Anatomia Game Boya: wróćmy do czasów, zanim konsole były muskularnymi bestiami

Świat gier żyje dzisiaj premierą PlayStation 5 i Xboksa Series X. Konsol do gier tak potężnych, że przeniesione trzy generacje wstecz otwierałyby listę Top 500. To jednak dobra okazja do tego, aby pomówić o przeszłości: cofnąć się do czasów, gdy zamiast stawiać na brutalną siłę, sprzęt gamingowy sprytnie szukał oszczędności.

Wydany w 1989 r. pierwszy model Game Boya nawet w czasach swej świetności był prymitywny, a mimo tego po dziś dzień jest najlepiej sprzedającą się konsolą na świecie. Rozbierzmy go.

Choć obecnie elektronika dąży do maksymalnej integracji, pod koniec lat 80. wcale nieoczywistym było, że jeden układ może agregować niemalże kompletny system. Dzisiaj użylibyśmy terminu SoC (ang. System-on-a-chip) i uznali to za przejaw nowoczesności, jak chociażby w przypadku smartfonów, ale wówczas chodziło wyłącznie o ścięcie kosztów, o czym głośno mówił szef zespołu inżynierskiego Satoru Okada.

Zasadniczy chip Game Boya zawiera 8-bitowy procesor Sharp LR35902, taktowany zegarem 4,19 MHz, a ponadto przetwarza dźwięk i grafikę. Zawiera też moduł timera, kontroler wejścia-wyjścia oraz boot ROM. Sam procesor to swoista hybryda popularnych wówczas układów Intel 8080 i Zilog Z80, z 16-bitową magistralą adresową. Nic szczególnego.

Zresztą, podobnie jak czterokanałowy podsystem audio, składający się z dwóch generatorów fal impulsowych, generatora szumów i programowalnej tablicy PCM

Nietypowo za to Game Boy przetwarza grafikę i na tym warto się skupić—bo urządzenie ma ekran o rozdzielczości 160x144 px i wspiera cztery odcienie szarości, jednak równolegle dysponuje tylko 8 kB pamięci operacyjnej i taką samą ilością VRAM. Powiedzieć, że to niewiele, to tak, jakby stwierdzić, iż lizak Chupa Chups raczej nie wystarczy na obiad.

Gdyby zastosować klasyczną koncepcję bufora ramki i rysowanie piksel po pikselu, pamięć graficzna skończyłaby się przed dojściem do połowy klatki, jako że wymagałoby to 23 040 bajtów (166x144), czyli 22,5 kB. Jeszcze dla odniesienia – konkurencyjne Atari Lynx ma 64 KB. Niemniej jednak klasyk Nintendo w ogóle nie potrafi manipulować pojedynczymi pikselami. Obraz widoczny na ekranie buduje z kafelków o wymiarach 8x8 px.

Pamięć Game Boya mieści 256 takich kafelków, czyli wciąż zbyt mało do wypełnienia całego ekranu (20x18=360), jednak mogą być one stosowane wielokrotnie. Jeśli więc scena zawiera duży fragment jednorodnego tła albo kilka identycznych obiektów, to problem rozwiązany. Choć to oczywiście nie jedyne ograniczenie, z którym radzili sobie deweloperzy.

Każda ukazywana klatka składa się z dwóch warstw: pierwszego planu oraz tła. Opcjonalnie dochodzi do tego okno, które aktualnie nazywamy HUD-em. Ale do rzeczy.

Tylko elementy na pierwszym planie, zwane sprite'ami, mogą być ruchome. Tło pozostaje statyczne. Przy czym ograniczenia przestrzeni adresowej limitują liczbę obiektów dynamicznych do 40 na ekranie i 10 w jednej linii. Polecam odpalić klasycznego "Mario" i zwrócić uwagę, jak układ skrzynek i innych przeszkód koresponduje z tymi wartościami.

Tylko wymachuje nogami, de facto zwisając w powietrzu. Nawet w kultowym "Uważaj jak tańczysz" rapował o tym Sokół i prawda. Ale jak to właściwie się dzieje?

O ile z czystej matematyki wynika, że obraz rysowany przez Game Boya powinien być siatką 20x18, o tyle w rzeczywistości ma wymiary 32x32. Wyświetlacz pełni rolę viewportu, którego współrzędne X oraz Y mogą być płynnie modyfikowane. Skok wynosi w tym przypadku jeden piksel, a częstotliwość – 60 klatek na sekundę.

Nawiasem, stąd każdy tytuł na GB jest perfekcyjnie płynny. Nie widać przy tym ani śladu po ładowaniu obiektów, bo odbywa się ono poza zasięgiem wzroku.

Tymczasem, dzięki niezależnej warstwie okna, nakładka ze statystykami pozostaje na miejscu.

Na jeden z czterech odcieni szarości. Albo trzech, jeśli weźmiemy pod uwagę, że handheld z oczywistych przyczyn nie rozumie pojęcia przezroczystości i tło sprite'ów musi mieć odcień zgodny z tłem sceny, aby stworzyć spójny efekt.

Ale i to deweloperzy umieli wykorzystać. Podmieniając kolejno odcienie, daje się uzyskać efekt pulsowania lub zanikania. Cykl rotacji nie jest narzucony.

Ciekawsze jest jednak to, co można zrobić z samym wyświetlaczem. Obraz na Game Boyu, niczym w monitorach CRT, budowany jest poziomymi liniami. Podczas gdy dane kolejnych linii trafiają do sterownika ekranu, rejestr zwany LY przechowuje informację, o tym która linia jest aktualnie przetwarzana, i porównuje ją ze zmienną w programowalnym rejestrze LYC. Jeśli tylko są zgodne, następuje przerwanie cyklu odświeżania na określonej linii.

Tym z kolei sposobem powstawały rozbłyski pełnoekranowe. Albo tła przemieszczające się nieregularnie jak w "Link's Awakening", gdzie jedynie fale poruszają się w płaszczyźnie wertykalnej, a chmury już nie. Wszystko to, podkreślmy, przy 8 kB VRAM. Imponujące.

Czemu się nad tym starociem rozwodzisz? – ktoś zapyta. Bo to niezwykle przyjemna odskocznia od kultywowanej teraz szermierki na teraflopsy. I tyle. Dodam, że nie są to oczywiście wszystkie ciekawostki kryjące się we wnętrzu poczciwego GB, ale przez pryzmat czasu miło popatrzeć na protetyczny charakter niektórych rozwiązań. Prawda?