDA, CGA y EGA. El MDA y el CGA utilizan un chip Motorola real, mientras que el EGA tiene un conjunto de chips personalizado de IBM de cinco chips LSI; uno de esos chips incluye la reimplementación del CRTC por parte de IBM, que funciona como un MC6845 pero difiere en algunas direcciones de registro y funciones, por lo que no es 100% compatible. En todos los adaptadores compatibles con VGA posteriores, la función del 6845 todavía se reproduce dentro del chip de vídeo, por lo que en cierto sentido, todos los PC compatibles con IBM PC actuales todavía incorporan la lógica del CRTC 6845.
El MOS Technology 8563/8568 se utilizó en el Commodore 128 (8563) y Commodore 128D (8568) para crear una pantalla de texto de 80 columnas, así como varios modos de gráficos de alta resolución. Los modelos Commodore 128 incluían un VIC-II para admitir modos de vídeo compatibles con Commodore 64.
El SCC66470 de Philips semiconductors era un VSC (Controlador de Vídeo y Sistemas) utilizado junto con su microcontrolador 68070, por ejemplo, en sistemas CD-i.
Coprocesadores de vídeo
El ANTIC (Alpha-Numeric Television Interface Circuit) fue un chip de sistema de vídeo temprano utilizado en los ordenadores Atari de 8 bits. Podía leer una "lista de visualización" con su propia CPU integrada y utilizar estos datos para generar una señal de vídeo compleja.
El TMS9918 se conoce como Procesador de Visualización de Vídeo (VDP) y fue diseñado para el Texas InstrumentsTI-99/4, pero también se utilizó en sistemas como el MSX (MSX-1), ColecoVision, serie Memotech MTX, y para la SegaSG-1000 y SC-3000. El Master System utiliza un VDP mejorado basado en el TMS9918, y el VDP Sega 315-5313 (Yamaha YM7101) utilizado en la Sega Genesis y algunas máquinas arcade es una evolución del VDP del Master System con los modos originales (inferiores) del TMS9918 eliminados.
El NEC μPD7220. Se utilizó en algunas tarjetas gráficas de gama alta para IBM PC a mediados de los 80, notablemente en productos de Number Nine Visual Technology.
El RP2C02 (NTSC) o RP2C07 (PAL) es un coprocesador de vídeo diseñado por Ricoh para Nintendo en la Famicom y la Nintendo Entertainment System, conocido como la "Unidad de Procesamiento de Imagen" (PPU). Está conectado a 2048 bytes de VRAM dedicada y tiene un bus de direcciones dedicado que permite acceder a RAM o ROM adicional desde el cartucho del juego. Se admite un campo de juego desplazable de 256×240 píxeles, junto con una lista de visualización de 64 OBJ (sprites), de los cuales 8 se pueden mostrar por línea de exploración.
El Yamaha V9938 es una versión mejorada del TMS9918, y se utilizó principalmente en el MSX2.
El Yamaha V9958 es el Procesador de Visualización de Vídeo (VDP) utilizado principalmente en los ordenadores MSX2+ y MSX turboR.
El VLSI VS21S010D-L es una memoria SPI/paralela de 128kB con un controlador de vídeo integrado con píxeles de profundidad de bits variable y un blitter de movimiento de bloques.
La serie Thomson EF936x de Procesador Gráfico de Pantalla (GDP), que ofrece una velocidad de dibujo de 1 millón de píxeles por segundo y resoluciones de hasta 1024×512.
Alternativas a un chip VDC
Tenga en cuenta que muchos ordenadores domésticos tempranos no utilizaban un chip VDP, sino que construían todo el controlador de vídeo a partir de muchos chips de lógica discreta, (ejemplos son el Apple II, PET y TRS-80). Debido a que estos métodos son muy flexibles, los generadores de vídeo podían ser muy capaces (o extremadamente primitivos, dependiendo de la calidad del diseño), pero también necesitaban muchos componentes.
Muchos sistemas tempranos utilizaban alguna forma de matriz de puertas programable temprana para crear un sistema de vídeo; ejemplos incluyen los sistemas ZX Spectrum y ZX81 y la Elektronika BK-0010, pero hubo muchos otros. Las implementaciones tempranas eran a menudo muy primitivas, pero las implementaciones posteriores a veces resultaban en sistemas de vídeo bastante avanzados, como el del SAM Coupé. En el extremo inferior, como en el ZX81, el hardware solo realizaba funciones eléctricas y la temporización y el nivel del flujo de vídeo eran proporcionados por el microprocesador. Dado que la velocidad de los datos de vídeo era alta en relación con la velocidad del procesador, la computadora solo podía realizar cálculos reales que no fueran de visualización durante el período de retrazado entre fotogramas de visualización. Esto limitaba el rendimiento a un máximo del 25% de los ciclos de CPU totales disponibles.
Estos sistemas podían construir un sistema muy capaz con relativamente pocos componentes, pero el bajo número de transistores de la lógica programable temprana significaba que las capacidades de los sistemas basados en PLA tempranos eran a menudo menos impresionantes que las que utilizaban los controladores de interfaz de vídeo o los coprocesadores de vídeo disponibles en ese momento. Las soluciones PLA posteriores, como las que utilizan CPLD o FPGA, podían dar lugar a sistemas de vídeo mucho más avanzados, superando a los construidos con componentes estándar.
Una solución híbrida de uso frecuente era utilizar un controlador de interfaz de vídeo (a menudo el Motorola 6845) como base y ampliar sus capacidades con lógica programable o un ASIC. Un ejemplo de esta solución híbrida es la tarjeta VGA original, que utilizaba un 6845 en combinación con un ASIC. Por eso, todos los sistemas de vídeo basados en VGA actuales siguen utilizando los registros de hardware que proporcionaba el 6845.
Soluciones modernas
Diagrama de bloques del chip ATi R300. El controlador de vídeo está etiquetado como "interfaz de visualización".
Por ejemplo, una señal VGA, creada por la GPU, se transporta a través de un cable VGA al controlador incorporado del monitor. Ambos extremos del cable terminan en un conector VGA. Los portátiles y otros ordenadores móviles utilizan diferentes interfaces entre el controlador de vídeo y la pantalla. Un controlador de vídeo suele admitir múltiples estándares de visualización de computadora.
RandR (redimensionar y rotar) es un método para configurar la resolución de pantalla y la frecuencia de actualización en cada salida individual por separado y, al mismo tiempo, configurar los ajustes del sistema de ventanas en consecuencia.
Un ejemplo de esta dicotomía lo ofrece ARM Holdings: ofrecen núcleos SIP para aceleración de renderizado 3D y para controlador de vídeo de forma independiente. Los primeros tienen nombres comerciales como Mali-200 o Mali-T880, mientras que los segundos están disponibles como Mali-DP500, Mali-DP550 y Mali-DP650.
Anteriormente, las tarjetas gráficas también se llamaban adaptadores gráficos, y los chips utilizados en estas tarjetas ISA/EISA consistían únicamente en un controlador de vídeo, ya que esta era la única funcionalidad necesaria para conectar un ordenador a un monitor. Las tarjetas posteriores incluían CI para realizar cálculos relacionados con la renderización 2D en paralelo con la CPU; estas tarjetas se denominaban tarjetas aceleradoras gráficas. Del mismo modo, los CI para renderización 3D llegaron más tarde. Estas tarjetas estaban disponibles con interfaces VLB, PCI y AGP; las tarjetas modernas suelen utilizar el bus PCI Express, ya que requieren un ancho de banda mucho mayor del que puede ofrecer el bus ISA.
↑M. Rasch, B. Bertelsons (1995). Scott Slaughter, ed. PC Underground: Unconventional Programming Topics. US: Abacus Software Inc. p.58-68. ISBN978-1557552754. "Cathode Ray Tube Controller (CRTC) is responsible for generating the video signal and is programmable. CRTC-Registers bit meaning tables for VGA, EGA, CGA, Hercules, SVGA, Mode X."
