Друзья! Многие ли из вас застали такую легендарную видеокарту, как S3 ViRGE? Когда-то этот GPU стоял чуть ли не в каждом втором офисном компьютере: благодаря дешевизне и заявленной поддержке 3D-ускорения, эту видеокарту просто сметали с полок магазинов. Далеко не все могли себе позволить ATI Rage, Riva TNT и уж тем более 3dfx Voodoo и очень разочаровывались в свежекупленной видеокарте, когда пытались поиграть в новомодные игры тех лет. На момент написания статьи, в сети слишком мало материала о том, как работали видеокарты 90-х «под капотом», однако мне удалось найти даташит на видеочип, SDK для программирования 3D-графики специально под него и некоторую документацию. Я решил исправить это недоразумение и начать развивать отдельную рубрику о работе старых видеочипов: начиная от S3 ViRGE и заканчивая GPU PS2 и PSP. Сегодня мы с вами: вспомним о S3 ViRGE, узнаем о том, как работали видеокарты в 90-х годах, затронем 2D и 3D режим и почему они тесно связаны между собой, посмотрим на проприетарное графическое API S3 ViRGE и раскроем причину, почему же этот GPU был таким медленным!
❯ 3D графика на ПК: начало
В начале 90-х годов 3D-графика на обычных домашних компьютерах была редкостью. Профессиональные GPU применялись только на дорогущих графических станциях, которые использовались в кинематографе или различных симуляциях, а также на дорогих японских игровых автоматах. У простого обывателя не было доступа к аппаратным средствам рендеринга 3D-графики.
Однако это не значит, что 3D-графики не было вообще. Прогресс развития домашних процессоров шёл семимильными шагами и гиганты рынка — Intel, AMD и в некоторой степени Cyrix, выпускали всё новые и новые процессоры с повышенными тактовыми частотами, а ближе к середине 90-х — и с SIMD (MMX). Поскольку многие техники для отрисовки трехмерного изображения были разработаны ещё в 60-х — 70-х годах, игроделы к началу-середине 90-х во всю использовали некоторые наработанные техники из кинематографа для растеризации 3D-графики прямо на процессоре — так называемый софтварный рендеринг.
Одной из самых известных техник 90-х являлась 2.5D графика с использованием рейкастинга — когда картинка на экране выглядит как трёхмерная, однако по факту весь мир представлен в виде 2D-координат, а эффект «пола и потолка» был как бы фейковым. Принцип его работы довольно прост: от глаз игрока для каждого горизонтального пикселя (т. е. при разрешении 320x200, у нас будет 320 проходов) пускаются «лучи» и ищется пересечение с ближайшей стеной относительно угла обзор из глаз игрока. Из этого пересечения берется дистанция до этой стены (на основе дистанции и угла считается «высота» данной строчки стены) и считается какую строчку текстуры необходимо вывести в этой точке. Одними из первых игр с применением этой технологии стал Hovertank и Wolfenstein 3D, а технология применялась практически до конца 90-х.
Однако не одним 2.5D мы были едины. Шли годы, в СНГ многие люди продолжали наслаждаться 8-битными и 16-битными играми на клонах NES и SMD. У некоторых уже появлялась PS1, которая позволяла играть в игры с довольно хорошей 3D-графикой, однако на ПК 3D-игры были доступны не всем. Но в 1996 году выходит Quake — новейший шутер от первого лица от id Software с настоящей, трушной 3D-графикой и переворачивает всю индустрию FPS с ног на голову. Посудите сами: Джон Кармак умудрился реализовать достаточно быстрый софтварный рендерер, который мог вполне сносно работать на Pentium 75Мгц в разрешении 320x240. А ведь помимо отрисовки кадра, игре нужно было просчитывать логику монстров (довольно примитивную, к слову), обрабатывать столкновения, просчитывать видимую геометрию с помощью BSP-дерева и обрабатывать клиент-серверную логику самой игры. Это была самая настоящая революция в мире 3D игр на ПК.
В 1997 году, id Software выпустили glQuake — порт Quake с софтрендера на OpenGL, плюс своеобразную прослойку для совместимости с API 3dfx Glide (на видеокартах Voodoo) и подмножества OpenGL, используемым в игре. Порт на OpenGL позволял разгрузить ЦПУ, перенеся всю отрисовку графики с процессора на 3D-ускоритель. Сам по себе, OGL как графическое API, представлял из себя лишь набор спецификаций, который мог быть реализован как в программном виде, так и в аппаратном производителем видеокарты (на примере Windows — OpenGL32.dll это программная реализация, которая при необходимости обращается к atioglxx.dll/nvoglvxx.dll — аппаратной реализации OpenGL от вендора видеочипа). Однако, OpenGL корнями уходил именно в отрисовку промышленной графики, а DirectX всё ещё находился в зачаточной форме, из-за чего многие производители разрабатывали собственное графическое API: из известных мне, могу подчеркнуть ATI CIF (C Interface), 3dfx Glide и проприетарное SDK S3 ViRGE. Некоторые вендоры поддерживали целые игровые движки — например, BRender и RenderWare.
Отдельные 3D-акселлераторы потихоньку начали завоевывать сердца геймеров и создавать новый сегмент рынка. Серьезные видеокарты от известных производителей, такие как 3dfx Voodoo, ATI Rage и Riva TNT стоили достаточно дорого и многим были не по карману. Зато существовало множество видеокарт с 3D-ускорителями от других производителей, про некоторые из них вы могли даже не слышать: отдельные дискретные видеокарты Intel (i740), видеокарты от производителя чипсетов SiS и конечно же, видеокарты от S3 с сериями ViRGE и Savage. Видеочипы от Intel и SiS делали упор на D3D 7.
S3 ViRGE была весьма неплохой видеокартой с точки зрения 2D-ускорения. Сейчас 2D принято считать частным случаем 3D (по факту, 2D-спрайты — это 3D-квады, состоящие из двух треугольников), однако в то время для работы с памятью видеокарты и аппаратного ускорения некоторых операций, таких как блиттинг (BitBlt) существовало отдельное графическое API — DirectDraw. С этим у ViRGE было всё хорошо — он поддерживал довольно высокое разрешение экрана (при желании, объём видеопамяти можно было нарастить и установить разрешение ещё выше) и умел ускорять часть операций как DDraw, так и GDI.
Однако, ViRGE разочаровывал многих геймеров 90х своей производительностью в 3D-графике. На коробке с бюджетной видеокартой красовались красивые надписи о 3D-графике следующего поколения, а на фотографии можно было увидеть некую игру про мехов с невиданной графикой!
По факту, ViRGE подходил для 3D-игр не особо хорошо. Конечно в те годы никто особо не плевался от FPS и при желании, игру могли пройти и в 15, и в 20 FPS. Однако производительность софтварного рендерера иногда была даже выше, чем у растеризатора ViRGE, а игры должны были быть специально адаптированы под неё (т. е. портированы для использования S3DTK). Тайтлов с адаптацией по этот GPU было немало: как минимум, Tomb Raider и MechWarrior 2 (который шел в комплекте с игрой). Польские ребята из известной многим Techland даже написали прослойку S3D -> OpenGL, позволявшей запускать Quake на ViRGE. Производительность была не ахти…
Видеокарт от S3 нашлись и у меня, причём сразу несколько — ViRGE в PCI-исполнении и Trio в AGP-исполнении! Иногда я их использую для проверки старых материнских плат, которых у меня не так уж и много — рабочих на PGA370 и ниже у меня совсем нет. Однако остаётся вопрос, как эти видеокарты работали под капотом? Давайте узнаем!
❯ «Под капотом»
Исторически сложилось так, что 3D и 2D акселераторы могли быть отдельными и формально не зависящими друг от друга устройствами. Архитектура IBM PC в зависимости от «поколения», предполагала сразу несколько типов видеоадаптеров, которые были стандартизированы под определенный тип мониторов. Один из таких адаптеров, VGA, стал стандартом на долгие годы, в то время как два других использовались в совсем ранних машинах. Их ключевое отличие было в организации видеопамяти и цветности — CGA/EGA предполагал разбитие пространства экрана на т. н. битплейны (один байт содержал информацию о нескольких пикселях и если не ошибаюсь, для сохранения адресного пространства сегменты экрана необходимо было переключать аля банки памяти) и был палитровым, в то время как VGA предполагал как палитровый режим, так и полноценный RGB и мог отразить весь фреймбуфер в линейную область адресного пространства. Кроме того, долгое время VGA использовался для обозначения разрешения дисплея: QVGA — половина VGA (320x240), VGA (640x480), широкоформатный WVGA (800x480) и т. п.
Другой особенностью была полная (насколько мне известно) обратная совместимостью друг с другом. Например, GeForce 7xx, как один из последних GPU, который поддерживал Legacy BIOS, теоретически вполне мог работать и с EGA режимами, и с CGA через соответствующие видеорежимы int 10h!
3D-режимы же никак не были стандартизированы и каждый производитель реализовывал работу с ними по разному — как уже говорилось ранее, кто-то реализовывал поддержку совсем молодого D3D и OpenGL (насколько мне известно, лучше всего с OpenGL было у NVidia. Остальные вендоры поддерживали OGL, но были свои болячки — у ATI они тянулись чуть ли не до середины-конца нулевых), а кто-то делал собственное графическое API и работал с видеочипом почти напрямую. Первые 3D GPU использовали шину PCI, которую почти сразу заменила более скоростная, но интерфейсно и софтварно почти идентичная шина AGP, а затем уже появился PCI-E, который оставался тем же PCI в софтовом плане, но был дифференциальным и последовательным, а не параллельным как интерфейсы-предшественники.
Дабы понять, как работают первые видеокарты, необходимо узнать о том, как происходит процесс отрисовки 3D-графики в общем случае. В мире программирования графики это называется конвейером и состоит он как минимум из нескольких этапов:
Установка состояний: Программа задаёт источники света на сцене, параметры Z-буфера и Stencil-буфера, какую текстуру(ы) следует наложить на рисуемую геометрию и с какой фильтрацией, какой тип аппаратного сглаживания использовать и т. п.
Ранее, каждый стейт необходимо было устанавливать отдельно, при необходимости — для каждого DrawCall'а. После подготовки состояния, программа вызывает соответствующую функцию отрисовки.
Обработка геометрии: Геометрия не поступает в растеризатор «как есть», в мировых координатах. Растеризатор оперирует вершинами в нормализованных Clip Space координатах — обычно, это [-1, -1… 1, 1], где 0.5 — центр экрана по каждой оси. Именно поэтому сначала необходимо провести этап трансформации геометрии для перевода из некой глобальной системы координат (которая может выражаться в метрах или, например, в пикселях) в Clip Space. Для этого чаще всего координаты (корректнее — трансформации) представляются в виде трех перемноженных матриц — model (мировые координаты геометрии), view (положение «глаз» в мире, или по простому камера. Умножая model на неё, мы получаем координаты объекта в пространстве камеры) и projection (матрица проекции, которая преобразовывает координаты из пространства глаз в тот самый Clip Space. Именно в этой матрице задается FOV для перспективной проекции и виртуальные размеры экрана для ортографической матрицы). После этого, координаты каждой вершины трансформируются полученной ModelViewProjection матрицей и получается финальная позиция для Clip Space. Звучит как сложный учебник матану, по факту всё очень просто. :)
Детали реализации низкоуровневого матана, в том числе перемножения матриц и построения матриц трансформаций и проекции знать желательно, но необязательно. Сейчас этим занимаются очень удобные математические библиотеки — например, glm, dxmath или d3dx.
Кроме того, ранее именно на вершинном этапе считалось освещение для уровня. В некоторых видеочипах была возможность аппаратного расчета источников света, в некоторых — только программная на ЦПУ.
На видеокартах тех лет, в том числе и S3 Virge, трансформацией вершин занимался центральный процессор, из-за чего было довольно серьёзное ограничение на количество вызовов отрисовки и число треугольников в одной модели. Видеокарты с аппаратной, но всё ещё не программируемой трансформацией вершин появились лишь к GeForce 2 — называлась эта технология T&L (Transform and Lightning) и её преимущество было в том, что у видеокарты были специализированные векторные сопроцессоры, способны быстро пересчитывать векторные операции (а у ЦПУ, в свою очередь, развивались SIMD наборы инструкций, позволяющие выполнять несколько операций над float одновременно). В некоторых случаях, был даже отдельный программируемый векторный сопроцессор как, например, в PlayStation 2, что позволяло реализовать вершинные шейдеры ещё в 2000 году! На современных видеокартах, этапом трансформации в самом простом случае управляют вершинные шейдеры. Помимо этого, есть возможность создания геометрии «на лету» с использованием тесселяции и геометрических шейдеров, а совсем недавно появились Mesh-шейдеры, которые объединили несколько подэтапов конвейера в один.
Растеризация: Сам процесс отрисовки геометрии на дисплей с данными, полученными с прошлого этапа. Именно на этом этапе треугольники (или иные геометрические примитивы) закрашиваются определенным цветом или на них накладывается текстура. В процессе растеризации есть такое понятие, как интерполятор — специальный модуль, который интерполирует несколько значений в барицентрических координатах растеризуемого треугольника, дабы текстурный юнит мог наложить определенный участок текстуры на фрагмент треугольника.
В современных видеокартах этот этап конвейера программируется пиксельными (или фрагментными) шейдерами. В старых видеочипах (исключение — вроде-бы частично программируемый GPU Nintendo 64, поправьте в комментариях, если не прав) этот процесс строго определен в каждом GPU и не программировался. Именно поэтому такой подход к рисованию графики назывался Fixed function pipeline. Были ещё комбайнеры, но они появились заметно позже — когда в видеокартах появилось уже несколько текстурных юнитов, способных смешивать несколько текстур одновременно.
Делая вывод, мы можем понять, что S3 Virge и другие видеочипы были устройствами, которые умели рисовать лишь тот уровень графики, который был заложен производителем с завода. Такой подход называется фиксированным конвейером — Fixed Function Pipeline. Сейчас разработчики видеочипов перешли с фиксированного конвейера на программируемый (шейдерный). Уже начиная с SM2.0-SM3.0, на современных видеокартах появилась возможность создавать крутое и достаточно сложное освещение и различные эффекты, которые стали неотъемлемыми в современных играх.
Кроме того, важно понимать, что в видеопамяти ранних видеочипов хранился только фреймбуфер, а немного позже — текстуры, именно поэтому VRAM в старой документации называют «текстурной памятью». Вообще, некоторые нюансы первых версий OpenGL тянуться именно из особенностей работы первых видеокарт. Вспомнить хотя бы первые функции для старта отрисовки геометрии и загрузке вершин на видеокарту — это были связки glBegin/glVertex/glEnd:
Даже сам glBegin/glVertex/glEnd появились не спроста. Геометрию на видеокарте начали хранить только в начале нулевых (и то не везде — привет встройкам Intel и S3).
Но перейдем к особенностям работы S3 ViRGE. Даташит лежит в свободном доступе, благодаря чему мы можем более подробно ознакомиться с характеристиками этого видеочипа и о том, как он работал под капотом.
В основе у нас лежит 64-х битное ядро, которое могло обрабатывать как 2D-графику с аппаратным ускорением, так и 3D-графику. Ядро работало на частоте 135МГц с встроенным RAMDAC (модуль, отвечающий за вывод картинки на аналоговые разъемы — VGA и DVI, однако выводом на TV-тюльпаны занимался отдельный чип TV-энкодер). Современные видеочипы перешагнули планку 1ГГц, однако сравнение исключительно по частоте некорректны — архитектуры очень сильно отличаются. Помимо этого, видеочип умел декодировать видео с интерполяцией и аппаратно «помогать» процессору с скейлингом видео (например, когда вы разворачиваете плеер на весь экран) и даже рендерить видео в текстуру (что позволяло реализовать, например, телевизоры в играх)!
3D движок поддерживал следующие возможности:
- Затенение по Гуро
- Маппинг текстур с перспективной коррекцией и билинейной/трилинейной фильтрацией, а также мипмаппингом.
- Depth-буфер, сэмплинг тумана и поддержка альфа-блендинга (прозрачной геометрии).
Чип поддерживал две шины — PCI и менее известную VLB (Vesa Local Bus, очень условно ISA)
Помимо этого, у чипа не было встроенной памяти — к нему необходимо было подключать внешнюю DRAM-память 2/4/8Мб. От её количества зависело максимально-поддерживаемое разрешение экрана. Текстуры при необходимости хранились в ОЗУ.
Поддерживаемые разрешения экрана:
Для DirectDraw и ускорения 2D-графики в Windows была реализация аппаратного BitBLT — копирования пикселей в точку на экране. Она поддерживала все режимы, которые были в реализации этой функции в Windows — от монохромных, до 24-х битных. Без альфа-блендинга, само собой. Но тут нет ничего необычного — многие видеочипы тех лет предоставляли простое 2D-ускорение.
Интереснее реализация отрисовки 3D-графики. Каждый треугольник описывался 3-мя регистрами на каждый параметр — координата X, Y для каждой точки, текстурные координаты и т. п. Всего для отрисовки одного треугольника могло потребоваться до 43 регистров! Весьма немало. И именно из-за этого в свое время появились glBegin/glVertex/glEnd!
Параметры сэмплера (текстурного юнита) задавались регистрами, которые определяли формат пикселя текстуры и сам тип фильтрации. Как я уже говорил выше — поддерживалась билинейная и трилинейная фильтрация и проприетарный формат сжатия текстур, который стал стандартом: S3TC или DXT.
Для программирования S3 ViRGE было разработано собственное C SDK — S3DTK, которое состояло из сэмплов и заголовочных файлов для общения с GAPI видеочипа (или видеочипом напрямую, если игра предназначена для DOS). При этом вполне не исключено, что GAPI для Windows работало с видеокартой напрямую, предоставляя PCI-драйвер лишь как прослойку для обмена данными. Поскольку это не D3D, для игр с поддержкой видеоускорения требовалось качать специфические версии. Некоторые игры (как Quake 2) поддерживали мультирендер, но не поддерживали S3 ViRGE.
Весь графический API помещался в один заголовочный файл. API было не простым, а очень простым и понятным — думаю, даже разработчикам-новичкам было легко начать программировать под ViRGE!
Формат вершин был фиксированным и зависел от того, как вы рисовали геометрию на экране:
GAPI поддерживало различные типы треугольных списков, а также точки (POINT для спрайтов и систем частиц) и линии:
Фактическое API для рисования умещалось в 9 функций и ещё несколько функций для инициализации библиотеки, преобразования адресного пространства и работы с Windows.
Для работы с состоянием видеочипа служили две функции — SetState и GetState. Именно они отвечали за то, как рисовалась геометрия на экране:
А для фактического рисования примитивов служили функции TriangleSet и TriangleSetEx! Да, это альтернатива DrawPrimitives/DrawArrays в современных GAPI. Никаких индексов тогда ещё не использовалось! Функции принимали указатель на массив вершин и их количество, а также на тип рисуемой геометрии (треугольники, линии и т. п.). В Ex версии, можно было «пачкой» установить стейты параллельно с рисованием — такой подход используется в DX10+ API — стейты тоже задаются исключительно «пачками», только теперь они поделены на подгруппы.
Для 2D-рисования были свои, отдельные функции — для блиттинга. Поддерживался ColorKey/хромакей — прозрачным считался определенный цвет, переданный как параметр функции
Основной причиной медлительности S3 ViRGE был низкий филлрейт. При отрисовке примитивов, которые занимают большое пространство экрана, FPS резко просаживался даже с примитивными кубиками и пирамидками. Однако, если не насаживаться на филлрейт и делать что-то типа 2D-поля и 3D-танчиков, то производительность оставалась вполне приемлимой.
❯ Заключение
История S3 закончилась поглощением компанией VIA. После этого, компания разрабатывала интегрированную графику специально для чипсетов VIA, а материнские платы на этих чипах пользовались довольно высоким спросом. Поэтому нередко взяв старый бюджетный ноутбук, года эдак 2005, можно найти в нём VIA Chrome — наследника легендарного S3 Savage! Проблемы у такого подхода тоже были — из-за наследия из конца 90х, ранние Chrome по сути поддерживали только D3D 7.0 и OpenGL ~1.4. Несколько позже, в 2009 году, компания выпустила S3 Chrome 540 GTX — одну из последних видеокарт на собственной архитектуре. Этот видеочип был достаточно современным и поддерживал DX10.1, OpenGL 3.0. Интересно, реально ли найти эту видеокарту сейчас?
По итогу мы можем сделать вывод, что первые 3D-ускорители были относительно простыми устройствами «под капотом» и их можно было программировать чуть ли не «напрямую». Многие старые видеочипы получили свои локальные прозвища и стали легендарными, однако их архитектура и принцип работы оставались тайной. По крайней мере, в рунете точно.
Насколько я понимаю, неравнодушные инженеры после закрытия 3dfx и слияния S3 с VIA решили «слить» даташиты в сеть, за что им большое спасибо! Ведь теперь мы имеем возможность посмотреть на принцип работы таких устройств сами!
Материал подготовлен при поддержке ТаймВеб. Подписывайтесь на мой блог, дабы не пропускать новые статьи каждую неделю! А если хотите оставаться в курсе событий и бэкстейджа статей - то есть Telegram!
