在 1970 年代末至 1980 年代初的街机游戏时代，矢量图形（Vector Graphics）以其极高的分辨率和清晰度成为技术标杆。从《Lunar Lander》到《BattleZone》，从《Asteroids》到《Star Wars》，这些经典游戏背后的核心技术正是矢量图形发生器（Vector Generator）。理解其硬件架构与信号时序，不仅是对游戏历史的致敬，更是复古硬件修复与 FPGA 实现的必备知识。
矢量图形的基本原理
与传统光栅显示器逐行扫描不同，矢量显示器直接控制电子束在屏幕上的位置。电子束从起点移动到终点，绘制出一条直线，然后熄灭，移动到下一个起点。这种工作方式带来了一个显著优势：分辨率不再受限于像素网格 —— 理论上可以达到任意精度，只要硬件（偏转放大器）能够跟得上。
在 Atari 的实现中，矢量发生器需要解决三个核心问题：如何精确控制电子束位置、如何在不同长度的矢量间保持一致的亮度、以及如何在没有帧缓冲区的情况下高效绘制大量矢量。这些问题直接催生了两种不同的矢量发生器架构：数字矢量发生器（Digital Vector Generator，DVG）和模拟矢量发生器（Analog Vector Generator，AVG）。
数字矢量发生器的核心架构
数字矢量发生器的核心思想是将矢量绘制转化为一个计数问题。系统使用一个计数器连接到数模转换器（DAC），通过递增或递减计数器来移动电子束。具体实现中，计数器工作在双向模式，接收来自二进制速率乘法器（Binary Rate Multiplier，BRM）的时钟脉冲。
BRM 是整个系统的关键组件。Atari 采用的是 TI 公司的 7497 芯片，这是一款 6 位二进制速率乘法器。当输入为 63 时，每个输入时钟周期产生 63 个输出脉冲；当输入为 1 时，每 64 个输入时钟产生 1 个输出脉冲。这种非线性特性使得系统可以通过调整 BRM 的输入值来精确控制矢量绘制速度。两片 7497 级联形成 12 位 BRM，提供足够的精度控制。
由于 X 轴和 Y 轴的矢量长度通常不同，系统需要为两个轴提供独立的时钟源。如果使用相同的时钟源绘制一条 40 单位长 X 轴和 30 单位长 Y 轴的矢量，结果将是一个阶梯状而非直线。解决方案是让较长的轴全速绘制，较短的轴按比例减速。具体而言，如果 X 轴需要 40 微秒，Y 轴需要在同样的 40 微秒内完成 30 单位，则 Y 轴的时钟频率应为 X 轴的 30/40。
数模转换与去抖动
DAC 本身存在一个固有问题：输入值改变时，内部电阻网络的切换会产生尖峰噪声。如果直接将这些噪声送到偏转放大器，电子束会显示不必要的抖动。解决方案是使用采样保持电路（Sample-and-Hold）：在 DAC 输出稳定时闭合开关对电容充电，然后断开开关允许 DAC 改变输入，保持电容上的电压驱动输出。缓冲放大器具有高输入阻抗，使电容在采样保持周期内不会显著放电。
Atari 的数字矢量发生器使用 10 位 DAC，提供 1024 步的分辨率。坐标系统采用二进制补码形式：最高位为符号位，$200（512）代表零点，正数向右 / 向上，负数向左 / 向下。由于正负范围不对称（-512 到 +511），编程时需要考虑这一细节。
二进制归一化
为了在不同长度矢量间保持一致的磷光亮度，矢量应按比例绘制：如果一条矢量是另一条的两倍长，绘制时间也应翻倍。理论上这需要计算平方根和多次除法，在运行时执行这些数学运算对 6502 处理器来说过于昂贵。
Atari 的解决方案是二进制归一化（Binary Normalization）：在程序集阶段预先处理矢量数据。X 和 Y 值加载到移位寄存器，时间寄存器加载预设值；每次 X 和 Y 移位左翻倍（乘以 2），时间寄存器右移减半；重复直到任一轴即将溢出。最终 X、Y 和时间保持正确的比例关系，矢量以接近最快的安全速度绘制。由于时间寄存器的初始状态每次只有一位被置位，可以用 4 位数字表示，允许额外的 4 位加法器进行短矢量的二进制缩放。
矢量发生器状态机
将数据高速馈送 DAC 并保持系统运行是一项艰巨任务 ——6502 即使不运行游戏也远远不够快。Atari 的解决方案是构建一个由 SSI 和 MSI 电路组成的专用协处理器，其核心是一个状态机。
状态机由 PROM 和锁存器组成。PROM 编程为每个地址的数据选择下一个地址，锁存器允许 PROM 输出稳定后再反馈到输入，提供基本的时序。清除锁存器使机器进入状态 0，该状态的数据决定下一状态。通过解码状态可以提供最多八种功能。
状态机执行一条指令需要多个微状态。以最基础的 Load X,Y 指令为例：状态 0 将数据锁存到指令锁存器并递增程序计数器；状态 1 将数据锁存到 X 锁存器；状态 2 将数据锁存到 Y 锁存器；状态 3 触发采样保持并决定是否结束指令。完整的指令集包括：Load X,Y（3 字节，4 个机器周期）、JMP addr（2 字节）、JSR addr（2 字节）、RTS（1 字节）、NOP（1 字节）、HALT（1 字节）和 TIMER（2 字节，带计时数据）。
Asteroids 的矢量发生器状态机除了状态机外还包含相当数量的随机逻辑，这是因为需要支持更多功能。
模拟矢量发生器的演进
模拟矢量发生器解决了数字版本的一个根本问题：阶梯效应。在数字版本中，每个 XY 位置来自计数器输出，结果类似于帧缓冲区 —— 当矢量以离散步长移动时会出现阶梯。模拟版本通过模拟积分器产生连续变化的电压，消除阶梯。
模拟矢量发生器的核心是积分器电路。根据电容的电流 - 电压关系 I = C × dV/dt，对电容施加恒定电流产生线性斜坡。实际实现中使用运算放大器构建的电流源，确保电容电流恒定而与电压无关。
模拟矢量发生器与数字版本有几个关键差异：数字版本产生由离散坐标点组成的矢量，模拟版本在点之间连续变化；数字版本可通过加载计数器直接设置位置，模拟版本只能将电子束居中并绘制空白矢量到目标位置；数字版本需要 BRM 提供不同频率时钟，模拟版本自动产生正确比例的模拟斜坡。
运行时归一化
模拟矢量发生器首次用于 BattleZone，该游戏的 3D 物体矢量是运行时计算的结果，无法在程序集阶段进行归一化。因此模拟版本增加了在运行时执行二进制归一化的电路。
窗口电路
BattleZone 引入了窗口电路，允许程序员定义屏幕上的矩形区域。落在窗口外的矢量被消隐。这用于将游戏矢量排除在雷达显示之外 —— 程序员先绘制矢量到窗口右下角并发出 HST 命令采样保持，然后绘制到左上角并发出 LST 命令，两组比较器持续监控当前位置是否在窗口内。
线性缩放
模拟矢量发生器支持一种数字版本无法实现的功能：通过改变 DAC 参考电压 VREF 来线性缩放物体。改变 VREF 从缩放点开始缩放后续矢量，不影响起始位置。结合二进制缩放和线性缩放，可以在不改变绘制时间的情况下大范围调整物体大小。
时序与调试参数
对于复古硬件修复和 FPGA 实现，以下是关键的时序参数和信号：
主时钟与分配
Atari 矢量发生器通常使用 12 MHz 主时钟，经分频后为矢量逻辑提供 6 MHz 时钟。检查矢量发生器时，首先验证主时钟及其分频：错误的分频（如二分频错误）会等比缩放所有矢量。示波器测量时应能在测试点观察到稳定的 6 MHz 或 12 MHz 方波。
BRM 输入与输出
两片 7497 级联形成 12 位 BRM，正确的 12 位速率数据对长度缩放至关重要，尤其是长矢量。示波器监测 BRM 输出应看到与设定值成比例的脉冲序列。如果矢量长度缩放异常，特别是长矢量，应检查 7497 芯片和速率数据总线。
控制信号时序
核心控制信号包括：VG GO 启动矢量列表执行；VG HALT 指示状态机已完成列表；VG CENTER 是将电子束居中的微操作。每个信号都有特定的时序要求 —— 可以用逻辑分析仪验证这些控制信号相对于 VG GO 和相互之间的时序关系。
故障症状与定位
常见的矢量显示故障症状有：矢量过短或过长，通常是定时链中某个计数器或锁存器（如 LS161、LS193、LS175）故障；某些长度组合下矢量行为异常，表现为负轴线错误或命令 "瞬间" 执行（没有可见线条）；所有矢量都是小点或显示异常，可能是定时链问题导致有效绘制时间为零。
现代实现的可能性
将整个状态机矢量发生器放入 FPGA 现已可行，现代 FPGA 的规模足以包含状态机和矢量存储器。模拟后端可以用现代高速 DAC 和模拟开关实现：现代 30 MHz DAC 取代了原来的 4 MHz AD561，采样保持电路也能满足速度要求。
另一个方向是用 DSP 取代状态机。TMS32010 及其后继者具有足够的计算能力执行实时归一化和矢量生成，现代 DSP 如 ADSP-2186 甚至可以完全在片上完成。
资料来源
本文技术细节主要参考 Jed Margolin 的权威文章《The Secret Life of Vector Generators》。Jed Margolin 曾在 Atari 工作，是 BattleZone 等矢量游戏硬件团队的成员，该文章详细记录了从 Lunar Lander 到 TomCat 的整个矢量发生器发展历程，包含原始电路图和 IC 数据手册。