PoP docs: запасные PRNG (LFSR/LCG, xorshift(7,9,8)) + оценка потолка выигрыша

Тексты обеих Z80-процедур, разбор их устройства и качества, почему НЕ берём 8-битный RND Apple II (вырожденные младшие биты — раскладка кладки читает prandom(1), вышла бы шахматка), и главное — сколько это реально даст. Потолок выигрыша 2 814 тактов за кадр (0.65 %): тело генератора уже не основной расход, остаются обёртка pop_prandom, pop_rnd_fit и ABI вызова. Поэтому первый шаг, если упрёмся, — слить приведение к диапазону в ту же asm-процедуру (один call вместо трёх), и только потом менять генератор. Co-Authored-By: Claude Opus 5 <noreply@anthropic.com>
2026-07-30 17:10:35 +03:00
parent 37fc572cc3
commit 4f7d9c0596
2 changed files with 157 additions and 0 deletions
@@ -4,6 +4,15 @@
 гипотеза с причиной, по которой её стоит проверить, и с тем, что мешает
 сделать это прямо сейчас.

+## Заменить генератор псевдослучайных чисел
+
+Сейчас стоит LCG оригинала, шаг на ассемблере (~1 020 тактов), бит-в-бит
+совместимый с SDLPoP.  Есть более дешёвые Z80-генераторы (86–148 тактов),
+но потолок выигрыша — 2 814 тактов за кадр, 0.65 %, и он растворяется в
+обёртках вызова.  Тексты процедур, разбор качества и порядок действий —
+`prng_alternatives.md`.  Первый шаг там не про генератор: слить приведение
+к диапазону в ту же asm-процедуру, чтобы на вызов был один `call`, а не три.
+
 ## Отключать мышь на время игры

 **Гипотеза.** Мышь на Sprinter — источник прерываний (обёртки RST 30h,
@@ -0,0 +1,148 @@
+# Генераторы псевдослучайных чисел: запасные варианты
+
+Что сейчас стоит в порте, какие есть альтернативы и сколько на них реально
+можно выиграть.  Заготовка на случай, если упрёмся в бюджет кадра —
+**сейчас менять ничего не нужно**.
+
+## Что стоит сейчас
+
+`pop_geom.c`, ветка `POP_PRANDOM_EXACT=1` (по умолчанию) — LCG оригинала
+`s = s*214013 + 2531011`, шаг написан на Z80-ассемблере (единственное такое
+место в порте).  Схема Горнера по разреженной записи константы:
+
+```
+214013 = ((((1<<1)+1)<<2 + 1)<<4 + 1)<<10 - 3
+```
+
+17 удвоений, три сложения, одно вычитание; величина `3*s`, нужная в конце,
+попадается по дороге на втором шаге.  Тело — **≈1 020 тактов** по статическому
+подсчёту.  Бит-в-бит совместим с SDLPoP, поэтому по картинке можно сверяться
+с эталоном.
+
+Вторая ветка, `POP_PRANDOM_EXACT=0` — xorshift16 + шаг Вейля на C.
+Совместимость теряется.
+
+Замер в MAME, комната 3, 175 кадров (медиана кадра):
+
+| вариант | кадр | prandom → torch_draw |
+|---|---|---|
+| C, бит-в-бит (16-битные половины) | 403 632 | 10 933 |
+| C, xorshift16 + Вейль | 397 986 | 7 927 |
+| **asm, бит-в-бит (сейчас)** | **400 800** | **9 331** |
+
+## Вариант A — комбинированный LFSR + LCG, ~148 тактов
+
+Период > 4 млрд (lcm(65536, 65535) ≈ 4.29e9), младшие биты не вырождены.
+
+```z80
+prng16:
+    seed1=$+1
+    ld hl, 9999
+    ld b, h
+    ld c, l
+    add hl, hl
+    add hl, hl
+    inc l
+    add hl, bc
+    ld (seed1), hl
+    seed2=$+1
+    ld hl, 987
+    add hl, hl
+    sbc a, a
+    and 101101b
+    xor l
+    ld l, a
+    ld (seed2), hl
+    add hl, bc
+    ret
+```
+
+Устройство: `seed1` — LCG `x = 5x + 1` (по модулю 2^16; `inc l` вместо
+`inc hl` — экономия байта, на период не влияет).  `seed2` — 16-битный
+LFSR Галуа: сдвиг влево, и если выехала единица, XOR младшего байта с маской
+`0x2D` (примитивный многочлен `x^16 + x^5 + x^3 + x^2 + 1`).  На выходе
+сумма обоих состояний — она и разрушает регулярность младших бит LCG.
+
+**Что мешает взять как есть:** сиды зашиты в код (SMC), а нам нужны ДВЕ
+независимые последовательности — раскладка кладки и анимация тайлов.
+Пришлось бы передавать состояние через указатель, как сейчас у `pop_prandom`
+(это +20…40 тактов, не принципиально).
+
+## Вариант B — xorshift(7,9,8), ~86 тактов
+
+Самый быстрый, период 65535.
+
+```z80
+xrnd:
+    ld hl, 1       ; seed must not be 0
+    ld a, h
+    rra
+    ld a, l
+    rra
+    xor h
+    ld h, a
+    ld a, l
+    rra
+    ld a, h
+    rra
+    xor l
+    ld l, a
+    xor h
+    ld h, a
+    ld (xrnd+1), hl
+    ret
+```
+
+**Две оговорки.** Ноль — неподвижная точка, а сид раскладки кладки у нас
+считается как `номер комнаты + смещение ряда + колонка` и вполне может
+оказаться нулём: нужен либо guard, либо шаг Вейля поверх.  И тот же SMC-сид,
+что в варианте A.
+
+## Чего НЕ брать: RND из Apple II
+
+Оригинальный `Prince-of-Persia-Apple-II`:
+
+```
+RNDseed := (5 * RNDseed + 23) mod 256
+```
+
+```asm
+RND
+ lda RNDseed
+ asl
+ asl
+ clc
+ adc RNDseed
+ clc
+ adc #23
+ sta RNDseed
+ rts
+```
+
+Полный период 256 (`a ≡ 1 mod 4`, `c` нечётное), и для своего движка он
+работал.  Нам не годится: у LCG по модулю 256 младшие биты вырождены — бит 0
+просто чередуется.  Наши вызовы это увидят: раскладка кладки берёт
+`prandom(1)` (ОДИН бит) и `prandom(4)`, то есть вместо шума получилась бы
+аккуратная шахматка.
+
+## Сколько реально можно выиграть
+
+Меньше, чем кажется по числам 86/148 против 1 020.  Тело генератора — уже не
+весь расход: остаются обёртка `pop_prandom`, приведение к диапазону
+`pop_rnd_fit` и ABI вызова.  Верхняя граница выигрыша видна из замера выше:
+между нынешним asm-LCG и самым дешёвым из проверенных вариантов разница
+**2 814 тактов за кадр (0.65 %)** при двух вызовах за кадр, и это ПОТОЛОК —
+любой из вариантов A/B ниже него не опустится.
+
+Порядок действий, если понадобится:
+
+1. Сначала убрать обёртки: слить `pop_rnd_fit` в ту же asm-процедуру, чтобы
+   на вызов приходился один `call`, а не три.  Это ничего не ломает и не
+   трогает совместимость с эталоном.
+2. И только если этого мало — менять генератор, начиная с варианта A
+   (качество последовательности у него не хуже LCG, в отличие от B).
+
+Важно помнить: число вызовов вырастет с боёвкой.  Сейчас их два за кадр
+(факелы), а `guard_advance` / `guard_block` / `guard_strike` дёргают
+`prandom(255)` каждый по разу за кадр боя — то есть при драке станет 5–6, и
+цена вопроса вырастет во столько же раз.