Texas Instruments TMS9918

TMS9918 имеет интерфейс для работы с видеопамятью, имеющей организацию 16K 8-разрядных слов. Эта память находится на собственной адресной шине видеоконтроллера, вне адресного пространства основного процессора системы, и напрямую ему недоступна. Для помещения данных в видеопамять основной процессор системы должен передавать их через управляющие порты видеоконтроллера. Такое решение имеет как недостаток — невозможность напрямую работать с графическими данными, так и преимущества — работа видеоконтроллера не замедляет основной процессор (что происходит в системах с видеопамятью, расположенной в основной памяти, при одновременном обращении устройств к памяти), и не занимает его адресное пространство.

Процессор взаимодействует с видеоконтроллером через два восьмиразрядных порта. Через эти порты процессор может передавать команды для видеоконтроллера, и данные для помещения в видеопамять, а также опрашивать текущее состояние видеоконтроллера. Для передачи данных в видеопамять требуется установить текущий адрес в видеопамяти, после чего можно передавать данные. Важной особенностью TMS9918 является наличие автоматического приращения адреса видеопамяти при передаче каждого байта, что позволяет избежать ручной коррекции адреса для каждого байта при блочных пересылках данных.

Микросхема TMS9918A реализует четыре видеорежима. Как сказано выше, TMS9918 не имеет режима Graphic II:

Mode 0 (Text): монохромный текстовый режим 40×24 символов. Так как горизонтальное разрешение экрана 256 точек, каждый символ имеет ширину 6 точек. В этом режиме недоступно аппаратное отображение спрайтов и изменение цвета рамки.

Mode 1 (Graphic 1): 32 x 24 символов (256×192 точек). Возможно использование 256 различных символов, изображение которых задаётся программно. Символы делятся на 32 группы по 8 символов, каждой из этих групп назначается два цвета — фона и изображения. Таким образом, например, символы 0..7 всегда будут иметь одинаковый цвет.

Mode 2 (Graphic 2): 32 x 24 символов (256×192 точек). Возможно использование трёх наборов по 256 символов, изображение которых задаётся программно. В каждом символе каждого из наборов может использоваться до 16 различных цветов, однако каждая строка точек символа (линия из 8 точек) может иметь только два цвета.

Mode 3 (Multicolor): растровый режим 64×48 точек. Имеет очень низкое разрешение, из за чего редко использовался. Каждая точка может иметь свой цвет, любой из 16 доступных. При этом спрайты остаются в высоком разрешении, таком же, как в режимах Graphic 1 и 2.

В режимах Mode 1, 2 и 3 видеоконтроллер может отображать аппаратные спрайты. Всего возможно отображение до 32 монохромных спрайтов на экране, размером 8×8 или 16×16 точек. Все спрайты должны быть одного размера. Каждый спрайт может иметь собственный цвет. На одной горизонтальной строке экрана возможно отображение до 4 спрайтов, если это значение превышено, остальные спрайты на этой строке не отображаются. При этом работает простейшая система приоритетов — спрайты с меньшим порядковым номером отображаются первыми. Ограничение на количество отображаемых на строке спрайтов может быть частично обойдено программно, изменением их порядковых номеров каждый кадр. В этом случае вместо полного исчезновения спрайтов, попадающих под ограничение, они отображаются все, но с мерцанием (присутствуют не в каждом кадре). Такая техника имеет название мультиплексирование спрайтов (sprite multiplexing).

Возможность автоматического перемещения спрайтов у видеоконтроллера отсутствует, эта задача должна решаться программным способом. Видеоконтроллер имеет возможность генерации прерывания по началу вертикального обратного хода луча развёртки — оно происходит каждый кадр, то есть каждые 1/50 или 1/60 секунды, в зависимости от версии микросхемы и стандарта кодирования цвета. Процессор должен нужным образом изменять положение спрайтов в обработчике этого прерывания.

Когда две непрозрачных точки любой пары спрайтов накладываются друг на друга, устанавливается флаг столкновения спрайтов. Это может быть использовано для определения необходимости запуска более сложных процедур определения столкновения, реализованных в программе, и определяющих точное место столкновения и необходимую реакцию на него. При этом видеоконтроллер не предоставляет информации о том, какие именно спрайты участвуют в столкновении.

Технически режим Graphic 2 представляет собой текстовый режим с набором из 256 определяемых пользователем цветных символов. Экран делится по вертикали на три области размером 256×64 точки, каждая из этих областей имеет собственный набор из 256 символов, таким образом число символов в наборе равно числу отображаемых символов (768). При назначении каждой символьной позиции собственного символа из набора появляется возможность имитации графического режима, в котором может быть изменена каждая точка изображения. Однако, получаемый таким образом буфер кадра имеет нелинейную организацию.

Программа также может использовать три одинаковых набора символов и работать с экраном подобно текстовому режиму с цветными символами. В этом случае фоновое изображение и спрайты составляются из символов. Подобная техника часто использовалась в играх, так как для заполнения или прокрутки полного экрана в этом случае требуется обработать только 32×24 байта. Графика для подобных видеорежимов должна быть нарисована таким образом, чтобы переходы между границами блоков 8×8 точек не были слишком заметны.

Сложность создания цветной графики в режиме Graphic 2 заключается в ограниченных возможностях отображения цвета. На экране могут быть использованы все 16 цветов палитры, но каждая линия из 8 точек может содержать только два из них. Эти цвета можно произвольно выбирать из палитры в 16 цветов. При использовании оператора LINE в интерпретаторе BASIC можно легко увидеть это ограничение — когда пересекающиеся или близко расположенные линии разных цветов окрашиваются в цвет одной из линий. Этот графический артефакт называется color spill (растекание цвета). Природа этого артефакта полностью аналогична артефакту attribute clash (перекрытие атрибутов) на компьютерах ZX Spectrum, разница заключается только в размере областей, на которые распространяется ограничение по отображению цветов.

Видеоконтроллер TMS9918 не имеет возможности аппаратной прокрутки экрана. При необходимости она должна быть реализована полностью программным способом.

• В некоторых играх использовалась плавная прокрутка экрана — с шагом, меньшим, чем 8 точек. Она выполнялась с помощью прокрутки самого набора символов. Так как реальное выполнение такой операции в видеопамяти работало бы очень медленно (из-за необходимости читать и записывать каждый байт видеопамяти через порты видеоконтроллера), в видеопамять помещалось 8 наборов заранее сдвинутых символов.

• Игра Circus Charlie (MSX) имела плавную горизонтальную прокрутку экрана. Во избежание проблем с ограничением количества цветов на линию из 8 точек графика основной области игрового экрана была монохромной. В верхней части экрана присутствовал цветной фон, также имеющий плавную горизонтальную прокрутку, и при движении на нём наблюдался описанный выше артефакт color spill.

• Игра Pippols (MSX) имела плавную вертикальную прокрутку экрана. Таким образом, проблемы с ограничением количества цветов на линию из 8 точек в ней отсутствовали, позволяя персонажу, управляемому игроком, перемещаться по разноцветному плавно прокручиваемому фону. Однако, на фоне одновременно присутствовало очень мало разных типов объектов, так как набор символов для реализации скролла был сокращён в 8 раз. Также, возможно, присутствовали и другие причины (возможно, нехватка видеопамяти для спрайтов и разных объектов фона).

• В игре Road Fighter (MSX, гоночная игра с видом сверху) использовалась вертикальная прокрутка фона с шагом в 8 точек. Когда игрок разгонялся до полной скорости, такой шаг становился незаметным, и создавал впечатление плавной прокрутки фона. Такое решение было подходящим для этой игры, но столь высокая скорость прокрутки была бы неприемлема для других типов игр.

• В игре Knightmare (MSX) экран прокручивается вертикально с шагом в 8 пикселей, но очень медленно. Таким образом, большой шаг прокрутки не очень мешает игровому процессу. В игре Zanac аналогичная прокрутка происходит относительно быстро, но из за того, что фон в этой игре не взаимодействует с игроком, это также является незначительной проблемой. Больше всего проблем для игрока шаг прокрутки в 8 точек создаёт в игре Nemesis (горизонтальный шутер в стиле игры R-Type). С другой стороны, графика фона в Nemesis 2 имеет высокое качество, по сравнению с другими играми на TMS9918.