Pintando en el Spectrum (1)

Cuando tenía 12 años heredé el Sinclair ZX Spectrum de mi hermano. Era un ordenador que me fascinaba, y con él aprendí a programar, primero en BASIC, y luego directamente en Ensamblador. También aprendí rudimentos de electrónica digital, y gracias a ello construí varios circuitos que le acoplé, como un teclado nuevo, un puerto de E/S de 16 bits, y más.

Es una máquina a la que siempre le tuve mucho cariño, y por eso me lancé hace unos años a escribir mi propio emulador, FBZX, cuando los que había en aquel entonces no me acababan de convencer. Y recientemente, a raíz de varios canales de youtube de «nostalgia de 8 bits», me he puesto un poquito así y he decidido intentar programar algo. Al principio probé a usar el compilador de Z88dk para poder utilizar lenguaje C, hasta que vi la chapuza de código que genera (algo que no es culpa de los desarrolladores, sino de la propia arquitectura del Z80, que no es nada adecuada para C y, sencillamente, es imposible generar mejor código). Ante esto, decidí pasarme a Z80ASM y trabajar desde cero en ensamblador. A fin de cuentas, en una máquina de 8 bits cada bit cuenta, y el poder optimizar cada rutina hasta la última instrucción puede ser la diferencia entre conseguir o no conseguir algo concreto.

Y precisamente una de las cosas en donde la velocidad es crítica es a la hora de pintar en la pantalla, pues, por desgracia, el Spectrum original no tiene ninguna ayuda para esa tarea, si siquiera una doble página (a pesar de que sólo habría requerido añadir un único flip-flop a la ULA). El Spectrum 128K sí tiene dos páginas de vídeo, lo que permite que la ULA muestre una de ellas mientras el código genera el siguiente fotograma en la otra página, y cuando haya terminado, sólo tiene que esperar a que la ULA empiece a pintar un nuevo cuadro para cambiar la página activa, de manera que ahora se mostrará lo que haya en la segunda página y el programa podrá pintar el siguiente fotograma en la primera página.

Cuando se usa el sistema de doble página, las animaciones van fluidas y sin parpadeos ni deformaciones. Por desgracia, los modelos de 48K, al no tener esta capacidad, obligan al programador a sincronizarse con el haz de electrones de la pantalla para evitar que «le pille el rayo» en mitad de un acceso a la pantalla. Hay mucha literatura al respecto, así que no voy a entrar en explicar en qué consiste lo de «competir con el haz«. Sí voy a dar, sin embargo, algunas notas sobre cómo funciona la pantalla en el Spectrum. Para ello, veamos este dibujo de una televisión con la imagen generada por la circuitería del ordenador (la famosa ULA):

Una televisión con la imagen generada por un Spectrum.

En el dibujo vemos una televisión, y en la pantalla podemos ver las dos zonas en las que se divide la imagen generada por la ULA en el Spectrum: el border (en color verde en el dibujo) y el paper, o la zona de trabajo, en color blanco. También vemos esquematizado el recorrido del haz de electrones, de derecha a izquierda y de arriba a abajo, aunque exagerado. El border es una zona en la que sólo podemos definir qué color global queremos, pero no podemos pintar en ella. Sólo en el paper podemos pintar píxeles escribiendo en una zona de memoria, a partir de 0x4000 hasta 0x5800, en donde cada bit se corresponde con un pixel. Esta zona se divide en 256×192 pixels. A mayores, justo a continuación se encuentra la zona que almacena los atributos de color, que mide 768 bytes. Esta zona ocupa un byte para cada grupo de 8×8 píxels, y especifica qué color se usará para cuando el bit asociado a cada pixel está a 0 o a 1.Para más detalles, recomiendo leer la información de World of Spectrum sobre la memoria de vídeo. Edito: o bien la entrada número 4 de esta misma serie, donde entro en más profundidad en cómo es la distribución de la pantalla en el Spectrum. Siento no haber hecho las cosas en orden.

La ULA refresca la pantalla a una tasa de 50 veces por segundo. Además, para simplificar la circuitería, no utiliza entrelazado, sino que siempre pinta únicamente las líneas impares. Y dado que el reloj de la CPU va a 3,5 MHz, eso significa que desde que comienza a pintar la imagen, en la esquina superior izquierda del borde, hasta que ha terminado y empieza a pintar la siguiente, tenemos, en teoría, 3 500 000 / 50 = 70 000 ciclos de reloj o Tstados. Y como tenemos 312,5 líneas (recordemos que sólo utilizamos medio campo, por lo que es la mitad de 625), cada línea dura 224 Tstados. En la práctica no podemos tener media línea, por lo que, en realidad, cada frame dura 69 888 Tstados y tenemos un total de 312 líneas. Además, sabemos que cada vez que se empieza a pintar un frame, la ULA genera una interrupción, la cual podemos utilizar para sincronizarnos con la generación de la imagen. Por último, hay 64 líneas de border antes de que empiece a pintarse el paper.

Con todo esto ya podemos hacer un primer cálculo, que nos dice que si queremos estar seguros de que hemos pintado todo en pantalla antes de que el haz llegue al paper, tenemos que hacerlo en menos de 64 * 224 = 14 336 Tstados. Por desgracia esto es muy poco tiempo.

Una solución consiste en esperar a que la ULA haya terminado de pintar el paper y, entonces, pintar lo que necesitemos. En este caso tendremos 69 888 – (224 * 192) = 26 880 Tstados, que es el tiempo que tarda en pintar la parte inferior y la superior del borde. Ya es un poco más, pero todavía no llega para demasiado.

La solución que usan muchos juegos consiste en implementar una doble página por software. Para ello, pintan toda la imagen en una zona diferente de memoria, y cuando está lista, la copian de golpe en la memoria de pantalla. De esta manera la imagen que aparece siempre es definitiva y no hay parpadeos. El inconveniente es que consume casi siete Kbytes extra.

El problema es que, como de costumbre, la cosa no es tan sencilla. Veamos por qué. La primera idea, la más naive, sería utilizar la instrucción LDIR del Z80. Esta instrucción permite copiar un bloque de memoria a otra posición, y recibe tres parámetros: la dirección inicial del bloque (en el registro HL), la dirección de destino (en el registro DE), y el tamaño del bloque (en el registro BC), y hace todo el trabajo por nosotros: lee el byte contenido en la dirección de memoria apuntada por HL, lo escribe en la dirección de memoria apuntada por DE, incrementa en uno ambos registros, decrementa en uno el registro BC, y repite la operación hasta que este último valga cero. ¡Una bicoca! Así que lo único que tendríamos que hacer es esperar a la interrupción, cargar los valores en los registros, y ejecutar LDIR. ¿O no?

El problema es que cada iteración de LDIR consume 21 Tstados. Eso significa que una pantalla completa, que ocupa 6 912 bytes, tardará 145 152 Tstados en copiarse… ¡que es más del doble de lo que se tarda en generarse! Eso significa que el haz nos alcanzará como mínimo dos veces en cada volcado. Y sí, digo «como mínimo», porque por cuestiones de diseño, la pantalla no se almacena de manera secuencial en memoria, sino que primero viene la fila 0 de pixels, ocupando 32 bytes, luego la fila 8, luego la 16, 24, 32, 40, 48 y la 56, momento en que vuelve atrás hasta la fila 1, luego la 9, la 17… Eso hace que podamos cruzar el haz varias veces, y complica aún más la gestión de la pantalla.

Por si fuera poco, hay un segundo problema, y es que la ULA interfiere en el acceso a la RAM cuando está generando la imagen. Esto es debido a que en chips de RAM normales no es posible que dos sistemas lean o escriban a la vez, sino que se tienen que turnar. La ULA necesita leer dos bytes (uno con los pixels, y otro con los atributos de color) cada cuatro Tstados mientras está pintando el paper, y sólo deja la memoria libre cuando está pintando el borde. Para conseguir esto, lo que hace es monitorizar constantemente a la CPU, y si intenta acceder a la zona de vídeo mientras la ULA está pintando el paper, le detiene el reloj a la CPU hasta que termine.

Por suerte, gracias a un ingenioso diseño, la ULA sólo necesita tres Tstados para leer esos dos bytes, así que lo que hace es agrupar dos lecturas seguidas y dejar los dos Tstados restantes para la CPU. Esto significa que, si queremos que la escritura en la zona de vídeo no se vea penalizada por la ULA, tenemos que hacer accesos con un periodo que sea múltiplo de ocho Tstados. De esta manera, el primer acceso se verá retrasado entre uno y seis Tstados según donde caiga, pero el resto coincidirán exactamente en el siguiente hueco. Y este es otro de los problemas de LDIR: como cada ciclo dura 21 Tstados, que no es múltiplo de ocho, significa que, en la práctica, será como si la instrucción durase 24 Tstados (la primera hará la escritura en el primer hueco libre; la segunda lo hará en el segundo hueco, tres periodos después, con lo que ambas durarán 21 Tstados; la tercera, en cambio, se retrasará seis Tstados, la cuarta no sufrirá retraso, la quinta se retrasará seis Tstados… y así sucesivamente).

Sin embargo, si vemos el juego de instrucciones, comprobaremos que existe también una instrucción similar, LDI, que hace lo mismo excepto repetir la operación, y sólo consume 16 Tstados, que, además, es múltiplo de 8 y, por tanto, no sufriría penalización por parte de la ULA. ¿Qué pasaría si pusiésemos una laaaaaarga ristra de ellas, una detrás de otra? Pues que necesitaríamos 6 912 * 16 = 110 592 Tstados. Aún es más que el tiempo que se necesita para refrescar una pantalla, pero aún nos queda un as en la manga. ¿Qué ocurriría si esperamos a que el haz llegue hasta el principio del paper, y justo entonces empezamos a pintar? En ese caso, el haz iría por delante nuestra, y nunca lo adelantaríamos porque ya hemos visto que somos más lentos que él, y eso significa que cuando el haz haya pintado toda la pantalla y vuelto al punto de partida, ya llevaremos más de la mitad de la imagen pintada y, además, tendremos aún casi otro frame de tiempo antes de que nos alcance.

Veamos exactamente de cuanto tiempo disponemos. Tenemos los 69 888 Tstados que tarda en recorrer un frame, y ahora tenemos que sumarle el tiempo que tarda en llegar hasta el borde inferior derecho del paper. Esto será 224 Tstados_por_linea * 191 lineas_completas + 128 Tstados_de_la_ultima_linea = 42 912 Tstados. Esto significa que si utilizamos este truco, tendremos disponibles un total de 112 800 Tstados para copiar la pantalla antes de que nos alcance el haz, que es más de lo que tarda la ristra de LDIs. ¡Buena cosa!

Por desgracia, esta idea tiene dos problemas:

  • Para que funcione, tenemos que escribir los datos de manera lineal en la pantalla, de manera que nos mantengamos siempre por detrás del haz. Pero si usamos LDI directamente, se hará de manera escalonada por cómo está organizada la pantalla del Spectrum, y adelantaremos y retrasaremos al haz constantemente.
  • Cada instrucción LDI ocupa dos bytes, lo que significa que necesitaríamos una ristra de instrucciones que ocuparía el doble que el tamaño del bloque a copiar, lo que supone un desperdicio exagerado de memoria.

Así, dado que la única secuencia consecutiva que tenemos son los 32 bytes de cada línea, la solución es utilizar una secuencia de 32 instrucciones LDI, y modificar entre medias los registros para ir línea a línea. El problema es que cómo hacerlo con el mínimo de instrucciones posible, pues de nada sirve si perdemos por un lado lo que ahorramos por otro.

La primera solución consiste en tener una tabla con las direcciones de cada scanline, de manera que sólo tenemos que coger la dirección actual, ejecutar 32 instrucciones LDI, y repetir el bucle hasta que el flag de desbordamiento (overflow) se active después de la última instrucción LDI. El problema es que LDI utiliza los tres pares de registros principales, con lo que no nos queda nada para mantener un puntero a la lista de direcciones…

¿O sí que lo tenemos? Porque podemos simplemente cargar el puntero de pila SP con la dirección de la tabla, y leer los valores directamente con POP DE. Esta instrucción tiene la ventaja de que con sólo 11 Tstados nos carga un valor de 16 bits e incrementa el puntero de la tabla.

El resultado sería este código:

LD SP, tabla_direcciones
LD HL, buffer
LD BC, 6144 ; tamaño del buffer. De momento prescindimos del color
loop:
POP DE
LDI
LDI
… ; 32 instrucciones LDI en total
LDI
JP PE, loop

tabla_direcciones:
DEFW 0x4000, 0x4100, 0x4200, 0x4300, 0x4400, 0x4500, 0x4600, 0x4700
DEFW 0x4020, 0x4120, 0x4220, 0x4320, 0x4420, 0x4520, 0x4620, 0x4720
…. ; completar hasta las 192 líneas

Este código es muy rápido: dado que la instrucción JP consume 10 Tstados, tenemos que copiar cada fila consume un total de 533 Tstados; pero como tenemos que redondear a un múltiplo de 8 para tener en cuenta la contienda de memoria, se nos quedan en 536 Tstados; y como una pantalla completa son 192 líneas, al final gastamos entre 102 336 y 102 912 Tstados (no olvidemos que sólo hay contienda mientras se pinta el paper, nunca mientras se pinta el border, por lo que el valor final estará entre ambos), lo que está muy por debajo del límite de 112 800 Tstados. ¡Buena cosa! Por desgracia, nos falta por copiar los atributos de color, y el problema es que tenemos que copiar una fila de atributos por cada ocho de píxels, pues tenemos que mantenernos por detrás del haz catódico; no podemos copiar primero todos los píxels y luego todos los atributos. El problema es que ya estamos usando absolutamente todos los registros con la instrucción LDI, y ni siquiera tenemos la pila disponible para almacenar los valores entre uno y otro grupo.

¡¡¡Pero tenemos el juego de registros alternativo!!! El Z80 tiene su conjunto principal de registros, AF, BC, DE y HL, pero también tiene un segundo juego, AF’, BC’, DE’ y HL’, que podemos intercambiar con sólo dos instrucciones: EX AF, AF’ (que intercambia los valores de AF y AF’) y EXX (que intercambia los valores de BC, DE y HL con los de sus homólogos). Así que, dado que los atributos de color sí siguen un formato normal, podemos copiar ocho filas primero usando la tabla, cambiar al juego alternativo de registros, copiar una fila de atributos de color, volver a cambiar el juego, copiar otras ocho filas de pixeles, etc. El código quedaría así:

LD SP, tabla_direcciones
LD HL, buffer
EXX ; cambiamos al juego de registros alternativo
LD HL, buffer + 6144 ; apunta a los atributos de color del buffer
LD DE, 22528 ; zona de atributos de la pantalla
LD BC, 768 ; tamaño de los atributos
loop1:
EXX ; volvemos al juego original con los datos de píxeles
LD B, 9 ; las ocho filas necesitan 256 LDIs. Cada uno resta
; uno a BC; luego al final de ellos, C valdrá lo mismo
; pero B se habrá decrementado en una unidad. Así
; que tenemos que tenerlo en cuenta para DJNZ
loop2:
POP DE
LDI
… ; 32 LDIs en total
LDI
DJNZ loop2
EXX
LDI
… ; 32 LDIs en total
LDI
JP PE, loop1 ; no podemos usar DJNZ porque el salto es
; de más de 128 bytes

tabla_direcciones:
DEFW 0x4000, 0x4100, 0x4200, 0x4300, 0x4400, 0x4500, 0x4600, 0x4700
DEFW 0x4020, 0x4120, 0x4220, 0x4320, 0x4420, 0x4520, 0x4620, 0x4720
; completar hasta las 192 líneas

El bucle interno consume un total de 512 + 11 + 13 = 536 Tstados cuando B es distinto de cero (que, además, es múltiplo de 8), y 512 + 11 + 8 = 531 Tstados cuando B es cero. Por tanto, para ocho filas tenemos un total de 536 * 7 + 531 = 4 283 Tstados. Pero a esto hay que sumar la inicialización previa y la copia de los atributos. Antes tenemos, del EXX y el LD B, 9, un total de 4 + 7 = 13 Tstados, y después 4 + 512 + 10 = 526 Tstados; luego cada fila completa de 8 píxels de altura y con atributos necesita un total de 4 283 + 13 + 526 = 4 822 Tstados. Pero para que sea múltiplo de 8 hay que subir a 4 824 Tstados. Y como tenemos 24 filas, el total estará entre 115 728 y 115 776 Tstados.

Vaya, ahora nos hemos pasado. Una pena, porque eso significa que no podemos animar algo a pantalla completa sin que haya artifacts. Pero si copiamos sólo 23 filas sí nos da tiempo, pues ahí no necesitaríamos más de 110 952 Tstados. Por tanto, una solución consiste en obviar la última fila, lo cual no tiene por qué ser un problema, pues normalmente se suele dejar la parte baja de la pantalla para marcadores y otros elementos relativamente estáticos. Además, tenemos la ventaja de que el buffer de trabajo está en un formato secuencial, lo que simplifica pintar en él.

Esta rutina ya sería utilizable, pero tiene el inconveniente de necesitar una tabla de 384 bytes para las direcciones, que es mucho mayor que los 157 bytes de la rutina en sí. Sin embargo, si renunciamos a las dos últimas filas en lugar de sólo a la última, podemos reducir muchísimo la memoria consumida. Pero eso será en el próximo artículo.

CC BY-SA 4.0 Pintando en el Spectrum (1) por A cuadros está licenciado bajo una Licencia Creative Commons Atribución-CompartirIgual 4.0 Internacional.

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