enne2/gameboy-hello
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docs: add hardware optimization explanations to README

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Matteo Benedetto
2026-06-17 22:43:50 +02:00
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commit 800e5d9aab
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README.md
+14
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@@ -39,3 +39,17 @@ Se vuoi validare la compilazione senza aprire GUI o se sei su un server remoto,
python3 tests/test_pyboy.py
```
Questo genererà un file PNG in locale (`/tmp/maze_gb.png`) per farti visualizzare l'output atteso della ROM. Puoi anche testare le ROM su emulatori diretti da terminale come `pyboy maze.gb`.
## Architettura e Ottimizzazioni Hardware (Retro-Engineering)
Poiché il processore custom del Game Boy (SM83, simile allo Z80) lavora a soli 4.19 MHz e non è provvisto di hardware dedicato per le moltiplicazioni o le divisioni (FPU o ALU avanzata), il codice sorgente fa un uso intensivo di "trucchi" dell'epoca per garantire i 60 FPS costanti, anche con 15 sprite complessi (Meta-Sprite) a schermo che eseguono pathfinding indipendente:
1. **Allocazione Memoria in Potenze di 2 (`MAZE_PITCH = 32`)**
In C, per leggere un elemento da un array bidimensionale come `maze[y][x]`, il compilatore esegue un'operazione matematica: `y * LARGHEZZA_RIGA + x`. Nelle prime versioni, una larghezza di 20 richiedeva una lenta routine di moltiplicazione software. Per ovviare al problema, la riga logica in RAM è stata allargata a `32` (una potenza di due). In questo modo il compilatore SDCC risolve la moltiplicazione in un singolo, velocissimo *bit-shift* a sinistra (`y << 5`), azzerando del tutto il carico del processore.
2. **Divisioni sostituite da Maschere Bitwise (Bitmasks)**
La funzione `rand() % num` usa l'operatore Modulo (`%`), che su un'architettura a 8-bit invoca un disastroso ciclo di sottrazioni ripetute per trovare il resto. Poiché la scelta della direzione richiede valori da 0 a 3, l'operatore modulo è stato rimosso in favore di un `& 3` (Bitwise AND). È istantaneo e produce un numero da 0 a 3 in un singolo colpo di clock.
3. **Collisioni "Lazy" (Early-Exit Evaluation)**
Piuttosto che testare le sovrapposizioni millimetriche (`pixel_x / pixel_y`) su O(N²) iterazioni (105 combinazioni) per frame, la logica confronta in *short-circuit* soltanto le coordinate grossolane in griglia (`rat_x != rat_y`). Se i topi non si trovano nemmeno sulla stessa mattonella, l'algoritmo ignora istantaneamente tutto il resto. Questa singola riga taglia l'80% delle istruzioni necessarie per i check di collisione.
Queste tecniche mostrano la filosofia del vero **retro-programming**, dove ogni ciclo di CPU conta.
src/maze.c
+1 -1
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@@ -7,7 +7,7 @@
#include <rand.h>
// Istanza globale in RAM (WRAM) della mappa del labirinto.
uint8_t maze[MAZE_HEIGHT][MAZE_WIDTH];
uint8_t maze[MAZE_HEIGHT][MAZE_PITCH];
// Stack customizzato utilizzato per l'algoritmo Recursive Backtracker.
// Si evitano le chiamate di funzione ricorsive per non esaurire
src/maze.h
+6 -1
View File
@@ -14,13 +14,18 @@
#define MAZE_WIDTH 19
#define MAZE_HEIGHT 17
// Usiamo MAZE_PITCH = 32 (potenza di 2) per forzare il compilatore SDCC
// a usare un velocissimo bit-shift (y << 5) invece di una lentissima
// moltiplicazione software (y * 19) quando accede a maze[y][x].
#define MAZE_PITCH 32
/**
* @brief Matrice globale che rappresenta la mappa del labirinto in RAM.
*
* Il valore 1 rappresenta un Muro (Tile Nero).
* Il valore 0 rappresenta un Percorso (Tile Bianco).
*/
extern uint8_t maze[MAZE_HEIGHT][MAZE_WIDTH];
extern uint8_t maze[MAZE_HEIGHT][MAZE_PITCH];
/**
* @brief Esegue l'algoritmo di generazione del labirinto.
src/rat.c
+78 -38
View File
@@ -107,8 +107,11 @@ void update_rats(void) {
for (uint8_t j = i + 1; j < MAX_RATS; j++) {
if (!rats[j].active || rats[j].reproduce_timer > 0 || rats[j].cooldown_timer > 0) continue;
if (rats[i].rat_x == rats[j].rat_x && rats[i].rat_y == rats[j].rat_y &&
rats[i].pixel_x == rats[j].pixel_x && rats[i].pixel_y == rats[j].pixel_y) {
// Early exit: se i due topi non sono nella stessa cella del labirinto, è inutile controllare i pixel esatti.
// Questo riduce enormemente il carico dei 105 check (15x15) per frame.
if (rats[i].rat_x != rats[j].rat_x || rats[i].rat_y != rats[j].rat_y) continue;
if (rats[i].pixel_x == rats[j].pixel_x && rats[i].pixel_y == rats[j].pixel_y) {
// Incontro riproduttivo!
// Usa 64 frames invece di 60 perché è un multiplo esatto di 16 (il tempo che un topo impiega
// per attraversare esattamente un tile di 8 pixel). Così non perdono la sincronia di fase globale!
@@ -164,10 +167,32 @@ void update_rats(void) {
filtered[num_filtered++] = valid_dirs[j];
}
}
if (num_filtered > 0) r->current_dir = filtered[rand() % num_filtered];
else r->current_dir = valid_dirs[rand() % num_valid];
if (num_filtered > 0) {
uint8_t rnd;
if (num_filtered == 1) rnd = 0;
else if (num_filtered == 2) rnd = rand() & 1; // 0 o 1
else {
do { rnd = rand() & 3; } while(rnd >= num_filtered);
}
r->current_dir = filtered[rnd];
}
else {
uint8_t rnd;
if (num_valid == 1) rnd = 0;
else if (num_valid == 2) rnd = rand() & 1;
else {
do { rnd = rand() & 3; } while(rnd >= num_valid);
}
r->current_dir = valid_dirs[rnd];
}
} else {
r->current_dir = valid_dirs[rand() % num_valid];
uint8_t rnd;
if (num_valid == 1) rnd = 0;
else if (num_valid == 2) rnd = rand() & 1;
else {
do { rnd = rand() & 3; } while(rnd >= num_valid);
}
r->current_dir = valid_dirs[rnd];
}
if (r->current_dir == 0) r->target_y++;
@@ -192,40 +217,55 @@ void update_rats(void) {
r->rat_y = r->target_y;
}
// Aggiorna gli hardware sprite (Meta-Sprite system)
uint8_t base_x = r->pixel_x + 12;
uint8_t base_y = r->pixel_y + 20;
uint8_t s0 = r->sprite_base_idx;
uint8_t s1 = r->sprite_base_idx + 1;
// Ottimizzazione: aggiorna tile e flag SOLO quando si cambia direzione.
// Possiamo rilevarlo facilmente: se rat_x == target_x e rat_y == target_y, la direzione
// viene scelta di nuovo (o mantenuta, ma è il momento in cui potrebbe cambiare).
// Tuttavia, per essere super sicuri ed evitare sfarfallii iniziali, creiamo una
// variabile "dirty" implicita, o semplicemente aggiorniamo i tile SOLO
// nel blocco in cui viene assegnata current_dir (poco sopra).
if (r->current_dir == 0 || r->current_dir == 255) { // Giù
set_sprite_tile(s0, 2);
set_sprite_tile(s1, 3);
set_sprite_prop(s0, 0);
set_sprite_prop(s1, 0);
move_sprite(s0, base_x, base_y - 4);
move_sprite(s1, base_x, base_y + 4);
} else if (r->current_dir == 1) { // Su
set_sprite_tile(s0, 3);
set_sprite_tile(s1, 2);
set_sprite_prop(s0, S_FLIPY);
set_sprite_prop(s1, S_FLIPY);
move_sprite(s0, base_x, base_y - 4);
move_sprite(s1, base_x, base_y + 4);
} else if (r->current_dir == 2) { // Sinistra
set_sprite_tile(s0, 1);
set_sprite_tile(s1, 0);
set_sprite_prop(s0, S_FLIPX);
set_sprite_prop(s1, S_FLIPX);
move_sprite(s0, base_x - 4, base_y);
move_sprite(s1, base_x + 4, base_y);
} else if (r->current_dir == 3) { // Destra
set_sprite_tile(s0, 0);
set_sprite_tile(s1, 1);
set_sprite_prop(s0, 0);
set_sprite_prop(s1, 0);
move_sprite(s0, base_x - 4, base_y);
move_sprite(s1, base_x + 4, base_y);
// Visto che non vogliamo riscrivere troppo, e sappiamo che la CPU sta faticando
// con le troppe chiamate a set_sprite_*, spostiamo questa logica!
// Invece di farla in base_x/base_y qui sotto, la lasciamo fissa e ottimizziamo:
// Invece di chiamare set_sprite_tile/prop 30 volte a frame (che è devastante per il GBDK),
// aggiorniamo gli sprite in VRAM *solo* quando do_move è vero (ogni 2 frame)
// e solo calcolando l'offset.
if (do_move || r->current_dir == 255) {
uint8_t base_x = r->pixel_x + 12;
uint8_t base_y = r->pixel_y + 20;
uint8_t s0 = r->sprite_base_idx;
uint8_t s1 = r->sprite_base_idx + 1;
if (r->current_dir == 0 || r->current_dir == 255) { // Giù
set_sprite_tile(s0, 2);
set_sprite_tile(s1, 3);
set_sprite_prop(s0, 0);
set_sprite_prop(s1, 0);
move_sprite(s0, base_x, base_y - 4);
move_sprite(s1, base_x, base_y + 4);
} else if (r->current_dir == 1) { // Su
set_sprite_tile(s0, 3);
set_sprite_tile(s1, 2);
set_sprite_prop(s0, S_FLIPY);
set_sprite_prop(s1, S_FLIPY);
move_sprite(s0, base_x, base_y - 4);
move_sprite(s1, base_x, base_y + 4);
} else if (r->current_dir == 2) { // Sinistra
set_sprite_tile(s0, 1);
set_sprite_tile(s1, 0);
set_sprite_prop(s0, S_FLIPX);
set_sprite_prop(s1, S_FLIPX);
move_sprite(s0, base_x - 4, base_y);
move_sprite(s1, base_x + 4, base_y);
} else if (r->current_dir == 3) { // Destra
set_sprite_tile(s0, 0);
set_sprite_tile(s1, 1);
set_sprite_prop(s0, 0);
set_sprite_prop(s1, 0);
move_sprite(s0, base_x - 4, base_y);
move_sprite(s1, base_x + 4, base_y);
}
}
}
}