VGA 内存访问复杂

# 每天学点老知识，第二十一篇：VGA 内存访问很复杂 来源：http://www.os2museum.com/wp/learn-something-old-every-day-part-xxi-vga-memory-access-is-complicated/ 上周我再次与 VGA 模拟发生了冲突，和上次一样（http://www.os2museum.com/wp/learn-something-old-every-day-part-x-the-vga-attribute-controller-is-weird/），原因很可能是 VGA 文档普遍存在严重不足。 总体而言，VGA 并不是一种特别复杂的硬件。它没有微码，没有 CPU/微控制器，执行的功能相对简单。然而，VGA 由多个逻辑上独立的组件组成，它们协同工作，这带来了一层或许被低估的复杂性。 在实现 VGA 硬件或模拟时，最大的困难莫过于缺乏*详细*且准确的文档。这个问题最早可以追溯到 IBM EGA，因为 VGA 只是 EGA 的一个稍微扩展的超集。 IBM EGA（Enhanced Graphics Adapter，增强图形适配器）旨在支持高分辨率（按照 1984 年的标准）图形，最多 16 种颜色，可编程字体，同时与 MDA/CGA 文本模式以及 CGA 图形模式保持高度的兼容性。 然而，EGA 与早期的 IBM 适配器并不寄存器兼容（其内部架构也有很大不同）。使用直接设置 CGA 图形模式的代码（例如）在 EGA 上无法工作。有效的方法是通过 BIOS 建立模式，然后像访问 CGA 一样访问视频内存。 与此同时，EGA 的年代足够久远，它并不是单个集成芯片。它由四个核心芯片构成：图形控制器（Graphics Controller）、排序器（Sequencer）、属性控制器（Attribute Controller）和 CRT 控制器（CRT Controller）。每个芯片都有自己的一组寄存器。 EGA/VGA 文档的难点在于，绝大部分文档（从 IBM 自己的技术参考文档开始）都是写给*使用* VGA 的人看的，而不是写给*实现* VGA 功能的人看的。而且这些文档假设用户主要关心的是 BIOS 支持的标准模式。 大多数 VGA 参考手册会这样说：“对于文本模式，将位 X 设为 1，位 Y 设为 0”。如果你想编程文本模式，这很有用，但它完全没有解释这些位实际上*做什么*。因为 EGA 由多个芯片组成，常见的情况是，必须将两到三个芯片中的位以特定方式设置，才能实现例如 CGA 文本模式兼容或 CGA 图形兼容。显然，每个位都有不同的功能，但用户“应该”将它们一起设置。同时，没有什么能阻止程序员只翻转一组三位中的一两个位，然后会发生什么？一些“未记录”的组合结果证明非常有用，比如著名的 VGAMode X（https://en.wikipedia.org/wiki/Mode_X）。 我试图解决的问题与 VGA（或者说其实是 EGA）排序器和图形控制器中的奇偶控制寄存器有关。奇偶访问用于文本模式，其名称引用了这样一个事实：字符代码存储在偶数字节中，属性存储在奇数字节中，尽管实际上它们存储在 EGA/VGA 四平面内存组织的不同平面中。 ### IBM... 作为对比，让我们看看 IBM VGA 技术参考手册（TRM）(https://bitsavers.org/pdf/ibm/pc/ps2/42G2193_PS2_Hardware_Interface_Technical_Reference_Video_Subsystems_Sep92.pdf#page=78&zoom=page-fit,-133,613) 对这些位的说法： - SR4\[2\]，位 OE：当奇偶字段（位 2）设为 0 时，偶数系统地址访问映射 0 和 2，而奇数系统地址访问映射 1 和 3。当设为 1 时，系统地址按顺序访问位图内的数据，并根据映射掩码寄存器（十六进制 02）中的值访问映射。 - GR5\[4\]，位 OE：当设为 1 时，奇偶字段（位 4）选择 IBM Color/Graphics Monitor Adapter 使用的奇偶寻址模式。通常，这里的值跟随排序器中内存模式寄存器位 2 的值。 - GR6\[1\]，位 OE：当设为 1 时，奇偶字段（位 1）指示系统地址位 A0 被更高阶位替换。然后，当 A0 为 1 时选择奇映射，当 A0 为 0 时选择偶映射。 文档中将这三个位都称为“OE”。注意 GR5\[4\] 的描述并没有真正说明任何内容，除了 GR5\[4\] 的值应该“跟随” SR4\[2\] 的值。GR6\[1\] 的文档说明了该位设为 1 时发生的情况，但没有明确说明将该位设为 0 时发生的情况。 从这些描述来看，几乎不可能推断出这些位各自的作用，只知道它们都需要以特定方式设置才能模拟 CGA 文本或图形模式。 大多数 VGA 编程书籍和芯片数据手册与 IBM 的文档类似。描述并不*错误*，但相当不充分。幸运的是，并非所有参考资料都是这样。 ### ... 对比 Compaq 一个意想不到的有益信息来源竟是 Compaq 的 EGA TRG（技术参考指南）(https://archive.org/details/trg-enhanced-color-graphics-board-1986-12)。 以下是 Compaq 如何记录相同的位（在 EGA 中，但在 VGA 上工作方式相同）： - SR4\[2\]：0 = 偶数 CPU 地址访问平面 0 和 2。奇数 CPU 地址访问平面 1 和 3。1 = CPU 地址按顺序访问平面中的数据。位 <2>（奇偶位）*仅*控制 CPU 写访问。CPU 读访问由图形控制器模式寄存器中的奇偶位控制。 - GR5\[4\]：奇偶位 0 = CPU 从平面按顺序读取数据 1 = 偶数 CPU 地址访问平面 0 和 2。奇数 CPU 地址访问平面 1 和 3。 - GR6\[1\]：0 = CPU 地址 A0 用作视频内存地址位 <0> 1 = CPU 地址 A0 被更高阶 CPU 位或控制和状态杂项输出寄存器中的页面选择位（位 <5>）替换。 此外，寄存器 GR4（图形控制器读平面选择）的文档包含一个方便的表格，准确显示了 GR4 寄存器和 GR5\[4\] 位如何交互以确定读平面选择。 Compaq 的文档表面上与 IBM 的相似，但解释了多得多的内容。它明确指出 SR4\[2\] 控制 CPU 写入，而 GR5\[4\] 控制读取。这些位具有明显且独立的功能，即使它们*通常*是配合编程的。 Compaq 还解释说，虽然 SR4\[2\] 和 GR5\[4\] 分别控制写入和读取的平面选择，但位 GR6\[1\] 控制寻址。换句话说，GR6\[1\] 确定访问哪个*内存地址*，而 SR4\[2\] 和 GR5\[4\] 控制在该内存地址下访问四个*平面*中的哪一个，且写入和读取是分开控制的。 正如人们可能怀疑的那样，这三个独立的位确实具有各自独立的功能——这毫不奇怪，因为如果它们没有，IBM 就不需要这三个位了。顺便说一句，这些位只控制主机 CPU 如何读取和写入 VGA 内存。CRT 控制器（CRTC）中还有另一组完全独立的位，决定 VGA 内存中的数据如何在屏幕上显示。 老实说，感谢 Compaq 花时间解释这些位真正*做什么*，而不是仅仅含糊地挥手说明它们*打算如何使用*。 ### 疑问依然存在 即使 Compaq 的文档也不完整。GR6\[1\] 的文档指出，地址位 A0（来自 CPU）“被更高阶 CPU 位或页面选择位替换”。但它没有说明是*哪个*更高阶的 CPU \[地址，推测是地址位\] 位，或者硬件*如何*决定是使用 CPU 地址位还是 MSR\[5\] 位。 我在 Matrox MGA-1064 规格书中找到了答案（就 VGA 寄存器而言，它与 MGA-2164、Matrox G100、G200 和类似文档非常相似）。Matrox 对 GR6\[1\] 位的描述如下： - 奇偶链使能。VGA。0：内存地址总线的 A0 信号在系统内存寻址期间使用。1：允许 A0 被系统地址的 A16 信号替换（如果*memmapsl* 为 '00'），或者被*hpgoddev*（MISC<5>，奇偶页面选择）字段替换。 嗯，这很有趣。*memmapsl* 位是 GR6\[3:2\]，将它们设为 00 意味着 VGA 解码整个 A0000h-BFFFFh 范围。这个设置*非常*不寻常，在实践中不使用。但它实际上是有道理的。 VGA（和 EGA）拥有（或者在 EGA 的情况下可以升级到）256K 内存。然而，由于其组织为四个独立的平面，只有 64K 唯一地址，每个地址后面有四个平面（每个平面上的每个地址有八位）。当启用奇偶寻址时，只访问 VGA 内存中的每隔一个地址，因为 A0 位是固定的（即，它不来自 CPU）。当 GR6\[3:2\] 位被编程为 00 时，可以使用 128K 范围来访问 64K 唯一地址……乍一看这没有意义——除非将 GR6\[1\] 设为 1 允许用户通过 A0000h-AFFFFh 访问 64K 范围内的所有偶数地址，并通过 B0000h-BFFFFh 范围访问所有奇数地址。而这正是通过将来自 CPU 的 A0 位（通常控制文本模式中的奇偶平面选择）替换为 A16 来实现的。 当 GR6\[3:2\] 位被设为非 00 的值（解码 64K 或 32K 的地址空间）时，MSR\[5\] 成为“页面选择”位，允许用户选择访问哪个 64K。 MSR\[5\] 位的记录极差，不同来源对其极性说法不一。有些（例如 Matrox）声称将 MSR\[5\] 位设为 1 选择“高页面”，有些（例如 ATI 264VT, Cirrus Logic Alpine）声称 1 选择低页面。MSR\[5\] 位在硬件复位后默认为 0 这一事实进一步混淆了问题，但几乎所有 EGA/VGA BIOS 都将其设为 1。 不用说，还有完全独立的 CRTC 控制位，它们决定 VGA 内存中的数据如何被显示。位 CRTC14\[6\], CRTC17\[0\], CRTC17\[1\], CRTC17\[5\] 和 CRTC17\[6\] 控制 CRTC 在刷新显示时如何寻址内存。Matrox 对 CRTC17 的文档包括三个方便的表格，显示了 CRTC 位如何以相当有趣的方式将 CRTC 计数器（16 位，A0-A15）转换为内存地址位（MA0-MA15）。 CRTC 的字访问模式显然被设计为奇偶 CPU 寻址的对应物——当然，没有任何东西*强制*程序员将两者一起使用。在字访问模式下，CRTC 地址位 A15（假设通过设置 CR17\[5\] 为零没有强制地址回绕）变为内存地址位 MA0。此机制让 CRTC 在 CRTC 地址处于 0000h-7FFFh 范围时显示 VGA 内存中的偶数地址，在 8000h-FFFFh 范围时显示奇数地址。这完美映射到由 GR6\[1\] 提供的功能。 我不知道有任何软件实际使用 MSR\[5\] 或 128K VGA 地址范围来增加 EGA/VGA 文本模式的内存容量。不过，这些位是存在的，几乎可以肯定*某些*有进取心的程序员使用过它们。 所有这些位是否在常见的 VGA 实现中都能正常工作，这是另一个问题。不完整的文档可能阻止了程序员发挥创意，这反过来掩盖了由不完整或不准确的 VGA 实现引起的问题。 ### 为什么它很复杂 以上段落说明了为什么 VGA（和 EGA）很复杂。没有一个单一的“启用文本模式”位。有一个用于 CPU 内存写入的控制，另一个用于 CPU 内存读取，另一个用于 CPU 内存寻址。然后还有一整套控制 CRTC 操作的位。 在典型情况下，这些位在 BIOS 模式设置期间作为一个单元进行编程。然而，所有这些位*可以*单独切换，这产生了大量“未记录”的组合。因为这些组合被认为没有用，绝大多数 VGA 参考资料只是略过细节。 关键在于，程序员可以并且确实会调整各个位，这意味着为了实现 100%（或至少非常高）的兼容性，VGA 硬件或模拟需要正确实现每一位的行为。但没有充分的文档，这可不是一项简单的任务。