随着计算机硬件的不断进步,视频显示技术也日新月异。然而,在众多复杂集成电路和高性能GPU横行的时代,依然有人回到基础,从头探索一种简化且纯粹的图形显示方案。iNapGPU便是这样一个代表作,它是一块完全依靠TTL门电路组成的文字模式显卡,展现了DIY电子硬件的极致挑战与创新灵感。 iNapGPU起源于对Ben Eater"世界上最差视频卡"的启发,这位电子爱好者所设计的视频卡更多像是一个数字画框,而非真正意义上的视频卡。受到他的设计启发,iNapGPU的创造者在保留那种简陋但真实可用的硬件精神之上进行了优化和改良,尤其是在定时电路方面做了显著提升,使得整个显卡性能和稳定性得到增强。 这款显卡采用了极简的设计理念,全部使用TTL(晶体管-晶体管逻辑)门电路,配合EPROM和SRAM的结合完成图形字符的存储和显示。
通过两个计数器及一组TTL门电路,加上一片1Mbit的UV EPROM和2kB SRAM,iNapGPU实现了在VGA分辨率下以800x600@60Hz的刷新率输出文字图像,实际可用的显示区域为400x300像素,支持显示50列18行的字符。 iNapGPU的字符集容量庞大,支持最多255个字符,且支持最多4套字符集,这得益于EPROM的大容量存储能力。字符集涵盖了拉丁字母及波兰语字符,以及更为特殊的标准银河字母表(Standard Galactic Alphabet),展现了对国际多样化字符支持的宽容性。 控制信号的产生是该显卡设计的核心之一。iNapGPU使用一个12位计数器作为像素时钟生成器,频率达20MHz,是Ben Eater设计中的三组4位计数器组合的两倍频率,提升了像素时序的准确度和稳定性。虽然12位计数器的工作频率边缘不容乐观,但设计者采用的是仅能承受12MHz最大工作频率的型号,因而,他们对其长期工作稳定性不做保证,建议使用多组4位计数器以加强可靠性。
水平方向的扫描通过计数器与NAND门电路配合完成定时和同步信号的生成。设计中仅比较"1"状态的数字,以简化电路逻辑,即便这样会导致某些信号的多次激活,但通过RS触发器继电输出信号,只要触发过一次则忽略重复触发,从而保证HSYNC信号的正确性和同步。垂直方向定时也采用类似的计数器结合触发器电路,整体上保证了行与场的正确扫描,达到60赫兹刷新率的显示要求。 内存的组织结构是iNapGPU的另一特征,1Mbit的EPROM被用作1比特存储,这种用法虽然极大浪费了存储空间,但却换来了字符只读存储的稳定性和耐久性。EPROM地址线的细分使字模的行、列、字符编码及字符集选择得以灵活实现。SRAM用于存储当前屏幕显示的字符码,容量2kB足够存储900个字符的显示数据。
数据总线设计上采用了74LS245和74LS244三态缓冲器,实现了总线的分离和保护。这在读写操作之间切换时防止了信号冲突,提高了系统的整体抗干扰能力。不过设计者承认自己在缓冲器和锁存器的选择上有不足,认为使用74LS373锁存器实现字符锁存可能更佳,会带来更稳定的字符数据读取。 由于整个系统仅由TTL门电路和少部分存储芯片组成,iNapGPU对环境噪声和电磁干扰非常敏感。因此,在实际使用中,显示画面可能会受外部USB线或示波器探头影响,出现图像轻微抖动或线条干扰。加之EPROM读写速度和供电质量的限制,显示字符清晰度难以达到商业显卡水平,这也是该设计的固有限制。
在构建体验上,iNapGPU的电路组装极其繁琐,采用大量细小导线连接速成的试验板,而非制作专用PCB。设计者坦言,将这种电路移植到FPGA架构上更加实用且易于维护,电路布局和调试也更加简单。尽管如此,这块TTL纯门阵列显卡仍然是硬件爱好者和电子工程学习者的珍贵实践项目,象征着极限硬件简化的精神和DIY热情。 该项目还附带了使用Arduino Mega的测试代码,考虑到Arduino拥有丰富的输入输出引脚,可以完美接入这套硬件。通过与诸如ESP系列、STM芯片等微控制器联用,iNapGPU可以实现以并行接口与多平台通信,充分展现其灵活开放的设计思路。 除此之外,项目还提供了图像转换为字符集的工具和自主开发的EPROM编程器代码,支持爱好者自行烧录字符数据和定制个性化字体显示,使整个系统具备一定的个性化潜力和实用价值。
总结来看,iNapGPU是一款极具DIY风格与实验精神的文字模式显卡,它用最基础的TTL芯片勾勒出显示硬件的雏形,既是对数字逻辑设计的挑战,也是对电子工程爱好者的极佳练习项目。尽管其显示效果远远不及现代GPU,且存在诸多物理和电气限制,但其纯硬件实现的美学与理念,在开放硬件和复古计算领域拥有独特魅力。 对于那些追求极简设计、硬件真知和自我挑战的电子爱好者而言,iNapGPU代表了一个可以亲手构建、深入理解显示原理的硬件传奇。它同时也提醒我们,技术的进步固然重要,但回溯基础,从最根本的门电路开始探索,总能激发创造力和对电子学原理的深刻理解。 。
