TMS9918

El TMS9918 se encapsuló en un encapsulado DIP ( Dual In-line Package ) de 40 pines . La alimentación se suministró como +5 V en el pin 33, V _CC , y la tierra en el pin 12, V _SS . Un cristal de cuarzo que funcionaba a 10,7386  MHz, tres veces la frecuencia de ráfaga de color NTSC , se conectó entre los pines 40, XT1, y 39, XT2. La salida de vídeo se encontraba en el pin 36, COMVID, y la entrada, si se utilizaba, en el pin 35, EXTV, con la conexión de blindaje de su conector conectada a tierra. ^{[ 3 ]}

Para lograr el rendimiento de memoria necesario para admitir el funcionamiento a todo color, el sistema utilizó un área dedicada de DRAM a la que denominaron VRAM. Para operar esta memoria, el sistema incluyó un conjunto separado de pines que formaban un bus de direcciones de 8 bits en los pines 3 (AD7) al 10 (AD0) y un bus de datos de 8 bits en los pines 25 (RD7) al 32 (RD0), con soporte de un control de lectura/escritura en el pin 11, y RAS y CAS en los pines 1 y 2. ^{[ 3 ]}

La comunicación con el ordenador anfitrión se realizaba a través de un bus de datos independiente de 8 bits en los pines 17 a 24, D7 a D0. El pin 13, MODE, controla si los datos en ese bus son una dirección o datos. Para escribir en el TMS9918, la CPU primero establece el modo y escribe datos en un registro de direcciones interno; luego escribe los datos en el bus y cambia el modo para que los datos se depositen en esa dirección. Después de leer el byte de datos, el TMS9918 incrementa el puntero en el registro de direcciones, lo que permite escribir una serie de bytes sucesivamente. ^{[ 4 ]}

El TMS9918 organiza lógicamente los gráficos en varias capas: 32 capas de sprites en la parte superior, una capa de gráficos o texto, un fondo con un solo color sólido que llena la pantalla y, finalmente, una capa de vídeo externa. El plano del fondo es ligeramente más grande que los demás, por lo que llena completamente la pantalla. El sistema utiliza una paleta de 15 colores, junto con el color 0, que es transparente. En cualquier ubicación de píxel en la pantalla, el sistema comprueba si hay un objeto en particular en esa ubicación y si está configurado como transparente o no. Si es transparente, examina el siguiente objeto, y así sucesivamente, hasta llegar a la capa de vídeo externa (que a menudo no se utiliza). ^{[ 5 ]} Las siguientes descripciones están ordenadas de esta misma manera.

Una característica clave de la serie 9918 era su compatibilidad con sprites . Utilizaba una serie de 8 bytes en la VRAM para almacenar patrones para sprites de 8 x 8 píxeles, un byte por cada línea de 8 píxeles. También tenía un segundo modo con sprites de 16 x 16 píxeles, 2 bytes por fila y 16 filas. ^{[ 6 ]} Además, cualquiera de los tamaños de sprite podía ampliarse al doble para que los sprites se vieran más grandes en la pantalla. Los datos de los patrones para los sprites, en entradas de 8 o 32 bytes, se almacenaban en un bloque de memoria conocido como tabla generadora de sprites (SGT). ^{[ 7 ]}

Además de las entradas de 8 o 32 bytes que contenían los patrones, existía una tabla de atributos de sprite (SAT) independiente que definía cómo se interpretaban y mostraban los datos. Esta incluía valores de 8 bits para la posición horizontal y vertical del sprite, un puntero al inicio de los datos de ese sprite en la SGT (que denominaban nombre ) y un código de color en los cuatro bits inferiores, para un total de 4 bytes por sprite, lo que sumaba un total de 128 bytes en la SAT. ^{[ 6 ]}

Para determinar qué color mostrar en un píxel específico de la pantalla, el sistema buscaba qué sprites eran visibles en esa ubicación y luego recorría los patrones hasta encontrar el primero que contenía un 1 en esa posición. A continuación, dibujaba el color encontrado en el SAT de ese píxel. Esto hacía que los sprites se mostraran en orden, de modo que los sprites con números más bajos aparecían encima de los de números más altos. Esto significaba, por ejemplo, que el sprite 0 siempre aparecía arriba. Si no había ningún sprite con un 1 en esa ubicación de la pantalla, ese píxel era transparente y se mostraban los gráficos de fondo. ^{[ 8 ]}

Como los sprites se dibujaron en orden, a veces es necesario cambiar ese orden para producir los efectos de superposición deseados. Este es el propósito de las entradas del campo "nombre" en el SAT. Por ejemplo, si se quiere cambiar la visualización para que el sprite 10 aparezca delante del 5, se pueden intercambiar los valores de las entradas del campo nombre de ambos, evitando así tener que mover los datos del patrón. Mediante una cuidadosa disposición del orden de los sprites, el sistema puede producir fácilmente efectos de desplazamiento pseudo-3D y de paralaje . ^{[ 9 ]}

Debido a problemas de rendimiento, solo se pueden mostrar cuatro sprites en cada línea de escaneo. Si se especifican más en una línea determinada, simplemente no se mostrarán. El VDP tiene un registro de estado que informa el número del primer sprite que se tuvo que descartar. Es responsabilidad del programador diseñar su sistema para garantizar que no se alcance este límite. Un truco para emular más sprites en una línea se puede lograr cambiando las prioridades intercambiando los valores de nombre cada dos fotogramas, de modo que se muestre un conjunto de cuatro en un fotograma y luego otro en el siguiente. Esto permite hasta ocho sprites en una línea, pero produce un parpadeo perceptible.

El indicador de colisión de sprites se activa cuando coinciden bits de patrón distintos de cero de dos sprites, incluso si alguno de ellos es transparente. El VDP no indica qué sprites han colisionado, sino simplemente que al menos dos lo han hecho. Normalmente, esto se utiliza para activar rutinas de detección de colisiones más avanzadas dentro del software, que pueden determinar la ubicación exacta de la colisión y actuar en consecuencia.

Los gráficos del 9918 se basaban en una disposición de píxeles subyacente de 256 de ancho por 192 de alto. ^{[ 5 ]} Estas cifras son típicas de los sistemas de la época que utilizaban señales de vídeo analógicas para la salida en una pantalla de escaneo progresivo . Esto se acerca a la resolución máxima alcanzada en los televisores de la época, que era de alrededor de 320 por 240, debido a la complejidad de las señales de radiofrecuencia NTSC . ^{[ a ]}

Existían cuatro formas de utilizar la capa gráfica:

El modo 0 , o modo texto , dividía la pantalla en una disposición de 40 por 24 "bloques", cada uno de 6 píxeles de ancho y 8 de alto. Cada bloque podía contener un valor de 0 a 255, que normalmente representaba un conjunto de caracteres ASCII expandido . Los patrones de cada uno de los 256 caracteres se almacenaban en la VRAM y podían modificarse cargando los valores de la VRAM mediante la CPU. Cada línea de caracteres se definía como una serie de píxeles "encendidos" o "apagados", almacenados en un byte por línea y 8 bytes por carácter. Dado que los bloques eran de 6 por 8 en la pantalla, el diseñador debía disponer los caracteres en una cuadrícula de 5 por 7 para dejar espacio entre ellos. El color de los bits "encendidos" y "apagados" en los patrones podía ser cualquiera de los 15 colores disponibles y se almacenaba en la VRAM. ^{[ 3 ]}

El Modo 1 , o Gráficos I , era esencialmente una modificación del Modo Texto que dividía la pantalla en un diseño de 32 por 24, de modo que cada bloque era de 8 por 8 píxeles en lugar de 6 por 8. El patrón para cualquier píxel dado en la pantalla se buscaba en la misma tabla de patrones de bits de 256 entradas que la que contenía los caracteres en el Modo Texto. Como había 768 ubicaciones posibles y solo 256 patrones posibles, este modo estaba limitado en los tipos de pantallas que podía producir. Gráficos I también agregó una sección separada de VRAM que almacenaba los valores de color para los píxeles encendidos y apagados para cualquier bloque dado, con 768 entradas. Esto significaba que cada bloque de 8 por 8 píxeles podía tener sus propios dos colores, pero los píxeles dentro de cualquier bloque tenían que ser todos iguales. ^{[ 7 ]} Esta no es una solución infrecuente para la época, y conduce a un problema bien conocido llamado conflicto de atributos cuando no es posible elegir colores que no hagan que los bordes de las celdas sean visibles.

El Modo 2 , o Gráficos II , fue una modificación adicional de Gráficos I, que permitía patrones separados para los 768 bloques, así como configuraciones de color separadas para cada línea dentro de los bloques. Esto significaba que cualquier bloque podía usar los 15 colores, aunque solo dos por línea. Esta pantalla permite dibujar cualquier imagen y mostrar más colores, lo que produce una pantalla direccionable por píxeles y adecuada para el dibujo de alta resolución de imágenes arbitrarias. El costo es que requiere 32 entradas de color para cada una de las 192 líneas, así como un mapa de patrones extendido con 768 entradas separadas, lo que aumenta la VRAM necesaria para almacenar todos los datos a aproximadamente 12  KB. ^{[ 10 ]}

El modo 3 , o modo multicolor , dividía la pantalla en bloques de 64 por 48, para un total de 3072 bloques. En este modo no había patrones; la celda completa estaba encendida o apagada. Cada bloque tenía una entrada en la tabla de colores, por lo que cada bloque podía seleccionar su propio color. Esto producía una pantalla de baja resolución pero con alta gama cromática utilizando menos de 3  KB de VRAM. ^{[ 11 ]}

Una limitación del sistema era que no incluía soporte para desplazamiento fino por hardware y solo permitía el desplazamiento a lo largo de los límites de las celdas, normalmente de 8 líneas de altura. El desplazamiento se realizaba moviendo el patrón ya almacenado en la VRAM y añadiendo datos para la nueva línea o columna, lo que requería cierto tiempo. Además, dado que todos los modos gráficos eran esencialmente modos de caracteres con caracteres personalizados en cada celda, los patrones que abarcaban varias celdas, como líneas o círculos, debían calcular los píxeles de cada línea de cualquier celda y cargar esos valores en los conjuntos de caracteres.

Otra característica clave de la serie 9918 era su capacidad para leer una fuente de vídeo externa y transmitir esa señal a la salida, siempre que todos los objetos situados encima fueran transparentes. Esto permitía al sistema generar gráficos que luego podían superponerse a una fuente analógica, como una cámara de vídeo o una cinta de vídeo. Para asegurar la correcta sincronización de las dos pantallas, también era necesario introducir la señal de reloj de la fuente externa, sustituyendo así la señal de reloj que normalmente generaría un cristal de cuarzo . Asimismo, se requería un sistema para igualar la intensidad de la señal de entrada con la de salida, de modo que ninguna señal anulara a la otra. ^{[ 14 ]}

Los chips de la familia TMS9918 utilizaban una paleta de vídeo compuesto . Los colores se generaban a partir de una combinación de valores de luminancia y crominancia para el TMS9918A y Y , y RY (Pr) y BY (Pb).Los valores corresponden al TMS9928A/9929A. ^{[ 15 ]}

Y = R * 0,30 + G * 0,59 + B * 0,11

R = RY + Y B = BY + Y G = (Y - 0,30 * R - 0,11 * B) / 0,59

El TMS9918 solo se utilizó en la TI-99/4; la TI-99/4A y las demás computadoras tenían la versión A del VDC.

Las consolas TMS9918A y TMS9928A emiten una señal de vídeo de 60  Hz , mientras que la TMS9929A ​​emite una de 50  Hz. La diferencia entre el "1" y el "2" en las versiones "TMS9918A" y "TMS9928A" radica en que la versión "1" emite vídeo compuesto NTSC , mientras que las versiones "2" (incluida la TMS9929A) emiten señales analógicas de luminancia Y y de diferencia de color RY y BY. La necesidad de estas últimas era predominante en el ámbito de los 50  Hz , incluyendo Europa, debido a los diferentes estándares de señal de vídeo PAL y SECAM . Resultaba más rentable emitir Y, RY y BY y codificarlas en PAL o SECAM en el modulador de RF , que intentar tener una consola diferente para cada estándar de color. La versión "1" también incluye una entrada de vídeo compuesto externa, lo que la convertía en un chip muy útil para usar en "tituladores" de vídeo que podían superponer texto o gráficos en el vídeo, mientras que la versión "2" no la tiene.

Las variantes originales del TMS9918 eran NMOS de carga de agotamiento y se fabricaban en un proceso de 4,5 μm; fue uno de los primeros chips NMOS de carga de agotamiento que fabricó Texas Instruments, a diferencia del microprocesador TMS9900 , que utilizaba el proceso NMOS de carga de enriquecimiento más antiguo que requería tres voltajes de alimentación. Debido al gran tamaño del chip y a la velocidad interna relativamente alta, el TMS9918 se calentaba lo suficiente como para necesitar un disipador de calor; algunos dispositivos, como la consola taiwanesa DINA (un híbrido Colecovision/SG-1000), no instalaron disipadores y sufrieron fallos de funcionamiento del chip. En 1983, Texas Instruments redujo el tamaño del chip a 3 μm, lo que hizo que funcionara a menor temperatura y ya no requiriera un disipador. Las máquinas MSX y la Sega SG-1000 utilizaban el chip TMS9918 de 3 μm, más moderno, mientras que la mayoría de las Colecovision tenían la variante original de 4,5 μm (la última serie de consolas producidas en 1985 tenía el modelo TMS9918 más nuevo).

Una variante posterior de los chips de la serie TMS9918, los TMS9118 , TMS9128 y TMS9129 , se lanzaron a mediados y finales de la década de 1980, pero nunca fueron muy populares. Se modificó la función de un pin y la asignación de la memoria de vídeo permite utilizar dos chips de 16K×4 bits en lugar de los ocho chips de 16K×1 bit que requiere el TMS99xx. Por lo demás, los chips son completamente idénticos a los TMS9918A, TMS9928A y TMS9929A, respectivamente.

• Ciarcia, Steve (agosto de 1982). "Gráficos en color orientados a sprites de alta resolución" (PDF) . Byte . págs. 57–67 , 80.