番外編：ナウシカベンチマークの謎

本ページの各画面キャプチャについては、XM7、 M88、および ePC-8801MA を使用させていただきました。
PI.さん、たけがみりうさん、ciscさん、Takedaさん、いつも感謝しております。
(XM7/M88/ePC88MAがなかったらこんなページを作ろうという気にはなりませんでした。^^;)

ナウシカベンチマーク

1985年頃から、テクノポリス誌で使い出したナウシカ早描きベンチマークプログラムを FM-7向けに移植してみました。ベースは、テクノポリス誌１９８５年４月号２３～２４ページに掲載された、PC-8801mkIISR 用のものです。

このベンチマークプログラムは移植性をよく考えて作られていて、特定の機種にしか存在しないタイルペイントを使用せず、PUT@/GET@を利用してできる限りBASICで処理し、必要最小限の機械語処理ルーチンによりタイルパターンチェンジを実装しています。そのため、機械語処理ルーチンにおける性能差はわずかであり、その機種の持つBASICな性能をよく反映していると言えます。
１９８５年１月号にFM-7用のプログラムが掲載されていたらしいのですが、あいにくと入手できなかったので、独自に移植を行いました。したがって、テクノポリス版でのベンチマーク結果とは異なる結果になっていると思われます。
オリジナルプログラムは、増刊号の「ガッツでC.G. Vol.2」に掲載されていたものです。投稿者は磯貝聡さん、当時15歳。まさかベンチマークに使われるとは思わなかったでしょうね。

(各画像をクリックするとフルサイズの画像になります。)

まずは、PC-8801mkIISR(といってもエミュレータのM88)で実行してみました。
実行時間は2:40という結果でした。

Takedaさんのところで開発された PC-8801MAエミュレータでもこのNAUSICAAを実行してみました。
実行時間は2:41となり、M88とほぼ同じ結果です。
M88 もそうですが、テクノポリス誌掲載の PC-8801mkII/SR での実行結果(下記の表に追加) と比較すると若干早めになっているようです。
キャプチャ画面は ePC-8801MA 2013/2/26版で取り直したものです。

ePC-8801MAで、8MHz動作で実行してみました。
実行時間は1:38となり、けっこうよい数字が出ています。
キャプチャ画面は ePC-8801MA 2013/2/26版で取り直したものです。

続いて、本命のFM-7系での実行結果です。

N88-BASICからF-BASICへの移植は比較的簡単でした。
グラフィック関係の命令が若干異なるので、文法エラーが出なくなるように修正。
機械語処理ルーチンは、PC88版のコードを逆アセンブルして仕様を起こし(リバースエンジニアリング)、F-BASICのPUT@/GET@のデータ格納形式に合わせて実装しました。最初はかなり冗長に書いたのですが、何度かチューニングを行い現在のコードに落ち着きました。Z80のコードより長くなってしまったのが悔やまれますが、CPUアーキの違いなのでしかたないとあきらめています。
さて、FM-77モード(メインCPU=2MHz、サブ高速)での実行結果は、2:06 となりました。PC88の4MHz版よりは速いですが、8MHz版よりは遅いようです。

では、サブシステムが強化されたFM77AV系はどうだろう、と試してみたのですが、 FM77AVでの結果は惨敗。2:11 と FM-7より遅くなってしまいました。このベンチマークは、サブや機械語処理ルーチンよりもBASICの遅さが効いてるようで、 MMR使用で1.6MHzに落ちているFM77AVでは戦力不足でした。
キャプチャ画面はXM7 V3.4 L52aで取り直したものです。

しかし捨てる神あれば拾う神あり。FM77AV20EX/40EXシリーズはどうでしょう？これらのマシンはMMR使用時でも2MHzのまま落ちません。
結果は all right! 最速で 1:43 という数字が出ました。これならPC88の 8MHz版にも十分対抗できるのではないでしょうか。(笑)
キャプチャ画面はXM7 V3.4 L52aで取り直したものです。

せっかくですので、XM7を駆使していろいろな条件でベンチマークを行ってみました。 (数値の検証のため実機でも動かしてみました。)

テスター	機種(条件)	BASIC	おまじない	サブ	MMR	実行時間
テスター	機種(条件)	BASIC	おまじない	サブ	MMR	1回目	2回目	3回目	4回目
テクノポリス	PC-8801mkIISR実機 (V2モード 4MHz)	N88-BASIC V2.0	--	--	--	2:53	--	--	--
	PC-8801mkIISR実機 (V1Hモード 4MHz)	N88-BASIC V1.4	--	--	--	3:03	--	--	--
	PC-8801mkIISR実機 (V1Sモード 4MHz)	N88-BASIC V1.4	--	--	--	5:47	--	--	--
	PC-8801mkII実機 (4MHz)	N88-BASIC V1.3	--	--	--	5:58	--	--	--
はせりん	M88 rel 2.21 (PC88mk2SR V2モード 4MHz)	N88-BASIC V2.3	--	--	--	2:40	2:40	--	--
	ePC-8801MA 2013/2/26版 (PC-8801MA V2モード 4MHz)	N88-BASIC V2.3	--	--	--	2:41	2:41	--	--
	ePC-8801MA 2013/2/26版 (PC-8801MA V2モード 8MHz)	N88-BASIC V2.3	--	--	--	1:38	1:38	--	--
	XM7 V1.1 L62 (FM-7モード 2MHz,サブ低速)	F-BASIC V3.0 L2.0	--	Type-C	--	2:16	2:16	2:16	2:16
	XM7 V3.4 L21 (FM77AV40EXモード 2MHz)	F-BASIC V3.4 L21	SCREEN@0	Type-A	高速	1:48	1:44	--	--
		F-BASIC V3.4 L21	SCREEN@0 KANJI OFF	Type-A	高速	1:47	1:43	1:43	--
		F-BASIC V3.4 L20	SCREEN@0	Type-A	高速	1:48	1:46	1:44	1:44
		F-BASIC V3.4 L10	SCREEN@0 KANJI OFF	Type-A	低速	2:11	2:07	2:04	2:04
			SCREEN@0 KANJI OFF POKE &HFD95,8	Type-A	高速	1:47	1:43	--	--
			POKE &HFD13,0	Type-C	低速	2:14	2:08	2:08	--
			POKE &HFD13,0 POKE &HFD95,8	Type-C	高速	1:50	1:47	1:46	1:46
		F-BASIC V3.3 L20	--	Type-A	低速	2:11	2:07	--	--
		F-BASIC V3.3 L20	POKE &HFD95,8	Type-A	高速	1:47	1:44	1:43	--
		F-BASIC V3.3 L12	--	Type-A	低速	2:11	2:07	--	--
		F-BASIC V3.3 L12	POKE &HFD95,8	Type-A	高速	1:47	1:44	1:43	--
		F-BASIC V3.0 L2.1	--	Type-C	--	2:06	2:06	--	--
		F-BASIC V3.0 L2.1	POKE &HFD13,1	Type-A	--	2:03	2:03	--	--
	FM77AV40SX実機	F-BASIC V3.4 L21	SCREEN@0	Type-A	高速	1:47	1:46	1:44	1:44
		F-BASIC V3.4 L21	SCREEN@0 KANJI OFF	Type-A	高速	1:47	1:45	1:43	1:43
		F-BASIC V3.0 L2.1	--	Type-C	--	2:06	2:06	2:06	2:06
		F-BASIC V3.0 L2.1	POKE &HFD13,1	Type-A	--	2:03	2:03	2:03	2:03

実行方法：

リセット→おまじない→LOAD→RUN→時間測定→BREAK→RUN→... おまじないの説明：

POKE &HFD95,8 は、FM77AV40/20EX以降の機種で、高速MMR機能を有効にします。
F-BASIC V3.4 L20以降はデフォルトで有効になっているようです。
POKE &HFD13,1 は、FM77AV以降の機種で、F-BASIC V3.0から強制的にサブシステムを Type-A に切り替えます。これにより、直線補完等の高速化された機能を使うことができます。
逆に、0を書くと Type-C に切り替わります。
SCREEN@0 は、F-BASIC V3.3 および V3.4からサブシステムを Type-A に切り替えます。
KANJI OFF は、日本語処理機能をオフにします。

結果：

MMR高速+Type-A > MMR高速+Type-C > MMRなし+Type-A > MMR低速+Type-A > MMRなし+Type-C > MMR低速+Type-C 考察：

いつもながら、XM7 の再現性のすごさには驚かされます。PIさん、りうさんの実装には脱帽します。今回実機を引っ張り出す必要はほとんどありませんでした。
ナウシカベンチマークでは、Type-Aサブと Type-Cサブの差は、わずかに3秒でした。実際に描画させると明らかにラインやペイントは早いのですが、BASICの遅さに隠れてしまうようです。
FM77(V3.5)～FM77AV40/20までのMMR使用時の速度ダウンはかなり効いていました。クロックが2割落ちるのですが、上記の結果(100秒ちょっと vs 120秒ちょっと)とも符合します。サブ側は速度落ちない訳ですから、ナウシカベンチマークはBASIC部分が重たいと言えます。
BANK切り替えとかテキストウィンドウを使用しているF-BASIC V3.3/V3.4 が高速というのは、はせりんにとって意外な結果でした。このあたりはいずれ深く調べてみたいと思っています。

ナウシカベンチマークの謎：

本ページのタイトルの由来なのですが、F-BASIC V3.3 と V3.4 では、初回と数回実行した後で4秒も早くなります。BREAKした後に再度RUNをかけているので、なんでそうなるのか理解し難いです。F-BASIC V3.3 と V3.4 はそういうものなんでしょうか？

実は今回、機械語処理ルーチンがボトルネックに違いない、と勝手に想像してコードのチューニングをかなりやったつもりなのですが、冗長なコードと最適化後でわずか1秒しか差が出ず凹んでしまいました。(泣) まぁ、久しぶりに 6809 のアセンブラを使って頭の体操ができたのでよいことにします。

ガッツでC.G. Vol. 2

テクノポリス増刊号、ガッツでC.G. Vol.2 (1984年5月発行)です。
リンク先はLaverさまのサイトの書籍紹介ページになります。 (表紙画像の提供ありがとうございました。＞Laverさま、apaslothyさま)

お目当ては本ページのタイトルでもある「ナウシカ」ですが、それ以外にも多数のC.G.と、いくつかの有用プログラムが掲載されています。せっかくですので紹介しておきます。

プログラム名	概要	適用機種
ぐりぐり・ルーペ	画面の一部を拡大	FM-7, PC-8801
ネガポジ反転＋ハードコピー	←	FM-7, PC-8801, X1
でんぐり返し	上下反転	FM-7, PC-8801, X1
RGB分割	R.G.B.個別表示	FM-7, PC-8801, X1
グラフィック文字PRINT	キャラクタデータ、キャラクタ作成プログラム	FM-7, PC-8801
パラパラアニメ	←	FM-7, PC-8801
1/8計画	サムネイル化	FM-7
FM-7強化BASIC	MPAINT, TPAINT, DLINE, CREMの拡張	FM-7

さて本題のナウシカです。

まずは、FM-77の高速モード(相当)での実行結果です。
このモードでも 52秒という驚異的なスピードです。
描画データは上のベンチマークのものとほぼ同じで、タイトルがついてる以外は同一座標で描画されています。なぜかテトの配色が異なっています。(っていうか、こちらがオリジナル)
速さのポイントは、F-BASICのPAINT文における複数境界色指定機能により、余計なLINE文不要、 TILE PAINT(クロマキー方式)はサブシステムにYAMAUCHIコマンドで専用プログラムを転送の上、実行している点です。(GET@、PUT@のオーバーヘッドがないため高速。)

続いて、FM77AV20EX/40EXの高速モード(相当)での実行結果です。
なんと、1分を大きく切る 35秒というもはや「神的」なスピードとなりました。
なんだか、上のベンチマークで細かい高速化をやってたのがばからしくなる位の圧倒的速さですね。

ガッツでC.G.版とテクノポリス掲載版(の移植版)で大きな差が出てしまった訳ですが、
どの辺りにその差の原因があるのか、少し掘り下げて分析してみました。
次の表はその結果です。

	ガッツでC.G. Vol.2 掲載版				テクノポリス1985年4月号掲載版
	オリジナル版(+補正)				はせりん移植版				オリジナル版(+補正)
機種	FM77AV40EX(相当)				FM77AV40EX(相当)				PC-8801MA(相当)
Emulator	XM7 V3.4 L52a				XM7 V3.4 L52a				ePC-8801MA(130226)
BASIC	F-BASIC V3.0		F-BASIC V3.3 L12		F-BASIC V3.0		F-BASIC V3.3 L12		N88-BASIC V2.3
モード/周波数	サブ: メイン:	Type C 2MHz	Type A 1.6MHz	Type A 2MHz	サブ: メイン:	Type C 2MHz	Type A 1.6MHz	Type A 2MHz	V2モード	4MHz	8MHz
処理	回数	時間	時間	時間	回数	時間	時間	時間	回数	時間	時間
LINE文	1111	0:10	0:09	0:07	1267	0:10	0:10	0:08	1267	0:17	0:10
CIRCLE文	2	0:00	0:00	0:00	2	0:00	0:01	0:00	2	0:00	0:00
PSET文	3	0:01	0:01	0:01	3	0:01	0:01	0:01	3	0:01	0:01
PAINT文	77	0:05	0:03	0:02	82	0:05	0:02	0:02	71	0:09	0:05
TILE処理	15	0:05	0:05	0:05	14	1:22	1:31	1:16	14	1:55	0:51
┣PUT@/GET@ (時間は内数)	-	-	-	-	1167	0:47	0:50	0:45	1167	1:15	0:46
┗TILE CHANGE (時間は内数)	-	-	-	-	1167	0:07	0:09	0:07	1167	0:10	0:05
その他		0:30	0:25	0:19		0:28	0:26	0:20		0:20	0:12
合計		0:52	0:43	0:35		2:06	2:11	1:47		2:41	1:38

（尚、本表の作成にはThinkさんのCSV→Table変換サイトのお世話になりました。ありがとうございました。）

この表について補足説明します。
(一番上の表とは縦横が変わっていますがご容赦願います。)

(+補正)とは、処理時間計測のためのTIME$命令等の追加と、塗り残し対策です。
移植版にはこの補正を含んでいます。
- テクノポリス 8801版：「フク」の影の部分
- テクノポリス移植版 for Type Cサブ：「イヤリング」「カザリ」
- テクノポリス移植版 for Type Aサブ：「イヤリング」「カザリ」、「フク」「カミ」の影の部分
- ガッツでC.G. for Type Cサブ：「イヤリング」「カザリ」
- ガッツでC.G. for Type Aサブ：「イヤリング」「カザリ」、「フク」「カミ」の影の部分
モード/周波数について
- F-BASIC V3.0 時のType Cサブは、高速モードを指定しています。
- F-BASIC V3.3 L12 時のデフォルトは Type Aサブ＋メイン 1.6MHzですが、
  Poke &HFD95,8 によりメイン 2MHz化した状態でも測定しています。
処理回数は、本来はすべて同じであるべきですが、いろいろな事情で異なっています。
- LINE文：F-BASICではPAINT文における境界色の複数指定が可能なので、ガッツでC.G.版では輪郭線に複数の色が使われているのですが、テクノポリス版(移植版含む)では、N88-BASICの仕様(1色しか指定できない)に合わせて、 PAINT文の前後で境界色を揃えるため何度も同じ輪郭線を上書き(書いたり消したり)が必要な箇所があり、LINE回数が1割程増えています。
  (ここはFM-7系移植でさらに最適化可能な部分です。)
- PAINT文：「イヤリング」「カザリ」の塗り残し対策方法の違いです。
  テクノポリス移植版ではPAINT処理ルーチンで対策したのですが、ガッツでC.G.版ではデータを修正してます。
  (ここもFM-7系移植でさらに最適化可能な部分です。)
- TILE処理：ガッツでC.G.版は、タイトル(風の谷のナウシカ)部分のTILE CHANGE 2回分を含みます。
  テクノポリス版では、N88-BASICのスペック上、CIRCLE文で F(Fill)が無いため 1回多くTILE CHANGEしています。
  (ここもFM-7系移植でさらに最適化可能な部分です。)
- 「(時間は内数)」はTILE処理トータルの中の部分的な処理時間です。合計には加えません。ご覧のとおり、PUT@/GET@、TILE CHANGEの回数がずば抜けていますが、これはグラフィック画面の 1ラインずつ GET@→TILE CHANGE→PUT@ の処理を行っているためです。処理時間についても、PUT@/GET@ の時間が支配的であることがわかりました。上の方で、TILE CHANGE を頑張って短縮化しても効果が無かった訳です...orz
TILE処理/TILE CHANGE：上の方でもちょっと書いてますが、ガッツでC.G.版では、TILE CHANGEプログラムをサブシステム側にその都度転送し、VRAM(サブCPU側、全画面対象)を直接書き換えています。テクノポリス版では、GET@で一旦配列にVRAMデータ(指定ラインのみ)を取り込んで TILE CHANGE処理を行い、PUT@で書き戻すという事をやっているので、どうしてもオーバーヘッドが大きくなってしまいます。ガッツでC.G.版でもサブで TILE CHANGE処理をやっている間はメインCPU側は待っているので、メインCPU側でやるかサブCPU側でやるか、はあまり大きな違いにはなっていないようです。

＜考察＞

ガッツでC.G.版とテクノポリス版で大きな差が出た訳ですが、それは描画性能の差と言うよりは、 PUT@/GET@処理の重さが支配的でした。テクノポリス版は、ある意味ブレーキを踏みながら戦っていたようなものであり、両者とも本来の性能を出し切っていたとは言えません。（ベンチマークとして条件を揃えるのは良い事と思いますが）
いつか時間が出来たらPC-8801mkII系の方もPUT@/GET@を使わないバージョンを試してみたいと思います。あと、速いと言われるMB-S1でも試してみたいですね。
最後になりましたが、FM-7(77)の性能を活かしきったプログラムを作製された磯貝さんに敬服いたします。

ミンキーモモベンチマーク

さらに番外編です。上記のナウシカベンチマークが普及(?)する前には、よりシンプルなミンキーモモの早描きベンチマークが行われていました。その時期でも、FM-77は34秒というスコアで他の機種を圧倒的に引き離していたのだそうです。

最新の(最終の)FM77AV40SXではどれくらいの性能が出ていたのか気になったので、 XM7で実行してみました。結果は21秒。(ナウシカと同じで初回は22秒でしたが)
こちらはサブ強化の影響が強く出るようで、

FM-7/NEW7 37sec --

FM-77 34sec サブ：サイクルスチール化

FM77AV 29sec サブ：直線補間・論理演算LSI

FM77AV40EX(SX) 21sec メイン：高速化

といった順当な結果になりました。
（プログラム掲載はテクノポリス誌１９８３年４月号です。）

F-BASIC詳細編を覗いてみる F-BASIC詳細編(その２：デモ画面集)を覗いてみる
FM77AVシリーズシステムディスク編を覗いてみる
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番外編(その１：ナウシカベンチマークの謎)を覗いてみる
番外編(その２：勝手に誤記修正編)を覗いてみる
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番外編(その４：FM-77 謎のS1スイッチ)を覗いてみる
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緊急特集２：FM-8ブートROMの秘密を覗いてみる
超番外編：レベル３BASICとF-BASIC を覗いてみる
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ご意見、ご要望はこちらまで（笑）
thasegaw@hotmail.com

FM-7/NEW7	37sec	--
FM-77	34sec	サブ：サイクルスチール化
FM77AV	29sec	サブ：直線補間・論理演算LSI
FM77AV40EX(SX)	21sec	メイン：高速化