Полигоны Another World: IBM PC

Перевод четвёртой статьи из серии от Fabien Sanglard, в этот раз про порт Another World на IBM PC.

В течение трёх десятилетий IBM спокойно доминировала на рынке мэйнфреймов. Когда в 1979 году продажи микрокомпьютеров достигли 150 миллионов долларов, «Колосс Армонка» решил выпустить собственный. На фоне конкурентов, таких как Hewlett-Packard (HP), Texas Instruments (TI), Tandy и Data General, IBM сделала всё по-другому, чтобы выделиться.

Вместо того, чтобы идти по вертикали, как это было в прошлом, с большинством компонентов и программного обеспечения, разработанных собственными силами, IBM построила свой микрокомпьютер горизонтально. Они приобрели такие элементы, как CPU, у Intel и поставили с операционной системой PC DOS 1.0 от Microsoft.

Они пошли ещё дальше, предоставив технические характеристики и схемы машины. Для потребителей, которые раньше боролись с производителями за технические детали, это был совершенно новый мир.

Первый персональный компьютер от IBM был выпущен 12 августа 1981 года с появлением 5150. Он работал на Intel 8088 (4,77 МГц) с 16 КиБ ОЗУ и графической картой MDA, которая могла отображать только текст. Это был потрясающий успех, было продано 40 000 единиц в день анонса. Некоторое время IBM оставалась единственным поставщиком так называемого «ПК».

Когда популярность компьютеров IBM перешагнула порог, открытость, которая способствовала успеху, стала помехой. В марте 1983 года Compaq представила «совместимый с IBM ПК» под названием «Compaq Portable». Вскоре после этого рынок ПК был наводнён клонами ПК. IBM попыталась внедрить новый стандарт, используя защищённую авторским правом шину MCA. Когда эти усилия потерпели неудачу, IBM фактически потеряла контроль над рынком.

ПК от IBM были построены вокруг концепции «большого ядра» с чудовищным процессором, большим количеством оперативной памяти и всем, что клиент хотел купить в виде дополнительной карты. В 1991 году это дополнение включало графическую карту, которая может быть любой, от TGA, EGA, до последней VGA. То же самое касается аудио части с не менее чем четырьмя типами несовместимых выходов (Beeper, AdLib, SoundBlaster и Disney Sound Source).

Чтобы выпустить программное обеспечение для «IBM PC или Compatible», разработчики могли отображать только список «минимальных требований» и «рекомендуемой конфигурации» на игровой упаковке. Поддерживаемые процессор, оперативная память, графический адаптер и звуковые карты были перечислены там.

«Типичный» ПК 1991 года был бы чем-то на базе процессоре Intel 386 с частотой 16 МГц с 2 МиБ ОЗУ и аудиокартой AdLib. Как и в Atari ST, был контроллер DMA, который нельзя было использовать для Blit, поскольку он был предназначен для передачи данных с дискет/HDD.

С выпуска первого ПК в 1981 и по 1991 год было выпущено пять основных графических стандартов. MDA и CGA в основном вымерли, но все ещё существовала большая база старых TGA/EGA, которые ещё не были обновлены до VGA.

Старшие поколения TGA/EGA использовали ужасную цветовую систему с 2-мя битами на канал (6 бит на цвет).

Последнее поколение VGA использовало гораздо более впечатляющую систему с 6 битами на канал (18 бит на пиксель).

Конфигурирование этих карт было ужасом по связке 300 регистров, которые все взаимодействовали друг с другом. К счастью, в BIOS компьютера была предусмотрена процедура настройки всего. В то время, в зависимости от графической карты, было доступно 19 режимов.

Обратите внимание на три режима 320×200, по крайней мере, с 16 цветами, которые соответствуют требованиям VM Another World. Как мы увидим, это не совсем то, что в конечном итоге использовалось.

Удивительно, но графический режим, обозначенный как TGA, был представлен не корпорацией Tandy, а IBM. Когда крупная железячная компания выпустила свой «PCjr» 1984 года, нацеленный на рынок Apple II/Commodore 64, они воспользовались возможностью улучшить свою устаревшую CGA. Позднее в том же году корпорация Tandy выпустила «Tandy 1000» по более низкой цене с более лёгкой расширяемостью и более широкой совместимостью с ПК. Если вначале Tandy «охватила» графическую подсистему IBM, лучшие продажи позволили им «улучшить»[1] и в конечном итоге «затмить» имя PCjr.

Каждая версия MDA/CGA/EGA/VGA имела обратную совместимость, но TGA имеет три эксклюзивных режима: 8h, 9h и Ah. Самым интересным для «Another World», конечно же, является режим 9h 320х200 с 16 цветами. Этот режим был доступен только со специальным расширением VRAM (8×16КиБ) на 128 КиБ, так как это «режимы с высокой пропускной способностью»[2].

Графический слой режима 9h очень похож на Atari ST, который мы рассмотрели в прошлой статье.

Фреймбуферы размещаются в оперативной памяти, поскольку на этих машинах не было VRAM. Пиксели располагаются линейно в виде полубайтовых нибблов, кодирующих 4-битные индексы цвета[3].

EGA и VGA очень похожи. Они могут быть настроены на 320×200 в режиме 16 цветов через режим 9h. Здесь есть VRAM, к которой напрямую обращается центральный процессор.

Кадровый буфер организован так же, как на Amiga, которую мы изучали в первой статье, за исключением того, что каждая битовая плоскость находится в выделенном блоке памяти. Есть четыре блока. В режиме 9h бит из каждого из четырёх блоков объединяется в ниббл, получая тем самым 4-битный индекс цвета.

Карты VGA имеют намного больше VRAM (256 КиБ как 4×64 КиБ), чем карты EGA (128 КиБ как 4×32 КиБ), что не имеет значения для Another World. VGA имеет более глубокие цвета (6 бит/канал против 2 бит/канал), что очень важно.

С точки зрения вычислительной мощности ПК намного превосходил Amiga и Atari ST, которые мы рассмотрели ранее. Проблемой для игр было очень медленное видео.

Система памяти никогда не была предназначена для анимации. Она была разработана с учётом электронных таблиц и обработки текста. Перемещение всех этих пикселей по шине занимало много времени. Более того, работа с битпланом была обременительной, особенно без сопроцессора, такого как Amiga Blitter. Возьмём для примера простую процедуру очистки экрана в режиме 9h.

Даже на лучшем ПК 1991 года этот пример кода не мог пройти 5fps[4]. Это патологический пример, поскольку экран очищается слева направо. Однако даже при вертикальной очистке, чтобы избежать переключения блоков памяти, этот код всё равно будет работать только со скоростью 10 кадров в секунду[5].

При разработке игр старались максимально избегать переключения блоков. Именно по этой причине Wolfenstein 3D рисовал всё, от стен до спрайтов, включая HUD, по вертикали, и даже тогда только 72% экрана обновлялось в каждом кадре, достигая 11 кадров в секунду на 386SX 16 МГц.

Учитывая ограничения TGA/EGA/VGA, перенос Another World на ПК выглядел непростой задачей. Мало того, что вам приходилось сталкиваться с фрагментацией, вы также должны были создать движок, невероятно быстрый для удовлетворения требований.

Эта проблема встала перед Дэниелем Морайсом, который заключил контракт с Delphine Software.

Чтобы разобраться с фрагментацией графической и звуковой систем, Дэниел написал слой абстракции, основанный на указателях функций.

В 1991 году не было PnP. Чтобы настроить игру, пользователи должны были запустить текстовый инструмент CONFIG.EXE, чтобы детализировать свою периферию.

Параметры сохраняются в файле CONFIG.DAT. Когда запускается ANOTHER.EXE, он читает файл и назначает указатели функций в зависимости от графической и звуковой карт.

При работе с графической картой TGA особого выбора не было. Режим 9h обеспечивает 320×200 с 16 6-битными цветами. Автоматическое преобразование палитр из 4-битных цветов в 2-битные с помощью LSR привело к алиасингу. Решением было преобразовать все палитры вручную.

Визуально результат «особенный». Имейте в виду, что проблема здесь заключается не в количестве цветов (TGA имеет 16), а в глубине цвета.

Результат может быть не всем по душе, но я не думаю, что можно было бы сделать гораздо больше с 6-битными цветами. Расположение данных похоже на Atari ST, что было рассмотрено ранее, и далее TGA обсуждаться не будет.

На графической карте EGA лучшим режимом был режим Dh. Используются те же палитры, что и для TGA, поскольку цвета EGA также кодируются в 6-битном формате. Остальное работает как VGA.

С графической картой VGA всё куда интересней. На первый взгляд казалось, что режим 13h дал бы лучшие визуальные эффекты за счёт 4 бит на пиксель. Но Дэниел обнаружил, что VGA-карта не работает как EGA в режиме Dh. Загрузка палитры не ожидала 6-битного цвета, но 18-битного, как в режиме 13h. Это позволило также работать в режиме Dh, не теряя места, но с теми же визуальными эффектами, что и на Amiga.

По этой причине игра также поставляется с палитрами Amiga (вместе с палитрами TGA/EGA).

Игра поставлялась с двумя наборами палитр. Первый с 6 битами на цвет для TGA/EGA и набор с Amiga для VGA. В TGA используется режим 9h. В EGA/VGA игра работает в режиме Dh.

Отрисовка полигонов выполняется как на Atari ST, полностью программно. Простой алгоритм Брезенхэма генерирует горизонтальные линии начальных и конечных координат пространства экрана. В результате возникла проблема заполнения этих строк достаточно быстро.

Хитрость заключалась в использовании факта, что полигоны были одного цвета, стоило лишь поиграть с выбором блока памяти. Вместо записи в один блок за другим, маска блока может быть настроена для одновременной записи во все блоки.

Производительность зависит от выравнивания, но в лучшем случае этот трюк позволяет писать 4 байта вместо одного. Это приводило к установке восьми последовательных горизонтальных пикселей при записи одного байта.

Последней частью головоломки было найти способ достаточно быстро выполнить опкод COPY FB. Поскольку фреймбуфер был записан в VRAM благодаря уловке с выбором групп памяти, единственным способом копирования, очевидно, было возвращение кадрового буфера из VRAM в RAM для хранения и записывать его обратно в VRAM по требованию.

Уловка для решения этой проблемы была задокументирована Майклом Абрашем в его статье «Mode X Marks the Latch»[6]. Дизайнеры EGA/VGA не были полными садистами. Чтобы справиться с гранулярностью битовых плоскостей, каждый блок имеет однобайтовый переключатель. «Запоминание» последнего прочитанного байта значительно упрощает построение битов.

Хитрость здесь в том, чтобы переставить переключатели, чтобы они использовались для чтения и записи четырёх байтов за раз.

Выбрав сохранение BKGD в VRAM вместе с двойными буферами, код операции COPY FB был реализован с 4-кратным ускорением.

В этой серии статей аудио часть не обсуждалась, так как это была «решённая проблема» на большинстве платформ. Очевидно, с портом ПК DOS это предположение не подтвердилось.

На заметку: в версии для ПК издатель Interplay жаловался на продолжительность игры (которая может быть закончена всего за 20 минут опытными игроками). Чтобы увеличить продолжительность, были добавлены новые уровни (уровней стало на 3 больше – 15)[7].

Дэниел создал великолепный порт для Delphine Software. Работая в том же разрешении, что и на Atari ST и Amiga (320×200 и 16 цветов), ему даже удалось снизить минимальную конфигурацию до Intel 286 с 10MHz ЦП и 640 КиБ ОЗУ на ЛЮБОЙ графической карте: TGA, EGA или VGA[8].

#AnotherWorld #OutOfThisWorld #палитра #реверсинжиниринг #ibmpc