【ITニュース解説】Ask HN: How were graphics card drivers programmed back in the 90s?

1990年代、まだインターネットが広く普及し始めたばかりで、パソコンの性能も現在とは比べ物にならないほど低かった時代、グラフィックカードのドライバーがどのようにプログラミングされていたのかという疑問は、現代のシステムエンジニアを目指す初心者にとっては、当時のコンピュータ技術の背景を理解する上で非常に興味深いテーマだ。現代のグラフィックカードは、非常に複雑な3Dグラフィック処理を高速に行うための強力なプロセッサ（GPU）と大容量メモリを備えているが、90年代のグラフィックカードは、それとは全く異なる構造と役割を持っていた。

当時のグラフィックカードは、今のような高度な機能を持つGPUではなく、主にコンピュータの画面に画像や文字を表示するための基本的な機能を提供していた。例えば、画面の解像度や色深度を設定したり、メモリに格納されたピクセルデータを画面に描画したり、簡単な図形（線や四角など）を描画したりといった処理が中心だった。3Dグラフィック処理の一部はグラフィックカードで行われたものの、その多くはまだメインのCPUが担っていた。また、グラフィックカードに搭載されるメモリ（VRAM）も非常に限られていたため、リソースをいかに効率良く使うかが重要だった。

このような環境でグラフィックカードを動作させるためのドライバーをプログラミングするというのは、現代のドライバー開発とは大きく異なる非常に低レベルな作業だった。現代のドライバー開発では、オペレーティングシステム（OS）が提供する抽象化されたインターフェース（API）を通じてハードウェアを操作することがほとんどだが、90年代にはOSによるハードウェアの抽象化がまだ不十分だったため、ドライバーはハードウェアと直接的にやり取りする必要があった。

具体的には、ドライバーはグラフィックカード内部に存在する「レジスタ」と呼ばれる小さな記憶領域を直接操作していた。レジスタには、グラフィックカードのさまざまな設定や状態を制御するための情報が格納されており、特定のレジスタに値を書き込んだり読み込んだりすることで、カードの動作を制御することができた。例えば、画面の解像度を変更するには、対応するレジスタに新しい解像度の値を書き込む必要があった。

このレジスタへのアクセスには、「I/Oポート」や「メモリマップドI/O（MMIO）」といった仕組みが使われた。I/Oポートは、CPUがハードウェアデバイスと通信するための特別なアドレス空間であり、MMIOは、ハードウェアのレジスタをメインメモリの一部として扱うことで、通常のメモリ操作と同じようにアクセスできるようにする仕組みだ。ドライバー開発者は、グラフィックカードの技術仕様書（データシート）を隅々まで読み込み、どのレジスタのどのビットが何を意味し、どのような順序で操作する必要があるのかを正確に理解しなければならなかった。これは、まるで機械の回路図を読み解き、一つ一つのスイッチやボリュームを直接操作して調整するような作業だった。

プログラミング言語としては、ハードウェアを直接操作できる能力を持つC言語が主に使われたが、性能を最大限に引き出すためには、さらに低レベルなCPUの命令を直接記述するアセンブリ言語が用いられることも少なくなかった。アセンブリ言語は、コンピュータが理解できる機械語に非常に近い言語であり、ビット単位での細かい制御が可能だったため、限られたリソースと処理能力の中で最高のパフォーマンスを引き出すために不可欠だった。しかし、その分、コードは非常に複雑で、記述ミスが直接システム全体の不安定化につながるため、高いスキルと綿密なデバッグ作業が求められた。

当時のWindows OS（特にWindows 95や98）では、VXD（Virtual Device Driver、仮想デバイスドライバー）という仕組みが導入された。これは、ハードウェアとOSカーネルの間で仲介役を果たすもので、OSレベルでの安定性向上に貢献したが、それでもハードウェアの細かい仕様を熟知している必要があった。また、異なるOSバージョンや、同じOSでも新しいハードウェアが登場するたびに、ドライバーを一から書き直したり、大幅に修正したりする必要が生じることも珍しくなかった。互換性の維持は常に大きな課題であり、特定のアプリケーションが特定のグラフィックカードとドライバーの組み合わせでしか正常に動作しないといった問題も頻繁に発生した。

現代のドライバー開発と比較すると、その違いは明らかだ。現在のドライバーは、DirectX、OpenGL、VulkanといったOSや標準団体が提供するグラフィックAPI（アプリケーションプログラミングインターフェース）を通じて、グラフィックカードの高度な機能を利用する。これにより、アプリケーション開発者はハードウェアの詳細を意識することなく、高レベルな命令でグラフィック処理を記述できる。そして、ドライバー自体も、これらのAPIの呼び出しを、GPUが直接実行できる低レベルな命令に変換する役割を担うが、ハードウェアのレジスタを直接操作する部分は、ごく一部の低レイヤーに閉じ込められている。

このように、1990年代のグラフィックカードドライバーのプログラミングは、現在のシステムエンジニアの仕事とは異なり、ハードウェアの細部に深く踏み込み、非常に低レベルなレベルでコンピュータを制御する、まさに職人的な技術が求められる作業だった。この経験は、コンピュータがどのようにハードウェアとソフトウェアの協調によって動いているのかという根源的な理解を深める上で、貴重な知見を与えてくれるだろう。現代の高度に抽象化されたシステムを理解する上でも、その基盤を築いた過去の技術を知ることは重要である。

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