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 Häkkinen （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）：

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>void dump(const uint8_t* screen) {const uint8_t* s = screen;for (int y = 0; y < 25; y++) {for (int x = 0; x < 40; x++, s++) {printf("%c", *s == 0xa0 ? '#' : '.');}printf("\n");}
}void setreg(uintptr_t dst, uint8_t v) {
//  *((uint8_t *)dst) = v;
}int main() {
//  uint8_t* screenRAM = (uint_8*)0x0400;uint8_t* screenRAM = (uint8_t *)calloc(40*25, 0x20);setreg(0xd020, 0); // Set border colorsetreg(0xd021, 0); // Set background colorint yslope = (25<<8)/40;int yf = yslope/2;for (int x = 0; x < 40; x++) {int yi = yf >> 8;// First linescreenRAM[x + yi*40] = 0xa0;// Second line (X-mirrored)screenRAM[(39-x) + yi*40] = 0xa0;yf += yslope;}dump(screenRAM);
}

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：

!include "c64.asm"+c64::basic_start(entry)entry: {lda #0      ; black colorsta $d020   ; set border to 0sta $d021   ; set background to 0; clear the screenldx #0lda #$20
clrscr:
!for i in [0, $100, $200, $300] {sta $0400 + i, x
}inxbne clrscr; line drawing, completely unrolled; with assembly pseudoslda #$a0!for i in range(40) {!let y0 = Math.floor(25/40*(i+0.5))sta $0400 + y0*40 + ista $0400 + (24-y0)*40 + i}
inf: jmp inf  ; halt
}

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：

    int yslope = (25<<8)/40;int yf = yslope/2;uint8_t* dst = screenRAM;for (int x = 0; x < 40; x++) {dst[x] = 0xa0;dst[(39-x)] = 0xa0;yf += yslope;if (yf & 256) { // Carry set?dst += 40;yf &= 255;}}

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：

!include "c64.asm"+c64::basic_start(entry)!let screenptr = $20
!let x0 = $40
!let x1 = $41
!let yf = $60entry: {lda #0sta x0sta $d020sta $d021; kernal clear screenjsr $e544; set screenptr = $0400lda #<$0400sta screenptr+0lda #>$0400sta screenptr+1lda #80sta yflda #39sta x1
xloop:lda #$a0ldy x0; screenRAM[x] = 0xA0sta (screenptr), yldy x1; screenRAM[39-x] = 0xA0sta (screenptr), yclclda #160  ; line slopeadc yfsta yfbcc no_add; advance screen ptr by 40clclda screenptradc #40sta screenptrlda screenptr+1adc #0sta screenptr+1no_add:inc x0dec x1bpl xloopinf:    jmp inf
}

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：

        ; set screenptr = $0400lda #<$0400sta screenptr+0lda #>$0400sta screenptr+1

给screenptr加40，以前进到下一行：

        ; advance screen ptr by 40clclda screenptradc #40sta screenptrlda screenptr+1adc #0sta screenptr+1

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：

        lda #0sta x0lda #39sta x1
xloop:lda #$a0ldx x0; hardcoded absolute address to last screen linesta $0400 + 24*40, xldx x1sta $0400 + 24*40, xadc yfsta yfbcc no_scroll; scroll screen up!jsr $e8ea
no_scroll:inc x0dec x1bpl xloop

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：

        ldx x1; hardcoded absolute address to last screen linesta $0400 + 24*40, xldx x0sta $0400 + 24*40, xinc x0dec x1

编码后为14字节的序列：

0803: A6 22               LDX $22
0805: 9D C0 07            STA $07C0,X
0808: A6 20               LDX $20
080A: 9D C0 07            STA $07C0,X
080D: E6 22               INC $22
080F: C6 20               DEC $20

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

        ldx x1sta $0400 + 24*40, x
addr0:  sta $0400 + 24*40; advance the second x-coord with SMCinc addr0+1dec x1

只需要13字节：

0803: A6 22               LDX $22
0805: 9D C0 07            STA $07C0,X
0808: 8D C0 07            STA $07C0
080B: EE 09 08            INC $0809
080E: C6 22               DEC $22

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 ：

!let x0 = $20lda #39      ; 0801: A9 27    LDA #$27sta x0       ; 0803: 85 20    STA $20
xloop:dec x0       ; 0805: C6 20    DEC $20bpl xloop    ; 0807: 10 FC    BPL $0805

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：

!let x0 = $d5; nothing here!
xloop:dec x0       ; 0801: C6 D5    DEC $D5bpl xloop    ; 0803: 10 FC    BPL $0801

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）：

0801: 0B 08 0A 00 9E 32 30 36 31 00 00 00
080D: 8D 20 D0     STA $D020

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：

    * = $01F8!word scroll - 1  ; overwrite stackscroll:    jsr $E8EA

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：

02E6: 20 EA E8    JSR $E8EA
02E9: A4 D5       LDY $D5
02EB: A9 A0       LDA #$A0
02ED: 99 20 D0    STA $D020,Y
02F0: 91 D1       STA ($D1),Y
02F2: 9D B5 07    STA $07B5,X
02F5: E6 D6       INC $D6
02F7: 65 90       ADC $90
02F9: 85 90       STA $90
02FB: C6 D5       DEC $D5
02FD: 30 FE       BMI $02FD
02FF: 90 E7       BCC $02E8
0301: 4C E6 02    JMP $02E6

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。

当这行代码加载到地址$02E6开始的内存之后，值$02E6被写入地址$0302-$0303。实际上$0302-$0303有特殊含义：它包含指向“BASIC闲置循环”的指针（参见C64内存映射：http://sta.c64.org/cbm64mem.html）。加载PRG会使用$02E6覆盖改地址，所以当BASIC解释器在热重置后试图跳转到闲置循环时，它不会进入闲置循环，而是会进入直线渲染程序！

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：

        lda #39sta x1
xloop:lda #$a0ldx x1sta $0400 + 24*40, xadc yfsta yfbcc no_scroll; scroll screen up!jsr $e8ea
no_scroll:dec x1bpl xloop; intentionally halt at the end
inf:    jmp inf

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：

        lda #39sta x1
xloop:lda #$a0ldx x1sta $0400 + 24*40, xdec x1; skip scrolling if last pixelbmi doneadc yfsta yfbcc no_scroll; scroll screen up!jsr $e8ea
no_scroll:jmp xloop
done:; intentionally halt at the end
inf:    jmp inf

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：

        lda #39sta x1
scroll: jsr $e8ea
xloop:lda #$a0ldx x1sta $0400 + 24*40, xadc yfsta yfdec x1     ; doesn't set carry!
inf:    bmi inf    ; hang here if last pixel!bcc xloop  ; next pixel if no scrollbcs scroll ; scroll up and continue

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：

int mask = 0xB6; // 10110110
uint8_t* dst = screenRAM;
for (int x = 0; x < 40; x++) {dst[x] = 0xA0;if (mask & (1 << (x&7))) {dst += 40; // go down a row}
}

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。

【END】

Python的C位稳了!微软正式拥抱Python !

https://edu.csdn.net/topic/python115?utm_source=csdn_bw

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