NEC μPD7220
 μPD7220A | |
| 发布日期 | 1981-12 |
|---|---|
| 制造工艺 | 3μm(NMOS) |
| 历史 | |
| 后继产品 | μPD72120 高级图形处理器 |
NEC μPD7220，全名为High-Performance Graphics Display Controller 7220，是由日本电气（NEC）于1981年推出的图形处理器，可在位图显示器上绘制直线、圆形、弧线与字元图形，并支援汉字字元集。
μPD7220是最早以大型集成电路（LSI）技术实作的图形处理芯片之一，问世后即受到广泛关注，并被应用于多种“哑终端机”[注 1]中。[1]此芯片的出现对1980年代的个人电脑与图形显示技术具有深远影响，亦被视为当时最知名的图形控制器之一。[2]
历程
[编辑]μPD7220的开发计划由日本电气（NEC）于1979年启动，历时近三年完成。根据μPD7220设计主管小口哲司（Tetsuji Oguchi）的回忆，该芯片最早于1978年底开始规划，并于1979至1980年间完成逻辑设计、光罩制作、原型除错与多次试产，采用 3 微米与 4 微米制程技术，并与 Intel 技术团队展开合作，进行测试平台与技术转移准备。[3]
1981年2月18日至20日，NEC团队于国际固态电路会议（ISSCC）发表题为〈A single-chip graphic display controller〉的技术论文，正式对外揭示μPD7220的设计成果，标志其研发阶段的完成。[4] 同年12月，该芯片转入量产，成为世界首批整合显示控制与图形处理功能的商用LSI芯片之一。[5]
此芯片最早应用于NEC推出的N5200电脑（又称“Advanced Personal Computer”）[6]，该机种搭载5MHz的Intel 8086处理器，配备以μPD7220为核心的文字显示板，并可选购额外的图形显示板以支援图形模式[7]。插入第二张显示板后系统会以硬件方式将RGB讯号进行逻辑合成（XOR）[注 2] ，实现文字与图形画面的混合显示[8]。
μPD7220问世后，NEC随即将其应用于PC-9801系列、APC II 与 APC III 等机型[9]。美国NEC分公司亦于同年将该芯片推广至北美市场，有DEC、王安电脑相继使用这款芯片[10]。
特性
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μPD7220是首款将CRT显示控制功能（即CRTC，CRT Controller）与基本图形绘制功能整合于单一LSI芯片架构的图形控制器，设计理念最早于1981年在国际固态电路会议（ISSCC）上发表。芯片内部采用资料指令伫列（command queue）架构[注 3] 管理绘图任务，支援异步执行，主机可在发送绘图命令后同时进行其他运算，进一步提升系统效能与图形反应速度[4]。该芯片也具备硬件层级的图形处理指令，可直接绘制直线、圆形、弧线与区域填满等基本图形元素，并支援使用者自定义字元。所有绘图命令皆可于芯片内部自动处理，显著降低中央处理器的负担。[11]
μPD7220采用5V NMOS制程，量产版本基于3微米设计，功耗约为1.5瓦，整合约3万至4万个晶体管，为当时高整合度的单芯片设计[3][12]。该芯片支援最高1024×1024画素分辨率与四位元色彩深度，并支援DMA传输规格，可使用位元块传输（BitBLT）方式高速搬移位图资料。芯片采用8位元资料总线，时脉频率介于4至5.5MHz，并提供两组I/O控制通道（A0 与 A1），分别用于命令与参数的写入与读取。[13]
此外，μPD7220亦整合光笔界面，可与像素时脉同步侦测输入位置，无需依赖主机处理。其内建的硬件视窗暂存器与滚动控制功能可实现平滑的画面更新与图形区块操作，特别适用于图形与文字混合显示的终端设备。[3]
衍生版本
[编辑]μPD7220的成功促使多家厂商推出相容或衍生版本。Intel获得NEC授权后于1982年推出82720图形处理芯片，成为该公司日后图形处理芯片产品线的起点[14]。Intel并在该年的年度报告中指出该芯片在高分辨率图形应用上的潜力。[15]
在东德，μPD7220被仿制为U82720，并与当地开发的Zilog Z80仿制品U880搭配使用，广泛应用于Robotron等国营电脑设备中。[16]
NEC本身亦持续发展后该芯片的后继型号。其中μPD72020采用CMOS制程，具备更高的效能与更低的功耗；而μPD72120则支援16位元总线，整体功能更为强化，曾被《Electronics Design》杂志评选为1987年度“百大产品”之一。[17]
注释
[编辑]- ^ 所谓“哑终端机”（dumb terminal），指本身不具备运算与程式执行能力、仅显示主机输出内容的终端设备。
- ^ XOR（异或）的逻辑为“相异为1、相同为0”，因此在画面合成时，重叠处会出现反白或强调效果，有助于显示游标、选取区域或进行画面覆写。此技术属于硬件层级的画面叠加方式，但从各种文献资料中并没有纪录是否有实作XOR结果的验证或回复机制。
- ^ 此处的“资料指令伫列”（command queue）是内建于芯片内部的先进先出（FIFO）缓冲区，主机可将多笔绘图命令依序送入其中，芯片再以异步方式逐笔执行。此设计让主机在传送命令后无需等待，即可继续处理其他任务，实现早期图形处理器的运算与绘图分工。需注意，此处所称的资料指令伫列与现代图形API（如Vulkan或DirectX）中可编排、可合并的资料指令伫列不同，μPD7220的机制为单一方向、不可修改的硬件执行伫列，可视为一种先进先出（FIFO）结构。
参考资料
[编辑]- ^ Dr. Jon Peddie. Famous Graphics Chips: NEC µPD7220 Graphics Display Controller. IEEE COMPUTER SOCIETY. 2018-07-18 [2025-04-12]. （原始内容存档于2025-04-07） （英语）.
- ^ F. Robert A. Hopgood; Roger J. Hubbold; David A. Duce (编). Advances in Computer Graphics II. Springer. 1986: 169. ISBN 9783540169109.
Perhaps the best known one is the NEC 7220.
- ^ 3.0 3.1 3.2 Oguchi, Tetsuji. Abstract History of GDC Development (PDF). Oguchi R&D. [2025-04-13]. （原始内容存档 (PDF)于2019-03-13）.
- ^ 4.0 4.1 Oguchi, Tetsuji. A single-chip graphic display controller. IEEE. 1981-02-28 [2025-04-13]. （原始内容存档于2024-07-24） （英语）.
- ^ Oguchi, Tetsuji. LSI Products that I was involved in the design. Oguchi R&D. [2025-04-13]. （原始内容存档于2021-05-16）.
- ^ Daves Old Computers - Nippon Electric Company - APC. Daves Old Computers. [2025-04-12]. （原始内容存档于2021-04-20）.
- ^ Needle, David. NEC's 7220 GDC chip allows high-resolution color graphics. InfoWorld 5 (12). 1983-03-21: 33 （英语）.
- ^ 田辺皓正. マイクロコンピュータシリーズ15 8086マイクロコンピュータ. 丸善株式会社. 1983-01-01: 254. ISBN 9784621027615 （日语）.
- ^ 田辺皓正. 蘇るPC-9801伝説 永久保存版―月刊アスキー別冊. 株式会社ASCII编集部. 2004-03-18: 169-173. ISBN 9784756144195 （日语）.
- ^ Needle, David. NEC's 7220 GDC chip allows high-resolution color graphics. InfoWorld 5 (12). 1983-03-21: 31 （英语）.
- ^ uPD7220/uPD7220A Design Manual (PDF). NEC. 1982 [2025-04-12]. （原始内容存档 (PDF)于2025-04-12）.
- ^ Peddie, Jon. The History of the GPU - Steps to Invention. Springer Cham. 2023-01-02. ISBN 978303110968-3. doi:10.1007/978-3-031-10968-3 （英语）.
- ^ uPD7220/uPD7220A User Manual (PDF). NEC. 1985 [2025-04-12]. （原始内容存档 (PDF)于2025-04-12）.
- ^ 82720 GDC Application Manual (PDF). Intel, reprinted from NEC. 1983-07 [2025-04-12]. （原始内容存档 (PDF)于2024-09-27） （英语）.
- ^ Intel Corporation Annual Report (PDF). Intel. 1982 [2025-04-12]. （原始内容存档 (PDF)于2015-09-24） （英语）.
- ^ Schaltkreis U82720. Robotron Technik. [2025-04-12]. （原始内容存档于2025-01-24） （德语）.
- ^ Graphics Display Controller simplifies programming (PDF). Electronics Design. 1987-05-14: 106 [2025-04-12]. （原始内容存档 (PDF)于2024-09-26）.
外部链接
[编辑]- 《uPD7220/uPD7220A 使用手册》, 1985年12月 （页面存档备份，存于互联网档案馆） （英文）
- 《uPD7220/uPD7220A 设计手册》, 1982年 （页面存档备份，存于互联网档案馆） （英文）
- CP/M-86 专用驱动程式源代码 （页面存档备份，存于互联网档案馆） （英文）
- 7220 与 72020 规格书 （页面存档备份，存于互联网档案馆） （英文）
- 《uPD72120 技术手册》 （页面存档备份，存于互联网档案馆） （日语）