Sprinter-SDCC/applications/SprPoP/docs/prng_alternatives.md

# 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.