显卡工作原理入门

显卡的发展历史

1981 年&＃xff0c;IBM 推出了两种显卡&＃xff1a;

1. 单色显卡 MDA&＃xff1a;最大支持 $80字符\times 25行$&＃xff0c;只能显示黑白两色文本&＃xff08;称之为文本模式&＃xff09;
2. 彩色绘图卡 CGA&＃xff1a;能显示 $320\times 200$ 分辨率&＃xff0c;支持黑、白、红、绿 4 种颜色。

1982 年&＃xff0c;IBM 又推出 MGA&＃xff08;Monochrome Graphic Adapter&＃xff09;它除了能显示图形外&＃xff0c;还保留了 MDA 的功能。

1987年&＃xff0c;IBM 推出 VGA&＃xff08;Video Graphics Array&＃xff09;。支持 $640\times 480\times 16色$ 模式 和 $320\times 240\times 256色$ 模式。

1989 年&＃xff0c;NEC 及其它 8 家显卡制造商赞助成立了 VESA&＃xff08;Video Electronics Standards Association&＃xff09;。用于制定分辨率为 $800\times 600$ 的 SVGA 视频显示标准。其后又公告一系列个人电脑视频周边功能的相关标准。VESA 标准有很多&＃xff0c;其中跟显卡有关的最多的是 VBE 标准&＃xff08;1.0 到 3.0&＃xff09;里面规定了显卡工作方式有关内容&＃xff0c;但这些标准只对成员开放。

显卡的基本工作方式

要设置显卡的工作模式&＃xff0c;需要通过端口&＃xff0c;对 GPU 内部寄存器进行读写。
要显示内容&＃xff0c;则需要把数据写到显存映射的内存地址。

关于映射空间
不论显存大小&＃xff0c;在低端 1MB 的内存中&＃xff0c;映射空间都是 128KB&＃xff0c;即 0xA0000 到 0xBFFFF。之后从 0xC0000 到 0xC7FFF 映射的是显卡 BIOS。

显卡的工作模式

$80\times 2516$ 色文本模式

显卡启动后的默认模式。
对于该模式&＃xff0c;每个字符需要 2 个字节存储。前 8 bit 存 ASCII 字符值&＃xff0c;接着是 1bit 闪烁、3 bit 背景色、4 bit 前景色

在该模式下&＃xff0c;满屏最多 2000 个字符&＃xff0c;占用 4000 字节&＃xff0c;但是映射区域有 32KB&＃xff0c;为了充分利用映射区域&＃xff0c;显存采用分页机制。这也是 Page Up 和 Page Down 键的设计初衷。

通过汇编打印 16 种颜色的前景、后景&＃xff1a;

; INT 0x10 中断&＃xff1a;对屏幕及显示器所提供的服务程序
; 使用该中断需指定 AH 寄存器编号&＃xff0c;不同编号又有不同寄存器对应的参数
; AH &＃61; 13h, 在 teletype 模式下显示字符串
; 入口参数&＃xff1a;
; AL &＃61; 显示方式
; 0: 不移动光标&＃xff0c;属性在 BL 中
; 1: 移动光标&＃xff0c;属性在 BL 中
; 2: 不移动光标&＃xff0c;字符串中包含属性
; 3: 移动光标&＃xff0c;字符串中包含属性
; BH &＃61; 页码
; BL &＃61; 属性
; CX &＃61; 字符串长度
; DH &＃61; 行
; DL &＃61; 列
; ES:BP &＃61; 指向字符串
; 出口参数&＃xff1a;无message db &＃39;TEST &＃39; ;字符串任意&＃xff0c;但是不要超过5个字符MOV AX, 0x7c0 ; 设置 ES 段的段地址 MOV ES, AX MOV BP, message ; ES:BP 指向字符串MOV AH, 0x13 ; 在 teletype 模式下显示字符串MOV AL, 1 ; 显示方式&＃xff0c;表示字符串中仅包含字符&＃xff0c;不包含属性&＃xff0c;属性在 BL 中&＃xff0c;移动光标MOV BL, 0 ; 属性初始值MOV BH, 0 ; 页码MOV DH, 0 ; 从 0 行开始MOV CX, 8
loop_0_8:PUSH CXMOV DL, 0 ; 从 0 列开始MOV CX, 16loop_0_F:PUSH CX ; 循环体中要用到 CX&＃xff0c;所以压栈保护MOV CX, 5 ; 字符串长度INT 0x10 ; 中断调用INC BL ; 改变属性ADD DL, 5 ; 改变列POP CXLOOP put_0_FPOP CXINC DH ; 改变行LOOP put_0_8JMP $ ; 跳转到当前地址&＃xff0c;也就是死循环


$640\times 48016$ 色图形模式

文本模式通过 ASCII 码指定字符&＃xff0c;再通过字符发生器在显示器对应位置输出。而图形模式是直接对单个像素点进行操作。只要规定好像素点的地址在内存中的映射位置&＃xff0c;就可以做到对单个像素点进行操作。

在 16 色模式中&＃xff0c;一个像素点对应 4 bit&＃xff0c;分别是 RGGB&＃xff0c;因为绿色较淡&＃xff0c;所以占 2 bit

位面技术
由于该模式下有 $640\times 480\&＃61;307200$ 个像素点&＃xff0c;也就是需要 150KB 内存空间&＃xff0c;但是显存在内存中的映射最多只有 128KB&＃xff0c;所以直接直接存储每个像素点的信息是不行的。此时就需要用到位面技术。

以 4 位面技术为例&＃xff0c;它把显存分为 4 个部分&＃xff08;即 4 个位面&＃xff09;每个位面中的相同位置使用相同的地址&＃xff0c;单独修改某个位面需要使用 位面选择寄存器。4 个位面中的相同位置的 bit 共同组成一个 4 bit 像素点。

举个例子&＃xff1a;4 个位面中的第一个字节共同使用地址 0xA0000&＃xff0c;对该地址写入数据时这四个字节会同时写入&＃xff1b;单独修改其中一个字节就需要用到位面选择寄存器&＃xff1b;这四个字节的第一位共同组成一个 4 位二进制数&＃xff0c;表示一个像素点。

原本内存中一个字节表示两个像素点&＃xff0c;通过位面技术&＃xff0c;内存中一个字节可以表示 8 个像素点&＃xff0c;这样内存地址就够用了。

$320\times 240256$ 色图形模式

此时一个像素对应一个内存地址&＃xff0c;不需要考虑位面技术。显存中每个地址存储了颜色对应的索引值&＃xff0c;而不是像之前使用 RGB 来表示颜色。这个索引表也称为调色板&＃xff0c;是一组 GPU 内部的寄存器。

$640\times 48016.8M$ 色图形模式

一个像素点对应 3 个字节&＃xff0c;但是为了与内存对齐&＃xff0c;一般使用 4 字节&＃xff0c;分别是 B、G、R、A&＃xff08;透明度&＃xff0c;或者不用&＃xff09;
而此时的 32 位系统&＃xff0c;内存寻址范围已经从 1 MB 提升至 4GB。显存也在高端地址中有另外的映射空间。但是考虑到兼容性&＃xff0c;0xA0000 到 0xBFFFF 的映射空间不变。

显卡的高级功能

缓存交换技术

当显存很大时&＃xff0c;可以将显存分成多个缓冲区&＃xff0c;保存每一帧的图像

REFERENCES

1. 显存文本模式详解
2. INT 0x10 中断
3. 全网唯一&＃xff0c;从底层汇编看显卡工作原理及编程方式