程序员,如何用最少的字节编写 C64 可执行文件?

如何用尽可能少的字节编写一个C64可执行文件?本文的作者通过一个竞赛,详细解读了最佳实践技巧,快来Get吧!

作者 |Janne Hellsten

译者 | 弯月,责编 | 郭芮

出品 | CSDN(ID:CSDNnews)

以下为译文:

这篇文章回顾了我主持Commodore 64编程竞赛时,人们使用的C64编程技巧。竞赛的规则很简单:编写一个C64可执行文件(PRG文件),画出两条线,组成下面的图形——目标是用尽可能少的字节。

参赛作品通过Twitter的回复和私信发表,里面只包括PRG文件的字节长度,和PRG文件的MD5哈希值。

下面是一些参赛者,以及他们作品的链接:

Philip Heron(https://twitter.com/fsphil) (代码:https://github.com/fsphil/tinyx - 34 字节 - 优胜者)

Geir Straume (https://twitter.com/GeirSigmund)(代码:https://c64prg.appspot.com/downloads/lines34b.zip - 34 字节)

Petri H kkinen (https://twitter.com/petrih3)(代码:https://github.com/petrihakkinen/c64-lines - 37 字节)

Mathlev Raxenblatz (https://twitter.com/laubzega)(代码:https://gist.github.com/laubzega/fb59ee6a3d482feb509dae7b77e925cf - 38 字节)

Jan Achrenius (https://twitter.com/achrenico)(代码:https://twitter.com/achrenico/status/1161383381835362305 - 48 字节)

Jamie Fuller (https://twitter.com/jamie30dbs)(代码:- 50 字节)

David A. Gershman (https://twitter.com/dagershman)(代码:http://c64.dagertech.net/cgi-bin/cgiwrap/c64/index.cgi?p=xchallenge/.git;a=tree - 53 字节)

Janne Hellsten(https://twitter.com/nurpax) (代码:https://gist.github.com/nurpax/d429be441c7a9f4a6ceffbddc35a0003 - 56 字节)

(如果有遗漏,请联系我更正。)

本文其余部分将重点介绍比赛作品中用到的一些汇编技巧。

基本知识

C64默认的图形模式为40x25字符模式。RAM中的帧缓冲区分为两个阵列:

$0400(屏幕RAM,40x25字节)

$d800(颜色RAM,40x25字节)

要想设置字符,需要在$0400处的屏幕RAM中(例如:$0400+y*40+x)存储一个字节。颜色RAM默认初始化为浅蓝色(颜色14),正好是线的颜色,意味着我们可以不用管颜色RAM。

边框色和背景色可以通过I/O寄存器控制,它被映射到内存中的$d020(边框色)和$d021(背景色)。

画两条线非常简单,因为斜率是固定的,可以直接硬编码。下面是C语言的实现,可以画两条线并在stdout上显示(去掉了寄存器写入,并把屏幕RAM的写入替换成了malloc(),以便在PC上运行):

上述画图时使用的字符分别为$20(空白)和$a0(8x8填充方块)。运行后应该能看到下面由两条线组成的ASCII图形:

使用6502汇编和汇编伪代码,可以非常容易地将其转换为汇编语言:

这段划线的代码得到的PRG文件有286字节之大。

在讨论优化之前,我们先来观察几点:

首先,在C64上运行代码,而C64带有ROM例程。ROM中有许多例程,也许对我们的小程序有帮助。例如,清除屏幕只需要写JSR $E544。

其次,在6502这种8位CPU上计算地址可能非常麻烦,会消耗许多字节。CPU也没有乘法器,所以计算y*40+i之类的算式通常需要一系列逻辑位移操作,或者使用查找表,同样需要占用许多字节。为了避免乘以40的运算,我们可以逐步递增屏幕指针:

这里我们每次将直线斜率累加到定点计数器yf上,每当8比特累加器设置进位标志时,就再加40。

下面是用汇编实现的累加方法:

总共82字节,仍然有点大。有几个非常明显的字节数过多是由16位地址计算产生的:

设置screenptr值用于间接索引寻址:

给screenptr加40,以前进到下一行:

当然,这段代码也可以再小一些,但要是能一开始就不使用16位寻址该多好?我们来看看能否避免16位寻址。

技巧1:卷轴!

我们不再画整个屏幕RAM,而是只画最后Y=24行,然后通过JSR $E8EA调用“向上卷轴”ROM函数,将整个屏幕向上滚动!

x循环变成这样:

使用这个技巧后,线的渲染过程如下:

这是这次比赛中我最喜欢的技巧。许多参赛者也都发现了这个技巧。

技巧2:自行修改的代码

设置像素值的代码大致如下:

编码后为14字节的序列:

实际上还可以使用自行修改的代码(self-modifying code,SMC)写得更简洁:

只需要13字节:

技巧3:使用加电状态

这次比赛中允许对环境做出大胆的假设:画线的PRG是C64加电后运行的第一个程序,退出之后也不需要干净地回到BASIC提示符下。所以任何PRG启动后的初始环境中的东西都可以使用。下面是一些PRG启动时“不变”的东西:

A,X,Y寄存器可以假设都为零;

所有CPU标志位均为清除状态;

零页(地址为$00-$ff)内容。

类似地,如果调用任何内核ROM例程,也可以借助一切它们带来的副作用:返回的CPU标志位,临时值设置到零页中,等等。

在最初的几波优化之后,所有人都把目光投向了这个机器监视窗口中,寻找任何可能有用的值:

零页实际上包含非常有用的东西:

$d5:39/$27 == 线长度 - 1

$22: 64/$40 == 线斜率计数器的初始值

使用这些可以在初始化时节省一些字节。例如 :

由于$d5包含值39,所以你可以将x0计数器指向$d5,这样可以跳过LDA/STA这两条指令:

Philip的优胜作品把这个技巧发挥到了极致。回忆一下最后一个字符行的地址是$07C0(==$0400+24*40)。在初始化时,这个值不在零页中。但是,ROM的“向上卷轴”例程会临时使用零页,其副作用就是函数返回时,$D1-$d2会包含$07C0。所以,设置一个像素不需要做STA $07C0, x,而是可以用间接索引寻址模式STA ($D1), y,可以节省一个字节。

技巧4:更小的起始代码

常见的C64 PRG二进制文件包含以下部分:

开头2字节:加载地址(通常为$0801)

12字节的BASIC起始序列

BASIC起始序列如下所示(地址为$801-$80C):

这里不会深入介绍令牌BASIC内存布局(https://www.c64-wiki.com/wiki/BASIC_token),只需知道这个序列大致相当于“10 SYS 2061”即可。地址2061($080D)是BASIC解释器执行SYS命令时,实际的机器码程序开始运行的地方。

这14字节似乎毫无用处。Philip、Mathlev和Geir用了一些非常巧妙的技巧去掉了BASIC序列。这个技巧要求使用LOAD "*",8,1来加载PRG,因为LOAD "*",8会忽略PRG加载地址(开头两字节),永远加载到$0801。

这里使用了两个方法:

栈技巧;

BASIC热重置向量技巧。

栈技巧

该技巧就是用一个指向我们希望的入口点的值来填充位于$01F8处的CPU栈。具体做法是,制作一个PRG,开始为一个16位指针,指向我们的代码,并将PRG加载到$01F8:

BASIC加载器(参见https://www.pagetable.com/c64disasm/#F4A5)加载完成并通过RTS指令返回调用者之后,它不会返回到调用LOAD的地方,而是直接返回到我们的PRG中。

BASIC热重置向量技巧

这个技巧似乎直接阅读PRG反汇编更容易理解:

注意最后一行(JMP $02E6)。JMP指令从地址$0301开始,跳转目标地址存储在地址$0302-$0303。

其他与BASIC启动有关的技巧

Petri发现了另一个BASIC启动技巧(https://github.com/petrihakkinen/c64-lines/blob/master/main37.asm)可以将自己的常量注入到零页中。在这个方法中,你需要手工编写令牌BASIC启动序列,然后将自己的常量写入BASIC程序的行号中。BASIC行号(即你的常量)会在启动时存储至地址$39-$3A。非常聪明!

技巧5:非常规控制流

下面是个简化版本的x循环,它只画一条线,画完一条线后会停止执行:

但这段代码有个bug。在画线上的最后一个像素时,不应该再卷轴。因此我们需要在画最后一个像素时编写更多的分支来跳过卷轴:

这里的控制流看起来很像C编译器编译结构化程序的结果。为了跳过最后一次卷轴,这段代码使用了新的JMP abs指令,占用了3个字节。条件分支只有两个字节,因为它们使用8位相对立即数来表示分支目标。

这个“跳过最后一次卷轴”的JMP指令实际上可以避免,只需将卷轴调用移动到循环的开头,然后稍稍改一下控制流的结构。Philip想出的办法如下:

这段代码完全省却了3字节的JMP,还将另一个JMP改成了2字节的条件分支,总共节省了4字节。

技巧6:利用位堆积来画线

一些作品没有使用斜率计数器,而是将直线的图案堆积到了一个8位常量中,因为直线上的像素遵循一个重复的8像素图案:

其汇编代码非常简短。不过,修改后的斜率计数器更精简一些。

优胜作品

下面是Philp的34字节的优胜作品,他的代码中许多地方都非常精巧。

但为什么停在了34字节?

比赛结束后,每个人都分享了代码和心得,大家还就如何改进进行了许多讨论。在截止期限之后还出现了一些更小的版本:

Philip - 33 字节:https://gist.github.com/fsphil/05deaa06804b9b2054260b616cafed4b

Philip - 32 字节:https://gist.github.com/fsphil/01bda1a9dd58c219002ddd6e18b36c3f

Petri - 31 字节:https://github.com/petrihakkinen/c64-lines/blob/master/main31.asm

Philip - 29 字节:https://gist.github.com/fsphil/7655a394ec5f953c910e9d9369dced56

你应该读读这些代码——其中有些非常好的东西。

原文: https://nurpax.github.io/posts/2019-08-18-dirty-tricks-6502-programmers-use.html

本文为CSDN翻译,转载请注明来源出处。

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