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Paginación de memoria 128K Si el bus de direcciones del Spectrum es de 16 bits y por lo tanto sólo puede acceder a posiciones de memoria entre 0 y 65535¿ ¿cómo se las arreglan los modelos de 128KB para acceder a la memoria situada entre las celdillas 65535 y 131071? La respuesta es un mecanismo tan simple como ingenioso: se utiliza una técnica conocida como paginación de memoria. En este artículo aprenderemos a aprovechar los 128K de memoria de que disponen los modelos de Spectrum 128K, +2, +2A y +3. Gracias a la paginación nos saltaremos la limitación de direccionamiento de 64K del microprocesador Z80 para acceder a la totalidad de la memoria disponible. Paginación Los modelos de Spectrum 128K, +2, +2A, +2B y +3 disponen de 128KB de memoria, aunque no toda está disponible simultáneamente. Al igual que en el modelo de 48KB, el microprocesador Z80 sólo puede direccionar 64K-direcciones de memoria, por lo que para acceder a esta memoria "extra", se divide en bloques de 16KB y se "mapea" (pagina) sobre la dirección de memoria 0xc000. ¿Qué quiere decir esto? Que nuestro procesador, con un bus de direcciones de 16 bits, sólo puede acceder a la memoria para leer las "celdillas" entre 0×0000 y 0xFFFF (0-65535). Para leer casillas de memoria superiores a 65535, harían falta más de 16 bits de direcciones, ya que 65535 es el mayor entero que se puede formar con 16 bits (1111111111111111b). Así que ¿ ¿cómo hacemos para utilizar más de 64KB de memoria si nuestro procesador sólo puede leer datos de la celdilla 0, 1, 2, 3 ¿ 65534 y 65535? La respuesta es: mediante la paginación. Los 64KB de memoria del Spectrum, se dividen en 4 bloques de 16KB. El primer bloque (0×0000 - 0×4000) está mapeado sobre la ROM del Spectrum. Accediendo a los bytes desde 0×0000 a 0x3FFF de la memoria estamos accediendo a los bytes 0×0000 a 0x3FFF del "chip (físico)" de 16K de memoria que almacena la ROM del Spectrum. Se dice, pues, que la ROM está mapeada (o paginada) sobre 0×0000 en el mapa de memoria. Dejando la ROM de lado (16KB), los 48KB de memoria restantes están formados por 3 bloques de 16KB. El segundo bloque de 16K de memoria (primero de los 3 que estamos comentando), en el rango 0×4000 a 0x7FFF está mapeado sobre el "chip de memoria" que almacena el área de pantalla del Spectrum. El tercero (0×8000 a 0xBFFFF) es memoria de propósito general (normalmente cargaremos nuestros programas aquí). El bloque que nos interesa a nosotros es el cuarto. La zona final del área de memoria, desde 0xC000 a 0xFFFF, es nuestra "ventana" hacia el resto de memoria del 128K. Dividiendo los 128KB de memoria en bloques de 16KB, tendremos 8 bloques que podremos "montar" (o paginar) sobre el área 0xC000 a 0xFFFF. Veamos una figura donde se muestra el estado del mapa de memoria del Spectrum:
Cualquiera de los 8 bloques de 16KB (128 KB / 16 KB = 8 bloques) puede ser "mapeado" en los 16Kb que van desde 0xc000 a 0xffff, y podremos cambiar este mapeo de un bloque a otro mediante instrucciones I/O concretas. La última porción de 16KB de la memoria es, pues, una "ventana" que podemos deslizar para que nos dé acceso a cualquiera de los 8 bloques disponibles. Esto nos permite "paginar" el bloque 0 y escribir o leer sobre él, por ejemplo. El byte 0 del bloque 0 se accede a través de la posición de memoria 0xC000 una vez paginado, el byte 1 desde 0xC0001, y así hasta el byte 16383, al que accedemos mediante 0xFFFF. Si paginamos el bloque 1 en nuestra ventana 0xC000-0xFFFF, cuando accedamos a este rango de memoria, ya no accederíamos a los mismos datos que guardamos en el banco 0, sino a la zona de memoria "Banco 1". Es posible incluso mapear la zona de pantalla (Banco 5), de forma que las direcciones 0×4000 y 0xC000 serían equivalentes: los 8 primeros píxeles de la pantalla. El mapa de memoria del Spectrum con los bloques mapeables/paginables sobre 0xC000 es el siguiente:
Cambiando de banco El puerto que controla la paginación en los modelos 128K es el 0x7FFD. La lectura del puerto no devolverá ningún valor útil, pero sí podemos escribir en él un valor con cierto formato:
A la hora de cambiar de página de memoria hay que tener en cuenta lo siguiente:
Un ejemplo de cambio de banco en ASM:
Podemos crearnos una rutina lista para usar con este código, como la que sigue:
Un detalle apuntado por la documentación de World Of Spectrum es que los bancos 1, 3, 5 y 7 son "contended memory", lo que quiere decir que se reduce ligeramente la velocidad de acceso a estos bancos con respecto a los otros bancos. Un apunte muy importante es que en el caso del +2A y +3, los bancos de contended-memory ya no son el 1, 3, 5 y 7, sino los bloques 4, 5, 6 y 7. Al final de este capítulo veremos con más detalle qué es la contended-memory y en qué puede afectar a nuestros programas. Particularidades +2A/+3 En el caso del +2A y +3 hay que tener en cuenta una serie de detalles "extra" a lo visto anteriormente, y es que estos 2 modelos tienen un modo de paginación especial, aunque siguen siendo compatible con el sistema de paginación que hemos visto. Por eso estos detalles que veremos a continuación son opcionales, ya que podemos utilizar el modo de paginación de la misma forma que en el +2 y 128K (paginación normal):
Este puerto (el 0x1FFD) tiene el siguiente significado a la hora de escribir en él:
Cuando se activa el modo especial, el mapa de memoria cambia a una de estas configuraciones, según los valores de los bits 1 y 2 del puerto 0x1FFD:
Por otra parte, las 4 ROMS mapeables del +2A y +3 son:
Ejemplo sencillo: alternando Bancos 0 y 1 El siguiente ejemplo muestra la paginación de la siguiente forma:
Haciendo esto, guardamos 2 valores diferentes en 2 bancos diferentes, y posteriormente recuperamos dichos bancos para verificar que, efectivamente, los valores siguen en las posiciones (0000) de los bancos y que la paginación de una banco a otro funciona adecuadamente. Se han elegido los valores 0xAA y 0×01 porque se muestra en pantalla como 2 tramas de pixeles bastante diferenciadas, siendo la primera un entramado de barras verticales separadas por 1 pixel, y la segunda separados por 7 pixeles. Para terminar de comprender el ejemplo, lo mejor es ensamblarlo y ejecutarlo:
El programa anterior, una vez ensamblado y ejecutado, esperará la pulsación de una tecla para mostrarnos en pantalla el valor de la celdilla de memoria 0xc000 mapeando primero uno de los bancos, y luego el otro. Contended Memory En este artículo hemos hablado de la Contended Memory (podríamos traducirlo por "contención de memoria" o "memoria contenida"). Esta peculiaridad de la memoria del Spectrum puede traernos de cabeza en circunstancias muy concretas, como la programación de emuladores, o la creación de rutinas críticas donde el timming sea muy importante o donde tengamos que sincronizarnos de una forma muy precisa con algún evento. El efecto es el siguiente: algunas zonas de memoria, en determinadas circunstancias, son de acceso más lento que otras en cuanto a ejecución de código que afecten a ellas (leer de esas zonas, escribir en esas zonas, ejecutar código que está en esas zonas). La causa es sencilla: una misma celdilla de memoria no puede ser accedida por 2 dispositivos diferentes simultáneamente. ¿Acaso existen en el Spectrum otro dispositivo que acceda a la memoria además del microprocesador (cuando lee, decodifica y ejecuta instrucciones, o cuando lee/escribe en memoria)? Sí, lo hay, y es la ULA (Uncommited Logic Array).
La ULA es, digamos, "el chip gráfico" del Spectrum. Su labor no es como en los chips gráficos actuales o los chips gráficos de otros ordenadores (y consolas) de 8 bits, la de apoyar al software con funciones extra, sino que en el Spectrum la ULA se limita a leer la VIDEORAM (parte de la memoria que contiene la información gráfica a representar en el monitor), interpretarla, y mandar al modulador de TV las señales adecuadas para la visualización de dicha información en la TV. Sencillamente, es el chip que lee la VideoMemoria y la convierte en los píxeles que vemos en la TV. ¿Cómo trabaja la ULA? Este pequeño chip fabricado por Ferranti recorre 50 veces por segundo la zona de memoria que comienza en 0×4000 (16384) y transforma los datos numéricos en píxeles apagados o encendidos con el color de la tinta y papel asociado a cada celdilla 8×1 (8×8 en realidad) que va leyendo byte a byte, horizontalmente. Esto implica una sincronización con el haz de electrones del monitor de TV, que empieza en la esquina superior-izquierda y avanza horizontalmente hasta llegar al final de cada línea para, como en una máquina de escribir, pasar a la siguiente línea horizontal, y así hasta llegar hasta la esquina inferior derecha.
El problema es que mientras el haz de electrones del monitor avanza redibujando la imagen, el Spectrum no puede interrumpirlo (de hecho, no puede controlarlo, sólo se sincroniza con él) y tiene que servirle todos los datos necesarios para el retrazado de la imagen. Esto implica que cuando la ULA está "redibujando" la pantalla (y recordemos que lo hace 50 veces por segundo) y por tanto leyendo de las sucesivas posiciones de memoria comenzando en 0×4000, el procesador no puede acceder a las celdillas exactas de memoria a las que accede la ULA hasta que ésta deja de hacer uso de ellas. En otras palabras, a la hora de leer celdillas de memoria entre 0×4000 y 0x7FFF, la ULA tiene prioridad sobre el procesador. Por eso, los programas que corren en la zona de memoria entre 0×4000 y 0x7FFF pueden ser ralentizados cuando la ULA está leyendo la pantalla. Como se detalla en la FAQ de comp.sys.sinclair alojada en World Of Spectrum, este efecto sólo se dá cuando se está dibujando la pantalla propiamente dicha, ya que para el trazado del borde la ULA proporciona al haz de electrones el color a dibujar y no se accede a memoria, por lo que no se produce este retraso o delay. Controlar exactamente los retrasos que se producen y cómo afectarán a la ejecución de nuestros programas es un ejercicio bastante complejo que requiere conocimiento de los tiempos de ejecución de las diferentes instrucciones, número de ciclo desde que comenzó el retrazado de la pantalla, etc. Por ejemplo, una misma instrucción, NOP, que requiere 4 ciclos de reloj para ejecutarse en condiciones normales, puede ver aumentado su tiempo de ejecución a 10 ciclos (4 de ejecución y 6 de delay) si el contador de programa (PC) está dentro de una zona de memoria contenida, y dicho delay afectaría sólo al primer ciclo (lectura de la instrucción por parte del procesador). Por contra, si en lugar de una instrucción NOP tenemos una instrucción LD que acceda a memoria (también contenida), el delay puede ser mayor. Como podéis imaginar, este es uno de los mayores quebraderos de cabeza para los programadores de emuladores, y es la principal causa (junto con la Contended I/O, su equivalente en cuanto a acceso de puertos, también producido por la ULA), de que hasta ahora no todos los juegos fueran correctamente emulados con respecto a su funcionamiento en un Spectrum. También muchas demos con complejas sincronizaciones y timmings dejaban de funcionar en emuladores de Spectrum que no implementaban estos "retrasos" y que, en su emulación "perfecta del micro", ejecutaban siempre todas las instrucciones a su velocidad "teórica". En nuestro caso, como programadores, la mejor manera de evitar problemas en la ejecución de nuestros programas es la tratar de no situar código, siempre que sea posible, entre 0×4000 y 0x7FFF. Contended Memory + Paginación ¿Cómo afecta la contended-memory al sistema de paginación de los modelos 128K? Al igual que en el 48K existe una ¿página¿ (0×4000-0x7FFF) a la que la ULA accede y por tanto afectada por sus lecturas, en el caso de los 128K existen bancos de memoria completos (páginas) de memoria contenida. Como ya hemos visto, estos bancos son:
La afectación de velocidad de lectura de esta memoria es más importante de lo que parece. Según el manual del +3:
Es decir, la velocidad de acceso a memoria (y por tanto, también de ejecución) cae un 25% en un banco con contended-memory con respecto a un banco que no lo sea. El problema, que para el 128K y +2 las páginas que sufre una penalización son unas, y para el +2A y +3 otras diferentes, por lo que parece que siempre tendremos que primar a uno de los modelos sobre otros: o usamos números de bancos que no penalicen al +2A/+3, o lo hacemos para el 128K/+2. Lo mejor es no situar en la zona paginada rutinas como las de vídeo o audio, o al menos, no hacerlo si éstas son críticas. En cualquier caso, es probable que para el 90% de las rutinas o datos de un programa no existan problemas derivados de correr o estar alojados en memoria contenida, pero puede ser un detalle a tener muy en cuenta en rutinas que requieran un timming perfecto (efectos con el borde, efectos gráficos complejos, etc). Paginación de memoria desde Z88DK (C) Podemos paginar memoria también desde C usando Z88DK mediante un código como el siguiente:
Con el anterior código podemos mapear uno de los bancos de memoria de 16KB sobre la página que va desde 0xC000 a 0xFFFF, pero debido al uso de memoria, variables y estructuras internas que hace Z88DK, debemos seguir una serie de consideraciones.
La regla general es asegurarse de que no haya nada importante (para la ejecución de nuestro programa) en el bloque 0xC000 a 0xFFFF cuando se haga el cambio: ni la pila, ni código al que debamos acceder. Tan sólo datos que puedan ser intercambiandos de un banco a otro sin riesgo para la ejecución del mismo (por ejemplo, los datos de un nivel de juego en el que ya no estamos). En resumen
Comprendiendo el sistema de paginación de los modelos de 128K y aprendiendo a utilizarlo conseguimos una gran cantidad de memoria adicional que ir paginando sobre el bloque 0xC000-0xFFFF. Así, podemos almacenar los datos de diferentes niveles en diferentes bloques, y cambiar de uno a otro mediante paginación en el momento adecuado. Esto permite realizar cargas de datos desde cinta almacenando la totalidad de los datos del juego o programa en bancos libres de memoria y convertir nuestro juego multicarga (con una carga por fase) en un juego de carga única (con todos los elementos del juego almacenados en memoria), evitando el tedioso sistema de rebobinar y volver a cargar la primera fase cuando el jugador muere. Ahora bastará con que nuestro programa, una vez cargado en memoria y en ejecución, pagine un determinado bloque, cargue 16K-datos sobre él, pagine otro bloque diferente, y realice otra carga de datos desde cinta, y así sucesivamente con todos los bloques de datos del juego. Estas cargas de datos podemos hacerlas bien desde nuestro programa ¿principal¿ una vez cargado y en memoria, o bien desde un mini-programa lanzado por el cargador BASIC y previo a cargar el programa definitivo. El resultado: 128KB de memoria a nuestro alcance, tanto para cargar múltiples datos gráficos o de mapeado sobre ellos como para llenarlos internamente desde nuestro programa. FICHEROS LINKS |
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Santiago Romero |
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