在 FPGA 上重现 Voodoo 图形和 20 世纪 90 年代末的游戏 PC

上个月我在 z486_MiSTer 中添加了功能并提高了性能，主要是处理 20 世纪 90 年代上半叶的游戏。展望未来几年，我想到了另一个我想要探索的变化：3D 显卡的到来。第一个给我留下深刻印象的是巫毒。该游戏是《极品飞车 II SE》。平滑的纹理、雾气和整个事物的速度让它感觉像是新一代的电脑游戏。既然 z486 CPU 已经存在，我可以在 FPGA 上重新创建它吗？这一绕行的结果是 zSST ，它是 3dfx Voodoo Graphics 或 SST-1 的 SystemVerilog 实现。与我的 z486 CPU 和周围的 PC 硬件相结合，它形成了 z486 XL：一台带有 Voodoo 图形的 DOS PC，在 Xilinx KV260 板的可编程逻辑中运行。 《古墓丽影》现在使用其原始 3dfx 渲染器运行。 zSST 在模拟中渲染犹他州茶壶。完整 FPGA PC 上的《古墓丽影》。 zSST 实现了 Voodoo 的大部分核心功能：准备好的三角形、纹理过滤和 mipmap、深度和 alpha 测试、雾、混合、抖动、帧缓冲区访问和缓冲区交换。它支持定点和浮点设置接口。硬件游戏测试仍集中在《古墓丽影》；更广泛的兼容性和后来的 Voodoo 世代将是另一天的工作。 KV260 上的 CPU 和渲染器以 100 MHz 运行。该板具有足够的逻辑、DSP 模块、片上存储器和 DDR 带宽，适合组合设计。 DE10-Nano 没有空间用于添加图形。 KV260使用其板载DDR；无需添加外部 SDRAM 模块。从编程模型开始 幸运的是，有大量的材料可供参考。 3dfx 于 1999 年发布了 Glide 源代码，之后 NVIDIA 于 2000 年 12 月收购了其核心图形资产。现存的 Glide 源代码和 SST-1 规范解释了软件如何准备三角形、配置像素管道以及管理纹理和帧缓冲区。该规范是行为目标，而不是电路图。它告诉我们当软件写入寄存器时会发生什么，但留下了许多实现选择。 86Box 为复杂的渲染行为提供了有用的参考。早期的 MAME Voodoo 作品是这段保存历史的另一部分。 SpinalVoodoo 提供了特别有用的 Glide 轨迹和参考屏幕截图以供测试。从三角形到 3D，每个时钟一个像素 Voodoo Graphics 将三角形转换为像素，将大部分 3D 工作留给主机 CPU。其命令接口非常紧凑：五个主命令寄存器驱动加速器。注册操作triangleCMD 开始渲染准备好的三角形。 ftriangleCMD 通过浮点设置界面启动一个三角形。 nopCMD 冲洗管道；可选择重置统计计数器。 fastfillCMD 清除颜色和/或深度数据的剪切矩形。 swapbufferCMD 立即或同步到垂直回扫切换显示的缓冲区。两个三角形命令启动相同的渲染管道。其他寄存器保存坐标、梯度和渲染状态，而内存映射区域提供纹理上传和直接帧缓冲区访问。主要绘图基元只是一个准备好的三角形。对于游戏开发者来说，Glide 提供了一个更友好的界面： void grDrawTriangle(const GrVertex *a, const GrVertex *b, const GrVertex *c);在此调用之前，主机 CPU 会变换 3D 几何体、计算顶点光照、对其进行剪辑并将其投影到屏幕上。然后，Glide 准备屏幕空间三角形及其参数梯度（用于在其表面上插入值的增量）并写入三角形命令以开始渲染。与后来的 GPU（例如 GeForce 256）不同，SST-1 没有硬件变换和照明引擎。加速器仍有大量工作要做。光栅化器找到哪些像素中心位于三角形内，并插入它们的颜色、深度和纹理坐标。纹理单元获取并过滤纹理像素；帧缓冲区单元组合颜色，应用可见性测试和雾，与现有图像混合，并写入结果。一个像素需要几个阶段才能完成，而新的像素可以不断进入。原始卡将这项工作分配给两个 ASIC：FBI（帧缓冲区接口）和 TREX（纹理映射单元，通常称为 TMU）。在 50 MHz 图形时钟下，宣传的峰值是每个时钟一个纹理的、经过深度测试的输出像素：每秒 5000 万像素。每个时钟一个像素并不意味着一个像素在一个时钟内完成。这意味着不同的阶段可以同时处理不同的像素：在对一个像素进行纹理处理时，可以混合较早的一个像素并输出另一个像素。一旦管道已满，它可以理想地每个时钟接受并完成一个像素，前提是内存保持不变。这就是固定功能管道的吸引力。软件渲染器为每个像素执行许多指令；专用硬件超过