How did code handle 24-bit-per-pixel formats when using video cards with bank-switched memory?

在 1990 年代的個人電腦顯示技術中，每像素 24 位元的色彩深度與傳統 64KB 記憶體分塊機制的結合，曾帶來一個無法整除的數學難題。微軟資深工程師 Raymond Chen 透過早期 Windows 95 的底層架構，解析圖形開發者如何透過強制記憶體對齊與拆解位元組，避開跨越記憶體分頁時可能引發的無限切換崩潰迴圈。

早期顯示卡的 64KB 分塊與 VFLATD 驅動

在 DOS 與早期 Windows 時代，許多顯示卡的硬體記憶體映射空間被嚴格限制在 64KB 的定址範圍內。然而，一張高解析度的圖像畫面緩衝區（Frame Buffer）往往需要數百 KB 甚至數 MB 的實體空間。為了突破硬體定址的限制，顯示卡採用了分塊切換記憶體（bank-switched memory）的設計。這意味著 CPU 同一時間只能「看見」並存取這 64KB 的顯示記憶體視窗，若要繪製其他區域的像素，必須透過硬體指令將記憶體視窗切換到下一個區塊。

進入 Windows 95 時代後，微軟為了解決這項繁瑣的硬體操作，引入了名為 VFLATD（Virtual Flat Display）的虛擬視訊驅動程式輔助工具。這個機制的目的是向應用程式「模擬」出一個連續且平坦的視訊記憶體位址空間，讓開發者不需要手動管理繁雜的區塊切換。

當應用程式嘗試將像素寫入這個虛擬的線性空間時，VFLATD 會在幕後進行轉換。如果程式存取的位址對應到目前生效的 64KB 區塊，一切運作正常；如果存取到尚未映射的區塊，系統會觸發一次分頁錯誤（Page Fault）。此時驅動程式便會攔截錯誤，動態切換顯示卡硬體上的記憶體分塊，並將新的映射位址移動到應用程式預期的虛擬平坦位址上。

24 位元像素與 64KB 無法整除的硬傷

這樣的動態分塊切換機制在多數情況下運作良好，但工程師 Gil-Ad Ben Or 提出了一個極具挑戰性的極端案例：當系統處理 24-bit-per-pixel（每像素 24 位元）的圖像格式時，程式碼該如何應對跨越記憶體邊界的狀況？

核心的數學問題在於，24 位元的色彩深度代表每個單一像素需要佔用 3 個位元組（Bytes） 的記憶體空間。然而，顯示卡的每個記憶體分塊大小是 64KB（即 65,536 個位元組）。這兩個數字之間存在著一個致命的衝突：65,536 無法被 3 整除。

這意味著，如果在沒有使用額外雙重緩衝（Double Buffering，在主記憶體先繪製再整批傳送）機制的系統中，開發者逐一寫入畫面上的像素資料時，必定會遇到一個剛好被硬生生切斷的像素。這個跨界像素的某些位元組會落在前一個 64KB 分塊的最後方，而剩下的位元組則會落在下一個 64KB 分塊的最前端。這種硬體邊界與資料單位不對齊的現象，成為了當時底層圖形開發者必須面對的棘手難題。

跨越分頁存取觸發的無限切換迴圈

如果開發者沒有特別處理，直接用單一指令去讀取或寫入這個跨越兩個記憶體分塊的 24 位元像素，VFLATD 的模擬機制將會面臨徹底崩潰。這個崩潰的過程源於 CPU 與驅動程式之間的記憶體存取違規（Access Violation）處理邏輯。

當 CPU 執行一個跨越記憶體分頁的存取指令時，硬體會先在第一個分頁上觸發存取違規。VFLATD 驅動程式介入後，會將第一塊記憶體分塊映射進來，同時為了騰出硬體資源空間，宣告第二個分塊失效。然而，由於該指令的存取範圍跨越了兩塊分頁，當 CPU 繼續嘗試完成同一個指令並存取後半段資料時，立刻又會在第二個分頁上觸發新的存取違規。

為了處理第二次違規，驅動程式只好將第二塊記憶體分塊重新映射進來，但這又會導致剛才才載入的第一個分塊遭到取消映射。如此一來，這個跨界像素的單一存取指令，會讓 CPU 在兩個分頁之間來回觸發錯誤，導致系統陷入無窮無盡的分塊切換迴圈，最終使作業系統癱瘓。

拆解位元組以確保記憶體對齊存取

面對這種硬體與作業系統底層機制的限制，當時的程式碼必須遵循最嚴格的底層規則：所有的記憶體存取都必須是正確對齊的（Properly-aligned）。在計算機架構中，只要是符合記憶體對齊規範的存取指令，在硬體層面上就絕對不會發生跨越分頁邊界的情況。

這意味著，編寫直接存取視訊記憶體程式碼的開發者，必須放棄使用任何取巧的手段。例如，他們不能直接使用一條 32-bit 的讀取指令去抓取一個 24-bit 的像素，然後再用軟體邏輯忽略掉最高位的 8 個位元。只要指令涵蓋的範圍跨界，硬體就會無情地觸發違規。

如果遇到一個剛好跨越 64KB 邊界的像素，開發者別無選擇，只能在程式碼中手動將這個像素拆解。他們必須將其轉換為三次獨立的 1 位元組（Byte） 存取指令；或者將其拆分為一次 1 位元組存取加上一次 2 位元組（Word）存取，且前提是該 Word 存取必須符合位址對齊規範。在實際的開發環境中，因為判斷何時該用 Byte+Word 還是 Word+Byte 所耗費的運算成本太高，多數開發者乾脆統一採用連續三次 Byte 讀寫的粗暴方式來處理這個跨界像素。

整行像素處理的 32-bit 對齊最佳化

雖然逐一拆解位元組可以避開當機，但如果整個畫面都用 1 位元組的方式慢慢繪製，顯示效能將會慘不忍睹。因此，當開發者需要操作一整行的像素資料時，他們會採用另一套經過計算的記憶體對齊策略，以便在安全的前提下利用更快速的 32 位元存取指令。

在處理整行資料時，標準的做法是先以位元組為單位逐一複製資料，直到記憶體的目標位址剛好達到 32 位元對齊（32-bit aligned）的邊界。一旦進入對齊狀態，開發者就可以切換到 32 位元的讀寫指令，用最高效的方式處理整行像素的絕大部分資料。直到接近行尾的邊界，再退回使用單一位元組指令來處理剩下的畸零資料。

在這個效能最佳化的過程中，32 位元的讀取指令不可避免地會「跨越像素邊界」，因為 32 位元無法完全對齊 24 位元的像素結構。但在底層硬體的邏輯中，這完全不成問題，因為這些經過對齊的 32 位元指令，絕對不會跨越那條致命的 64KB 分頁邊界。早期的圖形開發者，就是透過這些扎實的底層記憶體操作，穩定了作業系統的運作。

面對硬體限制與作業系統的分頁管理衝突，最穩健的解決方案往往不是尋找捷徑，而是嚴格遵循記憶體對齊的基礎規範。