IMLAC: История графических дисплеев 1970-х годов

Введение

Система графического отображения

Корпорация IMLAC была американской компанией по производству электроники в Нидхеме, штат Массачусетс, которая в 1970-х годах производила системы графического отображения, в основном PDS 1 и PDS 4. PDS 1 дебютировал в 1970 году. Это была первая недорогая коммерческая реализация системы Sketchpad Ивана Сазерленда – высокоинтерактивной компьютерной графики с возможностью отображения движения. Его цена составляла 8300 долларов США (без учета опций), что эквивалентно стоимости четырех автомобилей Volkswagen Beetle. PDS 1 был функционально схож с гораздо более крупной системой IBM 2250, которая стоила в 30 раз дороже. Это был значительный шаг вперед в развитии компьютерных рабочих станций и современных дисплеев. PDS 1 состояла из монитора CRT, клавиатуры, светового пера и панели управления, размещенных на небольшом столе, при этом основная электронная логика находилась в основании стола. Электроника включала в себя простой 16-битный мини-компьютер, 8 блоков памяти магнитного ядра объемом 16 килобайт каждый и процессор отображения для управления движением электронного луча в CRT. IMLAC – это не аббревиатура, а имя поэта-философа из романа Сэмюэля Джонсона «История Расселаса, принца Абиссинии».

Временная линия продуктов

1968 год: Основана компания Imlac. Их бизнес-план заключался в создании интерактивных графических терминалов для биржевых трейдеров, но этого не произошло. 1970 год: Представлен PDS 1 для общего рынка графики. 1972 год: Представлен PDS 1D. Он был аналогичен PDS 1, но с улучшенными схемами и системной платой. 1973 год: Представлен PDS 1G. 1974 год: Представлен PDS 4. Он работал в два раза быстрее и отображал в два раза больше текста или графики без мерцания. Его графический процессор поддерживал мгновенное интерактивное увеличение с отсечением. В качестве опции предлагался модуль вычислений с плавающей точкой. 1977 год: В США было продано около 700 систем PDS 4. Они производились под заказ, а не серийно. 1978 год: Представлен Dynagraphic 3250. Он был разработан для использования преимущественно с проприетарной графической библиотекой, написанной на Fortran и работающей на более крупных компьютерах, без необходимости программирования внутри терминала. ? ??? : Представлен Dynagraphic 6220. 1979 год: Компания Imlac Corporation была приобретена компанией Hazeltine Corporation, производителем исключительно текстовых терминалов. 1981 год: Представлена Hazeltine Imlac Dynagraphic Series II. Она была разработана для совместимости со стандартом 3D-графической библиотеки SIGGRAPH CORE 1979. Стоимость составляла 9000 долларов США при закупке оптовых партий (OEM). Она имела разрешение 2Kx2K, 192 килобайта оперативной памяти и микропроцессор 8086, все размещенные внутри корпуса монитора. DEC GT40 имела схожую конструкцию и цену с PDS 1D. Ее настольная электроника была более компактной и использовала серийно выпускаемый набор плат PDP 11/05 в качестве локального мини-компьютера. Это автоматически обеспечивало более широкий набор инструментов программирования. Однако и ей, как правило, управляли приложения, работающие на более крупных системах PDP.

Обновленный векторный дисплей

Монитор был 14-дюймовым монохромным векторным дисплеем, постоянно обновляемым из локальной памяти. Его нормальное разрешение составляло 1024 на 1024 адресуемых точек и 2K x 2K в режиме масштабирования мелкого шрифта. Электронный луч ЭЛТ свободно перемещался по координатам X и Y, а также по углу под программным управлением, чтобы рисовать отдельные наклонные линии и символы, подобно движению пера на бумаге при работе с плоттером. Луч пропускал пустые области экрана. Элементы могли быть нарисованы в произвольном порядке. Векторные дисплеи представляли собой устаревшую альтернативу растровым дисплеям. В векторных дисплеях электронный луч ЭЛТ "рисует" только отображаемые линии и кривые. В растровых дисплеях изображение представляет собой сетку пиксельных точек (растровое изображение), и луч ЭЛТ многократно сканирует весь экран по фиксированному горизонтальному рисунку (как в телевизорах), независимо от того, какие точки включены. Растровая графика требует значительно больше памяти, чем векторная. Разрешение 1024x768 в черно-белом цвете уровня XGA требует 96 килобайт видеопамяти для обновления, что в 12 раз больше, чем у базового PDS 1. В 1970 году такой объем оперативной памяти стоил около 8000 долларов. (Сейчас он стоит всего 0,05 цента общей DRAM.) Векторные дисплеи хорошо подходили для отображения графиков данных, редактирования линейных чертежей и CAD-схем, вращения трехмерных каркасных моделей, редактирования текста, верстки печатных страниц и простых игр. Однако они не поддерживали цвета, изображения, залитые области, черный текст на белом фоне или точное соответствие шрифтам профессиональной печати (WYSIWYG). Экран PDS 1 постоянно обновлялся или перерисовывался 40 раз в секунду, чтобы избежать заметного мерцания. Но нерегулярное движение луча было медленнее, чем устойчивое движение на растровых дисплеях. Отклонением луча управляли магнитные катушки, которые противодействовали быстрым изменениям тока. Экран мерцал при заполнении более чем 800 дюймами линий или более чем 1200 символами, поскольку лучу требовалось более 1/40 секунды для повторного прослеживания всего изображения. Конкурирующий, более дешевый графический терминал Tektronix 4010 использовал альтернативную технологию ЭЛТ с накопительным экраном, которая не требовала постоянного обновления и, следовательно, не требовала локальной памяти дисплея компьютера. Светящееся изображение запоминалось непосредственно люминофором ЭЛТ. Но, как и в "Этч-а-Скетче", накопленное изображение можно было изменить или переместить только путем полного стирания экрана и последующей медленной перерисовки всего изображения с использованием данных, отправленных с большого компьютера. Это было гораздо менее интерактивно, чем в PDS 1, и не позволяло отображать анимацию. На других дисплеях того времени шрифты были жестко заданы и не могли быть изменены. Например, операторские консоли CDC 6600 формировали каждую букву сразу, направляя электронный луч ЭЛТ Charactron через металлическую трафаретную маску с отверстием в форме буквы "А" или буквы "Б" и т.д. Но в PDS 1 все формы букв, размеры и интервалы полностью контролировались программным обеспечением. Для каждой желаемой формы буквы "E" существовала своя подпрограмма отображения, которая выполняла последовательность коротких векторных штрихов для этой буквы. Каждое появление буквы на экране вызывало подпрограмму этой буквы из процессора отображения. Эта схема поддерживала произвольные шрифты, расширенные наборы символов и даже курсивные языки с письмом справа налево, такие как арабский. Самые маленькие и быстрые шрифты были некрасивыми, с ромбовидными приближениями округлых петель. Схема подпрограммы отображения также обрабатывала символы электронных схем. Монитор PDS 1 имел прямоугольную форму и был доступен в портретной или альбомной ориентации. Сетка 1K x 1K точек растягивалась на 33% по более длинной стороне, чтобы текст и графика заполняли экран. Все графические программы должны были учитывать неквадратные пиксели. Если система в основном использовалась для графики, монитор можно было установить с нерастянутой сеткой, оставляя концы экрана постоянно неиспользуемыми.

The monitor was a 14 inch monochrome vector display, continually refreshed from local memory. Its normal resolution was 1024 by 1024 addressable points, and 2K x 2K in small font scaling mode. The CRT electron beam moved freely in X and Y position and angle under program control to draw individual sloped lines and letter forms, much like the pen on paper motions of a pen plotter. The beam skipped blank areas of the screen. Things could be drawn in arbitrary order. Vector displays are a now obsolete alternative to raster scan displays. In vector displays, the CRT electron beam 'draws' only the lines and curves displayed. In raster scan displays, the image is a grid of pixel spots (a 'bitmapped' image), and the CRT beam repeatedly sweeps the entire screen in a fixed horizontal pattern (like in TV sets), regardless of which dots are turned on. Bitmap raster graphics require much more memory than vector graphics. XGA level 1024x768 black/white resolution requires 96 kilobytes of video refresh memory, 12 times more than a basic PDS 1. In 1970, that much core memory cost about $8000. (It now costs only 0.05 cents of shared DRAM.) Vector displays were good for showing data charts, modifying line drawings and CAD diagrams, tumbling 3 D wire frame shapes, editing text, laying out printed pages, and playing simple games. But they did not handle colors, images, filled in areas, black on white screens, or WYSIWYG fidelity to the fonts of professionally printed text. The PDS 1 screen was repeatedly refreshed or redrawn 40 times per second to avoid visible flickering. But irregular beam motion was slower than the steady motions on raster displays. The beam deflections were driven by magnetic coils, and those coils fought against rapid changes to their current. The screen flickered when filled with more than 800 inches of lines or more than 1200 characters, because the beam then needed more than 1/40th of a second to retrace everything. The competing lower cost Tektronix 4010 graphics terminal used an alternative storage tube CRT technology which required no continual refresh and hence no local computer display memory at all. The glowing image was remembered by the CRT phosphor itself. But like an Etch A Sketch, the accumulated image could be modified or moved only by flash erasing the entire screen and then slowing redrawing everything with data resent from some large computer. This was much less interactive than the PDS 1 and could not show animations. On other displays of this era, text fonts were hardwired and could not be changed. For example, the operator consoles of the CDC 6600 formed each letter all at once by sending the Charactron CRT electron beam through a metallic stencil mask with an A shaped hole, or through a B shaped hole, etc. But on the PDS 1, all letter shapes, sizes, and spacing were entirely controlled in software. Each desired form of the letter E had its own display subroutine which executed a sequence of short vector strokes for that letter. Each occurrence of a letter on the screen was a display processor call to that letter's subroutine. This scheme handled arbitrary fonts, extended character sets, and even cursive right to left languages like Arabic. The smaller, fastest drawing fonts were ugly, with diamond shaped approximations of rounded loops. The display subroutine scheme also handled electronic design symbols. The PDS 1 monitor face was rectangular and was available in portrait or landscape orientation. The 1K x 1K grid of points was stretched 33% in the longer direction to allow text and graphics to fill the screen. All graphics programs then had to account for the non square pixels. If the system was to be used mainly for graphics, the monitor could be installed with an unstretched grid leaving ends of the screen permanently unused.

Двойные процессоры

Процессор дисплея PDS 1 и его миникомпьютер работали одновременно, используя одну и ту же память. Инструкции для процессора отображения состояли из 1-байтных коротких инструкций для букв и кривых, 6-байтных длинных векторных инструкций и 2-байтных безусловных переходов. Процессор дисплея не имел стандартных арифметико-логических инструкций (ALU) и никогда не изменял содержимое памяти. Переходы поддерживали вызовы подпрограмм для повторяющихся объектов, таких как буквы и символы. Переходы также поддерживали организацию отображаемых объектов в связанные списки для быстрого редактирования. Координаты XY задавались только целыми числами. Не было поддержки вращения или произвольного масштабирования в реальном времени. Если символ выходил за пределы экрана, луч переносился на противоположную сторону, а не обрезался, что приводило к размытию. Поэтому более высокие уровни приложения должны были выполнять проверку на отсечение, используя отдельные структуры данных. (Эта проблема была решена в более поздних моделях.) Программирование подпрограмм шрифтов осуществлялось на языке ассемблера. Код для рисования линий и общей компоновки генерировался динамически программами, работающими на локальном миникомпьютере или на большом удаленном компьютере. Встроенный миникомпьютер PDS 1 был необходим для быстрого реагирования на взаимодействие пользователя с клавиатурой и световым пером, без задержек, связанных с обращением к удаленному, разделяемому по времени, большому компьютеру за помощью. Основной задачей миникомпьютера было создание и изменение списка отображения по мере необходимости для следующего цикла обновления. Для текста и 2D-линейной графики это было просто и не требовало больших вычислительных ресурсов. Чтобы минимизировать затраты, Imlac разработал собственный простой миникомпьютер с минимальным количеством регистров и логических элементов. Это была машина с одним аккумулятором, аналогичная DEC PDP 8, за исключением использования 16-битных инструкций и данных вместо 12-битных. Отсутствовали инструкции целочисленного умножения/деления, инструкции для работы с плавающей точкой, микропрограммирование, виртуальная адресация и кэш. Единственным способом изменения адреса были косвенные указатели адреса, хранящиеся в памяти. Некоторые ячейки указателей автоматически увеличивались при использовании. Операции со стеком не поддерживались. Программирование этого миникомпьютера осуществлялось на языке ассемблера. Он не был объектно-совместим с другими системами и, следовательно, имел ограниченную поддержку инструментов разработки. В конечном итоге Imlac добавил самодостаточный компилятор Fortran, компиляция в котором занимала до часа из-за ограниченного объема памяти. Некоторые модели PDS имели опциональный дисковод IBM 2310 с картриджами или 8-дюймовый дисковод. Они работали под управлением примитивной дисковой операционной системы, поддерживающей наложение программ. Дисководы были исключены из более поздних продуктов. Электроника PDS 1 была построена на основе интегральных схем TTL серии 7400 с низкой плотностью, содержащих всего дюжину логических элементов или 4 бита регистра на DIP-корпусе. На небольших печатных платах размещалось до 12 чипов. Неглубокий настольный пьедестал содержал три стойки или ряда плат, по 25 плат в каждом ряду, и соединительную шину с проволочными перемычками. Унифицированной шины не было. В документации для клиентов содержались полные принципиальные схемы до уровня логических элементов, чтобы клиенты могли разрабатывать собственные интерфейсные платы. Было возможно увидеть, потрогать и понять каждую деталь работы всей системы. Время цикла основной памяти составляло 2,0 микросекунды для PDS 1 и 1,8 микросекунды для PDS 1D. Логика TTL работала в 10 раз быстрее, с 10 временными импульсами на цикл памяти. Базовая PDS 1 не включала опциональные аппаратные карты для длинных векторов. Вместо этого миникомпьютер генерировал длинную последовательность коротких инструкций дисплея. Программное обеспечение использовало быстрый алгоритм Брезенхема для вычисления промежуточных точек для наклонных линий без выполнения умножения или деления. Аппаратное обеспечение для длинных векторов также требовало только схему сложения/вычитания. Если программа для длинных векторов была ошибочно запущена на базовой машине без этой опции, процессор дисплея мог выйти из-под контроля и потенциально сжечь люминофор монитора или усилители отклонения.

The PDS 1's display processor and its minicomputer ran simultaneously, out of the same memory. Instructions for the display processor consisted of 1 byte short stroke instructions for letters and curves, and 6 byte long vector instructions, and 2 byte unconditional jumps. The display processor had no conventional ALU instructions and never modified memory. Jumps supported subroutine calls for repeated objects like letters and symbols. Jumps also supported arranging displayed objects into linked lists for quick editing. XY positions were in integer form only. There was no support for rotations or arbitrary scaling on the fly. If a symbol crossed over an edge of the screen, the beam wrapped around to the other side rather than being clipped, making a smear. So higher levels of the application had to do the clipping test, using separate data structures. (This was fixed in later models.) Programming the letter font subroutines was via assembler language. Code for line drawings and overall layout was generated on the fly, by programs running on the local minicomputer or on a large remote computer. The PDS 1's built in minicomputer was needed for responding to user keyboard and light pen interactions quickly, without delays in talking to a remote timeshared large computer for help. The minicomputer's main task was to build and modify the display list as needed for the next refresh cycle. For text and 2 D line graphics this was easy and did not involve much computing. To minimize costs, Imlac designed their own simple minicomputer with as few registers and logic gates as possible. It was a single accumulator machine much like a DEC PDP 8, except using 16 bit instructions and data instead of 12 bits. There were no integer multiply/divide instructions, no floating point instructions, no microprogramming, no virtual addressing, and no cache. The single form of address modification was via indirect address pointers held in memory. Certain pointer cells would auto increment when used. Stack operations were not supported. Programming of this minicomputer was via assembler language. It was not object code compatible with anything else and so had limited tool support. Imlac eventually added a self hosted Fortran compiler with hour long compiles due to the cramped memory. Some PDS models had an optional IBM 2310 cartridge disk drive or 8 inch floppy drive. These ran a rudimentary disk OS supporting program overlays. The disks were dropped from later products. The PDS 1 electronics were built from 7400 series low density TTL integrated circuits, with only a dozen logic gates or 4 register bits per DIP chip. Small printed circuit cards held up to 12 chips each. The shallow desk pedestal held three racks or rows of cards, with 25 cards per row, and a wire wrap backplane connecting all cards. There was no uniform backplane bus. Customer documentation included complete schematics down to the gate level, so that customers could design their own interface boards. It was possible to see, touch, and understand every detail of how the whole system worked. Cycle time for the core memory was 2.0 microseconds for the PDS 1, and 1.8 microseconds for PDS 1D. TTL logic ran 10x faster, with 10 timing pulses per core memory cycle. The basic PDS 1 did not include the optional hardware cards for long vectors. Instead, the minicomputer created a long sequence of short stroke display instructions. The software used a quick Bresenham method to compute intermediate points for sloped lines without doing multiplies or divides. The long vector hardware similarly needed only an add/subtract circuit. If a long vector program was mistakenly run on a basic machine without that option, the display processor could go wild and potentially burn the monitor phosphor or deflection amplifiers.

Приложения

PDS 1 и PDS 4 были приобретены в небольшом количестве научно-исследовательскими организациями и многими университетами. На них были разработаны новаторские компьютерные приложения и подготовлено следующее поколение разработчиков графических систем. Гипертекстовая система FRESS обладала расширенными возможностями и удобством использования при работе с системой PDS 1: пользователь мог создавать гиперссылки с помощью светового пера, используя всего несколько нажатий клавиш. Многооконное редактирование в FRESS также было возможно при использовании PDS 1. Системы PDS 1 использовались для разработки сетевого графического протокола Arpanet. Дисплейные системы Imlac включались в состав различных крупных коммерческих продуктов, связанных с визуальным дизайном и специализированным программным обеспечением. Imlac продавала систему верстки и набора газет, основанную на PDS 1, под названием CES. Механическая CAD-система Anvil от MCS использовала более поздние рабочие станции Imlac для интерактивного проектирования механических деталей, которые затем автоматически вырезались из металлической заготовки. Некоторые простые приложения, такие как текстовые редакторы, были полностью написаны на ассемблере Imlac и могли работать практически без участия более мощного компьютера. Хофштадтер написал свою книгу «Гёдель, Эшер, Бах» в редакторе Imlac. Однако для большинства графических приложений требовалась мощная поддержка чисел с плавающей точкой, компиляторы и файловая система. Эти приложения в основном работали на дорогостоящем компьютере с разделением времени, который передавал обработанные графические данные в Imlac, где запускалась небольшая ассемблерная программа, эмулирующая стандартный графический терминал. Типичным применением была визуализация архитектурных чертежей и анимированных обзоров, предварительно созданных в автономном режиме. В течение нескольких лет использование PDS 1 сдерживалось отсутствием стандартной программной библиотеки, поддерживающей анимацию или интерактивное рисование и перемещение объектов. Но по ночам студенты с удовольствием писали большие объемы кода на ассемблере. Сегодня наиболее известными приложениями для PDS 1 являются ранние интерактивные игры. Двухместная Spacewar! была портирована с демонстрационной версии PDP 1. Freeway Crossing, ранняя предшественница популярной аркадной игры Frogger, была создана на PDS 1 в 1971 году в рамках психологического эксперимента. Mazewar, первая многопользовательская онлайн-игра, была разработана на двух системах PDS 1. Позже на станциях PDS 1 или других терминалах, подключенных к хост-компьютеру PDP 10 в MIT, работающему с программой искусственного интеллекта Mazewar, могли играть до 8 игроков. Игры Mazewar между MIT и Стэнфордом создавали значительную нагрузку на ранний Arpanet.

The PDS 1 and PDS 4 were bought in small numbers by R&D organizations and many universities. They developed pioneering computer applications and trained the next generation of graphics system designers. The FRESS hypertext system had enhanced capability and usability if accessed from a PDS 1 system; the user could make hyperlinks with a light pen and create them simply with a couple of keystrokes. Multi window editing on FRESS was also possible when using the PDS 1. PDS 1 systems were used to design Arpanet's network graphics protocol. Imlac display systems were bundled into various larger commercial products involving visual design and specialized software. Imlac sold a newspaper layout and typesetting system using PDS 1 called CES. MCS's Anvil mechanical CAD system used later Imlac workstations to interactively design mechanical parts, which were then milled out automatically from metal stock. Some simple applications such as text editors were entirely coded in Imlac assembler and could run without much involvement with a larger computer. Hofstadter composed his book Gödel, Escher, Bach on an Imlac editor. But most graphics applications required strong floating point support, compilers, and a file system. Those applications ran mostly on an expensive timeshared computer, which sent digested image data to the Imlac, which ran a small assembler program emulating a generic graphics terminal. A typical use was rendering architectural drawings and animated walkthroughs that had been previously drawn offline. PDS 1 use was held back for several years by not having a standard program library supporting animation or interactive drawing and dragging of objects. But at night time, students were willing to write large amounts of assembler code just for fun. The PDS 1 applications most remembered today are the early interactive games. The two player Spacewar! was ported from a PDP 1 demo. Freeway Crossing, an early predecessor of the popular arcade game Frogger, was created on a PDS 1 as part of a psychology experiment in 1971. Mazewar, the first online multiplayer computer game, was created on a pair of PDS 1's. Later, up to 8 players ran on PDS 1 stations or other terminals networked to the MIT host PDP 10 computer running the Mazewar AI program. Mazewar games between MIT and Stanford were a major data load on the early Arpanet.

Пиксели заменяют векторные дисплеи

Плотность, ёмкость и цена компьютерной памяти неуклонно и экспоненциально улучшались на протяжении десятилетий, эта инженерная тенденция известна как закон Мура. Ограничения векторных дисплеев с перезаписью или хранением изображения принимались только в то время, когда эти дисплеи были значительно дешевле растровых альтернатив. Растровые графические дисплеи неизбежно стали доминировать, когда цена 128 килобайт перестала иметь значение. Imlac PDS 1 в Xerox PARC впечатлил их своей интерактивностью и графикой, но его некрасивый текст побудил Чака Тэкера разработать экспериментальный растровый компьютер Xerox Alto в 1973 году, за десятилетие до того, как такой объём памяти стал доступен для неисследовательских персональных компьютеров. А Alto положил начало революции графического интерфейса. В 1980-х годах PDS 1 и подобные векторные терминалы были вытеснены (непрограммируемыми) растровыми графическими терминалами, такими как AED767, и легко программируемыми персональными рабочими станциями с растровой графикой, такими как Terak 8510/a UCSD Pascal и высокопроизводительная система PERQ Unix. Затем их заменили массовые Macintosh, ПК с Windows и игровые консоли на основе микропроцессоров. А теперь – единым чипом в смартфонах.

Эмуляция

В 2013 году был написан эмулятор Imlac под названием sImlac. Обновлённую версию этого эмулятора можно получить из репозитория GitHub музея Living Computers: Museum + Labs, расположенного в Сиэтле.