Historie vývoje počítačových her (115. část – vývojové nástroje pro herní konzole čtvrté a páté generace)

13. 2. 2014

Doba čtení: 20 minut

Líbí se vám článek?
Podpořte redakci

Společně s příchodem herních konzolí čtvrté a páté generace, které již byly vybaveny relativně výkonnými mikroprocesory, se i na těchto zařízeních postupně začaly používat vyšší programovací jazyky, takže zde můžeme zaznamenat odklon od původního nástroje „skutečných“ vývojářů her – assembleru.

Obsah

1. Historie vývoje počítačových her (115. část – vývojové nástroje pro herní konzole čtvrté a páté generace)

2. Přechod od assembleru k vyšším programovacím jazykům

3. Postupná adaptace programovacího jazyka C na herních konzolích

4. Programovací jazyk C

5. Aztec C

6. Vývojové nástroje pro herní konzoli Sega Saturn

7. Problémy doprovázející vývoj her pro Segu Saturn

8. Vývojové nástroje pro herní konzoli Atari Jaguar

9. Sony PlayStation a její vstřícný přístup k vývojářům

10. Odkazy na Internetu

1. Historie vývoje počítačových her (115. část – vývojové nástroje pro herní konzole čtvrté a páté generace)

Modern platforms (including DirectX and OpenGL) often deprecate features, causing your past creations to all of a sudden stop working. Classic consoles do not have this problem; they are already obsolete! This means that the games you develop for them will always work.

Vývojové nástroje určené pro osmibitové herní konzole, s nimiž jsme se seznámili v předchozích částech tohoto seriálu, původně sestávaly převážně z takzvaných cross assemblerů a linkerů. Tyto nástroje se spouštěly na vývojové platformě, která se v naprosté většině případů lišila od platformy, na níž byla postavena daná herní konzole a právě proto se zde objevuje slovo cross (původními vývojovými platformami byly minipočítače, posléze i osobní počítače). V některých případech dokonce nebyl používán ani linker, protože se do paměti herní konzole, resp. přesněji řečeno na její paměťový modul, nahrával přímo výstup z assembleru, který tak musel generovat kód s absolutními adresami.

Obrázek 1: Herní konzole Fairchild Channel F i s několika paměťovými moduly s hrami.

Zajímavé přitom je, že si programátoři s assemblerem vystačili (nebo museli vystačit) po velmi dlouhou dobu trvající v některých případech až dvacet let, konkrétně od roku 1976 (první programovatelná konzole Fairchild Channel F o rok později následovaná Atari 2600) až zhruba do roku 1996 (vydání poslední herní konzole páté generace: Nintenda 64).

Obrázek 2: Herní konzole Atari 2600 vybavená mikroprocesorem MOS 6507, což je varianta původního čipu MOS 6502, ovšem se zmenšeným počtem pinů adresové sběrnice a několika dalšími omezeními.

Na osmibitových herních konzolích se pro tvorbu profesionálních komerčních her prakticky žádný jiný programovací jazyk než assembler v minulosti nepoužíval. Obliba kompilovaných jazyků (popř. interpretrů) i pro tento typ konzolí se začala zvyšovat vlastně až ve chvíli, kdy byly osmibitové herní konzole překonány a staly se platformou pro tvorbu alternativních her tvořených v současnosti na amatérské bázi. To ovšem neznamená, že by se některé z těchto her neprodávaly; rozdělení profesionální–amatérská totiž vůbec nesouvisí s kvalitou her, ale spíše s tím, zda se programátoři touto činností živí nebo tvoří hry pro zábavu (viz též motto na začátku kapitoly).

Obrázek 3: Osmibitová herní konzole Nintendo Entertainment System (NES) je přímým předchůdcem SNESu.

2. Přechod od assembleru k vyšším programovacím jazykům

Ovšem přibližně ve chvíli, kdy se na trhu objevily herní konzole čtvrté generace, které byly vybaveny na svou dobu výkonnými mikroprocesory postavenými na jádru 65C816 a Motorola 68000 a operačními paměťmi o kapacitách v rozmezí 64kB až 1MB, je patrná snaha o postupné nahrazení assemblerů vyššími programovacími jazyky. Tato snaha je samozřejmě pochopitelná, protože o úspěchu či neúspěchu her rozhodovala nejenom jejich technologická kvalita, ale i okamžik, kdy začala být hra prodávána (a není zde řeč jen o extrémech typu Duke Nukem Forever :-). A právě i díky použití vyšších programovacích jazyků bylo možné dosti podstatným způsobem urychlit vývoj, vytvářet složitější hry a v neposlední řadě si ponechat „zadní vrátka“ pro případný přenos hry na jinou platformu (to samozřejmě pouze v případě, že by se jednalo o komerčně úspěšnou hru). Díky možnosti kombinace kódu napsaného ve vyšším programovacím jazyce s assemblerem navíc programátorům stále zůstávala možnost naprogramovat například vykreslovací jádro v optimalizovaném assembleru.

Obrázek 4: Původní case osmibitové herní konzole TurboGrafx-16. Tato herní konzole stojí na hranici mezi zařízeními patřícími do třetí a do čtvrté generace herních konzolí.

Kapacity operačních pamětí a video pamětí herních konzolí čtvrté generace:

#	Konzole	RAM	Video RAM	Další RAM
1	Sega Mega Drive	64 kB	64 kB	8 kB pro Zilog Z80
2	Super NES (SNES)	128 kB	64 kB	64 kB (Audio)
3	Neo Geo	64 kB	74 kB	2 kB (Audio)
4	Commodore CDTV	1024 kB	v RAM	×
5	Philips CD-i	1024 kB	v RAM	×

Obrázek 5: Herní konzole SNES ve variantě určené pro připojení k televizorům pracujícím v normě PAL.

Mikroprocesory použité v herních konzolích čtvrté generace:

#	Konzole	Použitý mikroprocesor	Odvozeno z CPU	Frekvence CPU
1	Sega Mega Drive	MC68HC000 (CMOS)	Motorola 68000	7,61 MHz/7,67 MHz
2	Super NES (SNES)	5A22	65C816	3,58 MHz
3	Neo Geo	Motorola 68000		12,00 MHz
4	Commodore CDTV	Motorola 68000		7,16 MHz
5	Philips CD-i	Philips SCC68070	Motorola 68000	15,5 MHz

Obrázek 6: Jedna z variant ovladače herní konzole SNES.

3. Postupná adaptace programovacího jazyka C na herních konzolích

Při výběru vyššího programovacího jazyka vhodného pro použití na herních konzolích čtvrté a především pak páté generace měli vývojáři her vcelku jednoduchou volbu. Tou byl výběr programovacího jazyka C. Důvodů, které k tomuto výběru vedly, bylo větší množství: tento programovací jazyk při správném použití umožňuje naprogramovat efektivně i nízkoúrovňové operace, překlad byl a doposud je prováděn přímo do strojového kódu vybraného procesoru a nikoli do bajtkódu (to byl problém například v případě USCD Pascalu s jeho p-kódem, naproti tomu konkurenční Turbo Pascal podporoval jen řadu procesorů 8080/Z80/80×86), mnohé překladače umožňovaly vkládání příkazů v assembleru do céčkových zdrojových kódů a existovalo větší množství firem, které překladač céčka nabízely.

Obrázek 7: Způsob zapojení Sega 32X do Sega Mega Drive/Sega Genesis.

Navíc nesmíme zapomenout ani na postupné zlepšování kvality céčkových překladačů (optimalizace kódu), které navíc dokázaly dobře využít možností RISCových mikroprocesorů, které na herních konzolích páté generace převládaly, což je ostatně patrné i při pohledu na tabulku zobrazenou pod tímto odstavcem:

#	Konzole	Použitý mikroprocesor	Architektura
1	PlayStation	R3000A	32bitový RISC
2	Nintendo 64	R4300i	64bitový RISC
3	Sega Saturn	2×SH-2	32bitový RISC
4	3DO	ARM60	32bitový RISC
5	Atari Jaguar	Motorola M68000 + 2×RISC	kombinace 16/32 RISC/CISC
6	Amiga CD32	Motorola M68020	32bitový CISC
7	Apple Bandai Pippin	PowerPC 603	32bitový RISC

8	Sega 32X	2×SH-2	32bitový RISC

Obrázek 8: Atari Jaguar.

4. Programovací jazyk C

Samotný programovací jazyk C prošel poměrně dlouhým vývojem, navíc se mnoho zprvu neobvyklých vlastností tohoto jazyka, například indexování polí od nuly (namísto od jedničky, jak tomu bylo například ve Fortranu), použití speciálních ASCII znaků namísto jmen operátorů apod. postupně začalo používat i v modernějších programovacích jazycích (C, C++, Java, JavaScript, částečně i Python, Perl atd.). V případě indexování polí od nuly byla tato vlastnost do jazyka C i do jeho předchůdce jazyka BCPL zahrnuta pro jednodušší implementaci ukazatelové (pointerové) aritmetiky.

Obrázek 9: Počítač PDP-7.

Vznik programovacího jazyka C velmi úzce souvisí s vývojem nového operačního systému UNIX pro minipočítač PDP-7. I přesto, že se jednalo o minipočítač, tj. o stroj na půli cesty mezi mikropočítačem a mainframem, byly jeho technické parametry z dnešního pohledu velmi omezené; například kapacita operační paměti dosahovala pouze 8192 osmnáctibitových slov, tj. osmnácti kilobajtů. Pro nově vytvořený operační systém bylo nutné navrhnout či upravit nějaký systémově orientovaný programovací jazyk. tj. jazyk, ve kterém by bylo možné psát systémové programy a popř. i uživatelské aplikace. Nejprve se sice uvažovalo o využití překladače Fortranu, ovšem tato myšlenka byla vzhledem k výše popsaným omezeným hardwarovým možnostem mikropočítače PDP-7 následně opuštěna.

Obrázek 10: PDP-11 ve variantě PDP-11–70.

Namísto toho Ken Thompson vytvořil nový programovací jazyk nazvaný jednoduše B. Tento jazyk byl založen na existujícím jazyku BCPL (Basic Combined Programming Language), jenž byl vytvořen Martinem Richardsem již v roce 1966. Vzhledem k tomu, že jazyk BCPL byl z hlediska konstrukce překladače poměrně složitý (což je poněkud paradoxní, neboť se jednalo o zjednodušený jazyk CPL ze začátku šedesátých let), nebylo možné, aby se jeho překladač na mikropočítači PDP-7 spouštěl z operačního systému, protože jen pro samotný překlad zdrojových kódů bylo zapotřebí cca 16 kB operační paměti.

Obrázek 11: Řídicí panel počítače PDP-11–70.

Z tohoto důvodu Ken Thompson z původního jazyka BCPL odstranil některé vlastnosti, které nepovažoval za podstatné (například složitější typy programových smyček) a naopak změnil jeho syntaxi tak, aby se zápis programu mohl co nejvíce zkrátit. Právě z této snahy například pochází i způsob zápisu operátorů pomocí speciálních znaků a nikoli klíčových slov (včetně zcela nových operátorů ++ a –), což je zvyk používaný doposud – viz například současné programovací jazyky, jakými jsou C, C++, Java či JavaScript. Taktéž se v jazyku B objevuje použití středníků pro ukončení příkazů.

Obrázek 12: Přebal slavné učebnice céčka (K&R C).

Některé vlastnosti programovacího jazyka B však nebyly vhodné pro systémové programování. Z tohoto důvodu se vývojáři v Bellových laboratořích rozhodli, že v rámci přechodu na počítač PDP-11 vytvořili nový programovací jazyk, který mj. umožnil více odstínit programátora od hardwarové architektury počítače. Tento programovací jazyk – „nový B“ – byl na návrh Kena Thompsona pojmenován C. Jestli se jedná o další písmeno v abecedě (C=B+1) nebo o následující znak v označení předchůdce obou jazyků – jazyka BCPL, je již otázka, kterou tvůrci ponechali nezodpovězenou.

Obrázek 13: Další vydání již popisovalo ANSI C (dodnes používaný dialekt céčka).

5. Aztec C

Jedním z populárních překladačů céčka byl v době největšího rozšíření herních konzolí čtvrté generace překladač nazvaný Aztec C, jenž byl vyvíjený společností Manx Software Systems. O tomto překladači se dnes zmiňuji především z toho důvodu, že různé varianty Aztec C byly dostupné jak pro některé osmibitové mikroprocesory (Zilog Z80 a MOS 6502), tak i pro slavný 16/32bitový mikroprocesor Motorola 68000, který byl použit nejenom na osobních počítačích Atari, Amiga a Macintosh, ale i v herních konzolích čtvrté generace. Překladače Aztec C byly i s dalšími nástroji dostupné například pro počítače Apple II (MOS 6502, později i 65816, zde byl konkurenčním překladačem ORCA/C), Commodore C64, počítače s mikroprocesorem Zilog Z80 a operačním systémem CP/M atd.

Obrázek 14: Logo překladačů Aztec C.

S překladači Aztec C se později mohli programátoři setkat na již zmíněných počítačích vybavených čipem Motorola 68000 (zde byl vážným konkurentem například Lattice C, na herních konzolích čtvrté generace se však s velkou pravděpodobností používal právě Aztec C) a nesmíme zapomenout ani na verzi určenou pro MS-DOS (reálný režim procesorů 80×86), která byla zajímavá především tím, že přímo konkurovala překladači céčka zakoupeného a posléze prodávaného firmou Microsoft, která nakonec tuto už do počátku nerovnou bitvu na poli vývojových nástrojů vyhrála. Seznam v současnosti dostupných variant překladače Aztec C lze nalézt na adrese http://www.aztecmuseum.ca/compilers.htm.

Obrázek 15: Jeden z konkurenčních překladačů k Aztec C byl Lattice C.

V případě konzolí páté generace, které byly vybaveny mikroprocesory s architekturou RISC, se již můžeme setkat s jinými typy překladačů.

6. Vývojové nástroje pro herní konzoli Sega Saturn

Herní konzole Sega Saturn (patřící do páté generace herních konzolí) byla vybavena dvojicí 32bitových RISCových procesorů SH-2. Pro tento typ procesorů existovalo několik překladačů céčka, ovšem oficiální vývojové nástroje dodávala přímo společnost Hitachi, tj. dodavatel mikroprocesorů. Pro vývoj her na konzoli Segu Saturn se většinou používala kombinace několika počítačů, typicky pracovní stanice Sun Sparc, HP9000/700 a popř. i běžného osobního počítače PC s procesorem 80486 (později i Pentium), k němuž se připojovala vypalovací mechanika pro média CD-ROM. Překladač programovacího jazyka C pro mikroprocesory SH-2 se jmenoval SH-2C. Tento překladač, který bylo možné spouštět jak na UNIXu, tak i na PC (DOS, chráněný režim), byl doplněn cross assemblerem, linkerem, debuggerem (s vlastním grafickým uživatelským rozhraním) a navíc i specializovanými nástroji určenými pro práci s DSP, kterým byla konzole Sega Saturn taktéž vybavena. Dnes je SH-2C překladač dodáván pod jménem Renesac SH C.

Obrázek 16: Blokové schéma herní konzole Sega Saturn.

Kromě překladače, assembleru a linkeru se pro vývoj her používalo i zařízení ICE emulující činnost mikroprocesorů SH-2. K tomuto zařízení se přes síť mohl připojit debugger (s GUI) a z druhé strany pak tzv. target box, což byl ekvivalent samotné herní konzole Sega Saturn (pravděpodobně šlo přímo o herní konzoli upravenou tak, aby bylo možné měnit obsah operační paměti). Vývojové nástroje byly doplněny i o další pomocné utility, například pro práci s CD (test zapisování, generování obsahu atd.), assembler pro DSP, emulátor DSP (pro DOS i Unix) a grafické převodníky. Investice do potřebného software a hardware byla poměrně vysoká, což se brzy ukázala být jedna z nevýhod Sega Saturnu, především v porovnání s konkurenční herní konzolí Sony PlayStation.

Obrázek 17: Grafický subsystém herní konzole Sega Saturn.

7. Problémy doprovázející vývoj her pro Segu Saturn

Vývoj her pro herní konzoli Sega Saturn doprovázely zpočátku dosti velké problémy, které byly zapříčiněny především její relativně složitou interní strukturou a taktéž jen malým množstvím kvalitních programových knihoven určených pro ovládání grafického subsystému, který byl v případě Saturnu velmi odlišný od všech dalších herních konzolí a vlastně i od moderních grafických akcelerátorů. Při vývoji prvních her, které pro konzoli Sega Saturn vznikly, tak byli vývojáři nuceni si napsat vlastní grafické enginy, a to většinou přímo v assembleru – podle některých zdrojů byly například vykreslovací rutiny ručně optimalizované v assembleru zhruba dvakrát a v extrémních případech i pětkrát rychlejší v porovnání s kódem napsaným v céčku. Někteří vývojáři dokonce ve snaze o zrychlení a zjednodušení vývoje používali pouze jeden mikroprocesor SH-2 a zcela se tak vzdali možnosti kooperace dvou čipů.

Obrázek 18: Blokové schéma zvukového subsystému herní konzole Sega Saturn.

Společnost Sega později na výtky programátorů reagovala a vydala vylepšené verze grafických knihoven, které měly vývoj pro tuto herní konzoli ulehčit a současně i urychlit. I samotní vývojáři se postupně naučili ovládat složitý hardware, takže hry pro Segu Saturn vydané v pozdějším období jsou většinou po technologické stránce mnohem kvalitnější než první herní tituly, které pro tuto konzoli vznikly v relativně krátkých termínech (protože Sega Saturn musela konkurovat mnoha dalším herním konzolím páté generace).

Obrázek 19: Blokové schéma zdroje signálu pro FM syntézu.

8. Vývojové nástroje pro herní konzoli Atari Jaguar

Z pohledu vývojáře byla nejsložitější herní konzolí páté generace konzole Atari Jaguar, a to především kvůli použití velkého množství různých čipů i způsobu jejich vzájemného propojení a komunikace. Veškeré funkce totiž byly soustředěny do tří čipů, z nichž dva (nazývané „Tom“ a „Jerry“) byly vyvinuty přímo pro potřeby Jaguara, zatímco třetím čipem byl klasický a lety ověřený mikroprocesor Motorola 68000, který však původně v této konzoli měl plnit spíše pomocnou roli (což se však ve skutečnosti nestalo, protože mnozí vývojáři právě na tomto CPU prováděli převážnou část výpočtů – s čímž ovšem v návrhu nebylo počítáno). Čipy Tom a Jerry obsahovaly architektonicky prakticky shodné 32bitové RISCové procesory, které se však využívaly k odlišným operacím: procesor na čipu Tom se staral o zobrazování grafiky, zatímco procesor na čipu Jerry byl využíván pro zvuky a hudbu. Tom navíc obsahoval dva další moduly: 64bitový Objektový procesor (Object Processor) a taktéž 64bitový blitter. Zajímavé je, že jednotlivé čipy používaly odlišný endianess, tj. způsob uložení bajtů v 32bitových a 64bitových slovech.

Obrázek 20: Cybermorph (Atari Jaguar).

Vývoj her byl dosti složitý i z toho důvodu, že se grafické operace či operace prováděné DSP programovaly přímo v assembleru, zatímco logika hry mohla být naprogramována buď v céčku nebo taktéž v assembleru. Pro Motorolu 68000 se mohlo využít velké množství různých překladačů céčka, včetně již zmíněného Aztec C, používaly se však i assemblery, například i známý ASM-One Macro Assembler z Amigy. Mezi další často používané nástroje patří i modernější Orion's GPU/DSP debugger určený přímo pro Jaguara.

Obrázek 21: Iron Soldier (Atari Jaguar).

9. Sony PlayStation a její vstřícný přístup k vývojářům

Z pohledu programátorů byla pro tvorbu nových her nejjednodušší herní konzole Sony PlayStation, a to hned ze dvou důvodů. Především je interní struktura této herní konzole do značné míry podobná běžným osobním počítačům, a to zejména v porovnání s Atari Jaguarem a Sega Saturnem, kde bylo nutné správně naprogramovat koordinaci velkého množství čipů. Poměrně velkou revolucí – opět z hlediska programátorů – byl vývojový systém pro Sony PlayStation. Ten měl být původně určený pro stroje vybavené mikroprocesory MIPS-R4000, ovšem později došlo k přehodnocení celé architektury, takže vývojové nástroje začaly být dostupné pro běžné osobní počítače PC; jinými slovy pro levný „komoditní“ hardware, s nímž byli programátoři dobře seznámeni a většinou si ani nemuseli kupovat žádné přídavné periferní zařízení (což je v porovnání s počáteční investicí nutnou v případě Saturnu dosti podstatná výhoda).

Obrázek 22: Checkered Flag (Atari Jaguar).

Společnost Sony taktéž zakoupila firmu Psygnosis, a to za přibližně 48 milionů dolarů. Tato cena byla podle některých názorů velmi vysoká (přehnaná), na druhou stranu však nově vzniklá divize pojmenovaná Sony Interactive Entertainment velmi pomohla jak ke vzniku nových her (Destruction Derby, WipeOut atd.), tak i k vytvoření snadno ovladatelných vývojových nástrojů založených na GCC (Gnu C Compileru, linkeru, assembleru) a vlastním debuggeru – všechny tyto nástroje bylo samozřejmě možné ovládat přímo z PC. Není tedy divu, že PlayStation je dodnes používána amatérskými programátory pro vývoj nových her mnohem častěji, než je tomu u dalších herních konzolí páté generace.