•2025年09月
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仅用 TTL 门电路从零构建文本模式显卡：分频器设计与字符映射参数

剖析 Leoneq 的 iNapGPU 项目，详解如何用 21 片 TTL 芯片实现 800x600@60Hz 文本显卡，提供分频器、字符生成与抗噪调试的可落地参数。

在软件定义一切的时代，Leoneq 的 iNapGPU 项目逆流而上——仅用 21 片 TTL 逻辑芯片，不依赖任何微控制器或 FPGA，从零构建出支持 800x600@60Hz 的文本模式显卡。这不仅是一次复古硬件工程的致敬，更是一堂关于数字电路底层原理的实践课。本文将聚焦其核心设计：分频器电路优化、字符生成架构与工程调试参数，为你提供一份可复现的硬件清单与调试指南。

1. 项目动机与规格：为何选择“世界第二差”方案

iNapGPU 的灵感源自 Ben Eater 的“世界最差显卡”，但 Leoneq 的目标更激进：构建一个真正能驱动 VGA 显示器、支持标准分辨率的纯 TTL 显卡。其规格参数直指实用边界：物理输出 800x600@60Hz（有效显示区 400x300），支持 50x18 字符布局，字符集容量达 255 个并可通过 2-bit 选择 4 个不同字库（如拉丁字母、波兰语字符、星际标准字母）。整个系统仅使用 2 个计数器、若干 NAND/NOT 门、1Mbit EPROM 与 2kB SRAM，通过并行接口与 Arduino 或 Z80 微处理器通信。作者自嘲“这是个糟糕的主意，应该用 FPGA”，但正是这种“徒手造轮子”的精神，揭示了现代 GPU 底层时序与内存管理的本质。

2. 分频器电路设计：用 12MHz 计数器“超频”生成 20MHz 像素时钟

VGA 信号的核心是精确的时序控制。标准 800x600@60Hz 模式要求像素时钟为 40MHz，但 Leoneq 巧妙地将需求减半：通过仅在水平扫描的“有效像素期”输出信号，将实际像素时钟降至 20MHz。这一设计的关键在于分频器——他选用了 CD4040 12 位二进制计数器，但面临一个硬伤：该芯片标称最大工作频率仅 12MHz（@15V）。解决方案是“超频”：在 5V 供电下强行驱动至 20MHz。作者坦言“不保证对你有效”，并建议使用多个 4 位计数器级联以保稳定。

更精妙的是同步信号生成。传统设计需比较完整 12 位计数器值，但 Leoneq 仅比较“个位”（最低有效位），利用 RS 触发器的边沿触发特性：当计数器达到 528（行周期结束）时，通过 NOT 门将高电平复位信号送入触发器，生成 HSYNC 脉冲。垂直同步（VSYNC）采用相同逻辑，由另一 CD4040 计数行数。这种“部分比较”设计大幅减少门电路数量，代价是计数器会多次触发同一事件——但因触发器仅响应边沿，实际输出无影响。最终，水平计数器运行在 37.87kHz，垂直计数器锁定 60Hz，完美匹配 VGA 时序。

3. 字符生成与显存架构：EPROM/SRAM 协同的“字符-像素”转换

显卡的核心功能是将字符代码转换为像素矩阵。iNapGPU 采用两级存储架构：SRAM 存储当前屏幕的 900 个字符代码（50x18），EPROM 存储字符字模（glyph）。地址映射是关键：EPROM 的 20 根地址线中，高 8 位来自 SRAM 读出的字符码，中间 4 位为行号（0–15，定义字符高度），低 3 位为列号（0–7，定义字符宽度），最低 2 位选择字库页。这样，每个字符被分解为 16x8 像素矩阵，通过时序电路逐行扫描输出。

数据总线的管理是另一难点。为避免 SRAM 写入与 EPROM 读取冲突，Leoneq 使用 74LS245（双向总线收发器）和 74LS244（单向缓冲器）隔离总线。写入时，缓冲器阻断 EPROM 访问；读取时，收发器将 SRAM 数据送入 EPROM 地址线。一个已知缺陷是：写入期间屏幕会轻微闪烁，因电路无法同时读写。作者建议未来改用 74LS373 锁存器暂存字符码，可彻底解决此问题——这恰是现代 GPU 显存控制器的雏形。

4. 工程落地参数与调试清单：从面包板到抗噪实战

复现 iNapGPU 需严格遵循以下参数与调试步骤：

  • 关键 IC 清单：2x CD4040（计数器），4x 74LS00（NAND），2x 74LS02（NOR），1x 74LS04（NOT），2x 74LS74（D 触发器），2x 74LS244，2x 74LS245，1x M27C1001（1Mbit EPROM），1x HM6116（2kB SRAM）。总计 21 片。
  • 时钟与电源：主时钟 20MHz（可由 40MHz 晶振分频），所有 IC 供电 5V±5%。CD4040 超频需实测稳定性，建议备选 74HC4040（高速 CMOS 版）。
  • 抗噪调试：电路对电磁干扰极度敏感。作者报告 USB 线或示波器探头靠近即导致图像扭曲。解决方案：1) 所有电源引脚并联 100nF 陶瓷电容；2) 信号线尽量短，避免平行长走线；3) 使用屏蔽线连接 VGA 接口；4) 远离开关电源与电机设备。
  • 字符生成校准：EPROM 烧录需严格对齐字模格式（每字符 16 字节，每字节 8 像素）。提供 Arduino 测试代码可验证字符映射，若出现乱码，检查 SRAM 地址线焊接或 EPROM 页选择信号。

已知异常包括背景杂线（疑似地线环路）、字符边缘模糊（EPROM 访问时序抖动），作者计划用新示波器定位。尽管不完美，iNapGPU 证明了纯 TTL 电路的惊人潜力——它不仅是硬件爱好者的玩具，更是理解计算机图形学底层的绝佳教具。下一次当你调用 OpenGL 时，不妨想想那些在面包板上跳动的 TTL 门电路，它们才是真正的“第一性原理”。