Tecnología MOS VIC-II

El VIC-II se programa manipulando sus 47 registros de control (frente a los 16 del VIC), cuya memoria se asigna al rango $D000 – $D02E en el espacio de direcciones del C64. De todos estos registros, 34 se dedican exclusivamente al control de sprites (los sprites se denominan MOBs, por "Movable Object Blocks", en la documentación del VIC-II). Al igual que su predecesor, el VIC-II admite la entrada mediante lápiz óptico y, con la ayuda de la ROM de caracteres estándar del C64, proporcionaba el conjunto de caracteres PETSCII original de 1977 en una pantalla de dimensiones similares a la de la serie PET de 40 columnas .

Al recargar los registros de control del VIC-II mediante código máquina conectado a la rutina de interrupción de trama (la interrupción de línea de exploración), se puede programar el chip para generar significativamente más de 8 sprites concurrentes (un proceso conocido como multiplexación de sprites ) y, en general, otorgar a cada segmento de la pantalla definido por el programa diferentes propiedades de desplazamiento, resolución y color. La limitación de hardware de 8 sprites por línea de exploración se puede aumentar aún más permitiendo que los sprites parpadeen rápidamente. Dominar la interrupción de trama es esencial para liberar las capacidades del VIC-II. Muchas demos y algunos juegos posteriores establecían una sincronización fija entre la CPU y el VIC-II para que los registros del VIC pudieran manipularse en el momento preciso, pero la dependencia de las interrupciones de trama para garantizar una sincronización adecuada podía reducirse y su sobrecarga minimizarse.

El C64 se comercializó con el conjunto de caracteres PETSCII en una ROM de 4k, pero, al igual que el VIC-20 anterior, los datos reales de los caracteres se leían de la memoria en una ubicación específica. Esta ubicación es uno de los registros del VIC-II, que permitía a los programadores construir sus propios conjuntos de caracteres colocando los datos apropiados en la memoria; cada carácter es una cuadrícula de 8x8, un byte representa 8 bits horizontalmente, por lo que se requieren 8 bytes para un solo carácter y, por lo tanto, el conjunto completo de 256 caracteres utiliza un total de 2048 bytes. Teóricamente, se pueden usar hasta ocho conjuntos de caracteres si se llenan los 16k de memoria de vídeo. ^{[ 9 ] : 363}

Además de los conjuntos de caracteres, el VIC-II también utiliza 1000 bytes para almacenar las 25 líneas de 40 caracteres por línea , un byte para cada carácter, que en la configuración predeterminada de encendido se encuentra en $400 - $7E8 . ^{[ 9 ] : 117–119} Se accede a la RAM de color como bits 8 a 11 de la matriz de vídeo; ^{[ 10 ]} en el 64 y 128, se encuentra en el espacio de E/S en $D800 - $DBFF y no se puede mover de esa ubicación. Contiene los valores para el color 1 (color 3 en modo multicolor) de cada carácter.

La ROM de caracteres se asigna a dos de las cuatro "ventanas" del VIC-II, en $1000 - $1FFF y $9000 - $9FFF , aunque la CPU no puede verla allí (la ROM de caracteres puede cambiarse a $D000 - $DFFF donde es visible para la CPU, pero no para el VIC-II). Por lo tanto, los búferes de datos gráficos o de vídeo no pueden colocarse en $1000 - $1FFF o $9000 - $9FFF porque el VIC-II verá la ROM de caracteres allí en su lugar. Debido a que estas áreas de RAM no podían ser utilizadas por el chip gráfico del VIC-II, se usaban frecuentemente para música/efectos de sonido (el chip SID). El C64 tiene la capacidad de tener RAM y ROM en la misma dirección de memoria, pero la CPU "vería" una y el chip VIC-II "vería" la otra.

En el modo de caracteres de alta resolución predeterminado, el color de primer plano de cada carácter se puede configurar individualmente en la RAM de color. En el modo de caracteres multicolor, el color 3 se limita a los primeros ocho valores de color posibles; el cuarto bit se utiliza entonces como un indicador que señala si este carácter se mostrará en alta resolución o multicolor, lo que permite mezclar ambos tipos en una misma pantalla. ^{[ 9 ] : 460–462} Los colores 1 y 2 se configuran mediante los registros en $D022 y $D023 y son globales para todos los caracteres. ^{[ 9 ] : 373}

Si se utiliza el modo de color de fondo extendido, los dos bits superiores del código de carácter se usan para seleccionar uno de los cuatro registros de color de fondo. Esto permite cuatro colores de fondo diferentes en la pantalla, pero a costa de limitar la visualización a solo 64 caracteres diferentes en lugar de 256. Debido a esta limitación, los juegos rara vez lo utilizaban.

Uno de los objetivos principales del equipo de diseño de Commodore era añadir un modo de mapa de bits con direccionamiento de todos los puntos, ya que el VIC-I carecía de esta función. Sin embargo, para minimizar el uso de circuitos adicionales, lo organizaron de la misma manera que el modo de caracteres, es decir, con mosaicos de 8x8 y 4x8. Los gráficos de mapa de bits requieren una página de 8k para los datos de píxeles, y cada byte corresponde a una fila de ocho o cuatro píxeles. El siguiente byte corresponde a la fila inferior, y después de la octava fila, se vuelve al principio del siguiente mosaico.

En los mapas de bits de alta resolución, la RAM de pantalla se utiliza para almacenar los colores de primer plano y de fondo de cada mosaico (nibble alto y bajo de cada byte). Este es el único modo de VIC-II que no utiliza la RAM de color en $D800 ni el registro de color de fondo en $D021 .

El modo de mapa de bits multicolor permite tres colores por mosaico (el cuarto es el color de fondo, tal como se establece en $D021 ). Los colores 1 y 2 se seleccionan mediante los bits en la RAM de pantalla (igual que en los mapas de bits de alta resolución) y el tercero proviene de la RAM de color.

A pesar del alto nivel de detalle de color y la capacidad de direccionamiento de todos los puntos del modo de mapa de bits, generalmente no es práctico para los gráficos de los juegos debido a que requiere una gran cantidad de recursos del sistema (8k para los datos de píxeles más muchos más ciclos de CPU para modificar cada mosaico) y normalmente no permite el desplazamiento. Por lo tanto, se ve con mayor frecuencia en las pantallas de carga y, a veces, en las pantallas de título.

Los sprites del VIC-II son monocromáticos de 24x21 o multicolor de 12x21. Al igual que los gráficos de caracteres, estos últimos tienen un color individual para cada sprite y dos globales. El VIC-II tiene ocho sprites, cada uno de los cuales usa 64 bytes de memoria para almacenarse, pero, con ciertas limitaciones, puede mostrar muchos más. La multiplexación de sprites es un método común para mostrar más de ocho en pantalla (aunque todavía hay un máximo de ocho por línea de exploración). El contador de líneas de exploración del VIC-II se puede consultar hasta que se alcance el punto deseado en la pantalla, o se puede programar una interrupción de raster para que se active en una línea de exploración determinada, después de lo cual el programa cambia rápidamente las coordenadas del sprite. Este método puede dar como resultado muchos sprites adicionales en pantalla a la vez, a menudo para un total de 16 a 24 o más. Sin embargo, para una demostración, el límite es considerablemente más flexible.

En teoría, el número máximo de sprites diferentes visibles al mismo tiempo es 256 (suponiendo que se llenara toda la página de 16k del VIC-II). Se accede a ellos mediante un número de bloque que hace referencia a cada patrón de sprite en la memoria, comenzando con 0 y llegando hasta 255 ($FF), dependiendo de su posición en la página de vídeo. (Si se utiliza el segundo banco de vídeo (numerado como 0, 1, 2 y 3), el bloque 0 se referiría al sprite almacenado en $4000 y el bloque 255 estaría en $7FC0 ).

Cada sprite puede duplicar su tamaño vertical u horizontalmente, o en ambas direcciones. Esto no aumenta la resolución del sprite (sigue teniendo 24 píxeles de ancho y 21 de alto), pero cada píxel será el doble de ancho y/o el doble de alto.

Debido a que el registro de posición horizontal para cada sprite es de un byte y está limitado a un valor máximo de 255, por sí solo no puede cubrir los 320 píxeles de la pantalla del VIC-II, por lo que un registro adicional llamado Indicador del Byte Más Significativo proporciona un noveno bit de posición para todos los sprites.

Los registros $D01E y $D01F contienen los registros de fondo y de colisión entre sprites. El primero se usa raramente porque no puede proporcionar información sobre el objeto de fondo específico con el que está tocando el sprite.

El bloque $D01B contiene el registro de prioridad Sprite To Background, que controla si un sprite se mueve detrás o delante de los gráficos de fondo. Cuando un sprite entra en el mismo espacio que otro, los de menor número siempre pasarán por encima de los de mayor número.

Para desplazar una pantalla de caracteres, el VIC-II se configura en modo de 38 columnas y/o 24 líneas mediante los registros $D011 y $D016 . Esto crea un búfer fuera de pantalla donde se coloca la fila de caracteres que se va a desplazar. Ajustando los bits de desplazamiento en los registros mencionados, se puede mover una fila a la pantalla, tras lo cual se repite el proceso a menos que se coloque una nueva fila en el búfer. La memoria RAM de color se desplaza simultáneamente con la memoria RAM de pantalla y funciona de la misma manera.

El desplazamiento en VIC-II es una tarea relativamente compleja que consume muchos recursos de la CPU, aunque no es raro que los programadores de juegos de C64 hagan trampa diseñando gráficos de forma que la RAM de color permanezca estática. Otro truco habitual es usar una sección de la pantalla (quizás las 4 o 5 filas de caracteres inferiores o superiores) como área de estado del juego para mostrar la puntuación, las vidas, etc., reduciendo así la cantidad de desplazamiento que hay que realizar. Por último, a menudo es necesario usar la técnica de "doble búfer" para evitar el desgarro de pantalla . Se reservan dos bloques de 1k de RAM de pantalla; uno se muestra mientras se escribe en el otro, y luego, durante el vblank, se intercambian rápidamente mediante la manipulación de los registros de VIC-II. Desafortunadamente, esto no se puede hacer con la RAM de color.

Hacia el final de la vida útil comercial del C64, se descubrió una vulnerabilidad conocida como VSP (Variable Screen Positioning) que consistía en manipular los bits de control en $D011 para producir un desplazamiento rápido con un coste de ciclos de CPU mucho menor que los registros de desplazamiento estándar. Sin embargo, requería una codificación precisa y no funcionaba de forma fiable en algunas revisiones del VIC-II; además, solo podía utilizarse para el desplazamiento horizontal. Se utiliza notablemente en Mayhem in Monsterland .

El uso de interrupciones de trama es una parte esencial de la programación de juegos para C64. En el estado predeterminado de encendido del ordenador, el primer chip CIA de MOS Technology genera una interrupción enmascarable (IRQ) 60 veces por segundo (ya sea NTSC o PAL, esto no está relacionado con la frecuencia de actualización de vídeo) que envía a la CPU al controlador IRQ del kernel en $EA31 . El controlador reconoce la IRQ del CIA, actualiza el reloj, escanea el teclado y hace parpadear el cursor en BASIC.

Los juegos normalmente desactivan la interrupción de la CIA y, en su lugar, configuran la VIC-II para generar interrupciones cuando se alcanza una línea de exploración específica, lo cual es necesario para el desplazamiento en pantalla dividida y la reproducción de música. El juego reasigna el vector IRQ en $0314 / $0315 a su controlador de trama, que realiza estas funciones y, opcionalmente, ejecuta una instrucción JMP $EA31 para devolver el control al núcleo.

Algunos juegos usan solo una IRQ; sin embargo, las IRQ encadenadas son más comunes y mejoran la estabilidad del programa. En esta configuración, la IRQ se reasigna a la segunda rutina y así sucesivamente para cada una hasta que la última la restaura a la dirección de la primera IRQ. Cuando se usan IRQ encadenadas, solo se necesita una instrucción JMP $EA31 en la cadena y las demás pueden terminar con JMP $EA81 , que simplemente va al final del manejador del kernel. Además, no es raro que los juegos cambien el kernel y usen su propio manejador de IRQ en su lugar. La NMI se puede usar para un hilo de interrupción adicional, aunque pueden resultar efectos secundarios indeseables al presionar accidentalmente la tecla Restaurar, ya que activa una NMI si se presiona.

El VIC-II también puede generar una interrupción de trama a partir de los registros de colisión, pero esta función rara vez se utiliza, ya que en la mayoría de los casos proporciona información insuficiente al programa.

El VIC-II tiene un bus de direcciones de 14 bits y puede usar cualquiera de los cuatro segmentos de 16k del espacio de memoria del C64 para datos de vídeo. Para gestionar esto, los bits de puerto de CIA aportan dos bits de dirección adicionales. $0000 - $3FFF es el valor predeterminado al encender. El segundo segmento ( $4000 – $7FFF ) suele ser la mejor opción para programar desde BASIC, ya que es el único segmento que es RAM completamente libre sin ROMs ni registros de E/S mapeados en él. El cuarto segmento ( $C000 – $FFFF ) también es una buena opción siempre que se utilice lenguaje máquina, ya que las ROMs del kernel deben estar deshabilitadas para que la CPU obtenga acceso de lectura, y evita tener código de programa y datos discontinuos que resultarían de usar $4000 - $7FFF . Tenga en cuenta que los datos gráficos se pueden almacenar libremente debajo de la ROM BASIC en $A000 - $BFFF , la ROM del kernel en $E000 - $FFFF o los registros de E/S y la RAM de color en $D000 – $DFFF , ya que el VIC-II solo ve la RAM, independientemente de cómo se ajuste el mapeo de memoria de la CPU; la ROM de caracteres es visible solo en el primer y tercer segmento, por lo que si se usa el segmento dos o cuatro, el programador debe proporcionar sus propios datos de caracteres. La RAM de pantalla, la página de mapa de bits, los sprites y los conjuntos de caracteres deben ocupar la misma ventana de segmento (siempre que los bits CIA no se cambien a través de la interrupción de la línea de exploración). Los últimos seis bytes de la memoria del sistema ( $FFFA - $FFFF ) contienen los vectores IRQ, NMI y de reinicio, por lo que si la parte superior de la memoria se usa para almacenar un conjunto de caracteres o datos de sprite, y la ROM KERNAL se cambia revelando la RAM subyacente a la CPU, será necesario sacrificar un carácter o sprite para evitar sobrescribir los vectores.

El VIC-II tiene 47 registros de lectura/escritura que se enumeran a continuación:

En el modo de caracteres multicolor (160×200 píxeles, que es el que usan la mayoría de los juegos), los caracteres tienen 4×8 píxeles (los caracteres siguen siendo aproximadamente cuadrados ya que los píxeles tienen el doble de ancho) y 4 colores de 16. Tres de los colores son iguales para toda la pantalla (el color de fondo, multicolor 1 y multicolor 2), mientras que el color restante se puede configurar individualmente para cada área de 4×8 píxeles según se define en la RAM de color. Los sprites en modo multicolor (12×21 píxeles) tienen tres colores más transparencia: dos colores compartidos entre todos los sprites y uno individual. Los artistas eligen los colores compartidos de manera que la combinación con los colores individuales dé como resultado una impresión colorida. Algunos juegos recargan los colores compartidos durante la interrupción de raster; por ejemplo, el área submarina del juego Turrican II (que era verticalmente distinta) tiene diferentes colores. Otros, como Summer Games de Epyx y Basketball Sam & Ed de Gazette de COMPUTE!, superponen dos sprites de alta resolución para permitir el uso de dos colores de primer plano sin sacrificar la resolución horizontal.Por supuesto, esta técnica reduce a la mitad el número de sprites disponibles.

En las C64 PAL , la línea de retardo PAL del monitor o televisor, que promedia el tono de color (pero no el brillo) de las líneas de pantalla consecutivas, puede utilizarse para crear siete colores no estándar alternando líneas de pantalla que muestran dos colores de brillo idéntico. Existen siete pares de colores de este tipo en el chip VIC. ^{[ 11 ]}

El equipo del C64 no dedicó mucho tiempo al cálculo matemático de la paleta de 16 colores. Robert Yannes, quien participó en el desarrollo del VIC-II, dijo:

Me temo que no se dedicó tanto esfuerzo a la selección de colores como usted cree. Dado que teníamos control total sobre el tono, la saturación y la luminancia, elegimos los colores que nos gustaban. Sin embargo, para ahorrar espacio en el chip, muchos de los colores eran simplemente el lado opuesto del círculo cromático a los que habíamos seleccionado. Esto nos permitió reutilizar los valores de resistencia existentes, en lugar de tener un conjunto completamente único para cada color. ^{[ 12 ]}

Las primeras versiones del VIC-II utilizadas en los C64 PAL tienen una paleta de colores diferente a la de las revisiones posteriores. ^{[ 13 ]}

La paleta completa de dieciséis colores se genera a partir de variaciones de las señales YPbPr , como se muestra a continuación:

El VIC-IIe 8564/8566 del Commodore 128 utiliza 48 pines en lugar de 40, ya que genera más señales, entre ellas la del reloj para la CPU Zilog Z80 adicional de ese ordenador. También dispone de dos registros adicionales. Uno de ellos permite acceder al teclado numérico y otras teclas adicionales del ordenador; esta función se añadió al VIC simplemente porque resultó ser el lugar más sencillo del ordenador para añadir los tres pines de salida adicionales necesarios. El otro registro adicional permite alternar entre un reloj del sistema de 1  MHz y uno de 2  MHz; a la velocidad más alta, la salida de vídeo del VIC-II muestra cada segundo byte del código como un patrón de bits en negro de alta resolución en la pantalla, lo que sugiere el uso del modo de 80 columnas del C128 a esa velocidad (a través del chip RGB 8563 VDC ). De manera bastante no oficial, los dos registros adicionales también están disponibles en el modo C64 del C128, lo que permite cierto uso de las teclas adicionales, así como la ejecución a doble velocidad sin vídeo de código limitado por la CPU (como cálculos numéricos intensivos) en programas C64 de creación propia. ^{[ 14 ]} Los registros adicionales también son una fuente de incompatibilidad menor entre el modo C64 del C128 y un C64 real: algunos programas C64 antiguos escribieron inadvertidamente en elBit de conmutación de 2 MHz  , que no haría absolutamente nada en un C64 real, pero que daría como resultado una visualización distorsionada en un C128 en modo C64.

El VIC-IIe posee la capacidad, poco conocida, de crear un conjunto adicional de colores manipulando los registros de una manera específica que desfasa la señal de color con respecto a la que otras partes del chip consideran que está. Esta capacidad se demostró en la demo "Risen from Oblivion". ^{[ 15 ]} Desafortunadamente, no funciona en todos los monitores; se confirma que los colores son correctos en los monitores CRT de Commodore y sus equivalentes.

Utilizando el comportamiento específico del bit de prueba del VIC-IIe, es capaz además de producir una imagen entrelazada real con una resolución de 320×400 (modo de alta resolución) y 160×400 (modo multicolor). ^{[ 16 ]}