Kaleidoscopico представляет собой уникальный демо-проэкт, разработанный для микроконтроллера Raspberry Pi Pico 2. Его создатель — известный программист Линус Акссон — продемонстрировал, как можно вывести возможности микроконтроллера на совершенно новый уровень, используя нестандартные подходы к генерации видеосигнала и звука. Данный проект занял второе место в конкурсе Wild на фестивале Revision 2025, что свидетельствует о высоком уровне исполнения и технологической оригинальности. Главная особенность Kaleidoscopico заключается в бережном и инновационном использовании ограниченных ресурсов микроконтроллера RP2350, который установлен на Raspberry Pi Pico 2. Этот чип, хоть и относительно мощный для своего класса, всё же имеет ограниченную оперативную память и сравнительно невысокую тактовую частоту.
При этом автор умело избегает прямого хранения полноценного фреймбуфера с истинными цветами, что дало возможность сэкономить драгоценные мегабайты ОЗУ для реализации других функций демо. Подход к созданию видео в Kaleidoscopico вдохновлен классической архитектурой Amiga, где можно наблюдать прецедент непосредственного вывода изображения и контроля над видеосигналом на уровне линий развертки. В проекте задействованы два ядра процессора RP2350, одно из которых берет на себя роль программируемого видеочипа. Оно контролирует набор переменных, выступающих аналогом регистров видеоадаптера Amiga, и выполняет тесно синхронизированные с видеосинхронизацией операции, обрабатывая каждую строку изображения в режиме реального времени. Аппаратная платформа в Kaleidoscopico построена вокруг Raspberry Pi Pico 2, которая отличается от стандартной модели Pico наличием процессора RP2350 с поддержкой архитектуры RISC-V наряду с ARM Cortex-M33.
RISC-V — открытая архитектура, что позволяет программировать её без лицензионных ограничений. В проекте предпочтение отдано именно RISC-V ядрам, что, несмотря на отсутствие аппаратной поддержки с плавающей точкой, оказало положительное влияние на оптимизацию под задачи демо. Для вывода видео используется сложная схема с резистивными делителями и сэмплинговыми цепями для формирования VGA-сигнала. Цветовая гамма достигает 4096 оттенков благодаря четырём битам на каждый цветовой канал и соответствующей разводке на печатной плате. При этом частота обновления экрана составляет 60 кадров в секунду с разрешением 1024 на 768 пикселей, однако визуально кадр работает на половине этого разрешения по горизонтали и вертикали, что упрощает обработку и обеспечивает стабильность.
Генерация синхроимпульсов представлена комбинацией широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и программируемых периферийных модулей ввода-вывода (PIO). Платформа содержит четыре аппаратных конечных автомата (state machines) в PIO, каждый из которых отвечает за отдельный слой изображения, что позволяет реализовывать наложение и прозрачность с приоритетами. Четвертый state machine занимается таймингом строки и формированием черных рамок. Инновационным решением является использование инструкции переключения адреса программы (computed goto) в PIO для осуществления цветового поиска. Пиксели представлены четырьмя битами, по которым state machine осуществляет прыжок к соответствующему участку кода с предопределенным цветом.
Так достигается эффект палитрового рендеринга без избыточного потребления памяти и лишнего движения данных по шине, проблемного для микроконтроллеров. Палитры цветов не хранятся как обычные константы в инструкциях, поскольку формат команд не позволяет вместить 12-битовые цветовые значения непосредственно. Вместо этого цвета удерживаются в регистрах state machine с использованием хитрых приемов хранения и обращения к битам, в том числе с применением битового инвертирования, чтобы одновременно хранить два цвета. Kaleidoscopico применяет собственную программную реализацию «copper» — специального управляющего блока, знакомого по Amiga, который выполняет операции в строго заданные строки изображения. В системе одна из ядер RP2350 проводит постоянный цикл обработки таких команд и обновляет значения регистров, управляющих отображением слоев, скроллингом и настройками цвета.
Для организации работы с двумя сложными эффектами одновременно предусмотрены два независимых «copper», что упрощает написание и поддержку кода. Доступ к видеоданным осуществляется с помощью Direct Memory Access (DMA), который обеспечивает передачу пиксельных данных в state machines без загрузки CPU. Использование кольцевого буфера DMA помогает реализовать повторяющуюся текстуру и плавный непрерывный скроллинг, отчего эффекты выглядят цельными и живыми. Плотность деталей и сложность композиций достигаются за счет грамотного распределения памяти и умелого взаимодействия CPU, DMA и PIO. Звуковое сопровождение является важной частью Kaleidoscopico.
Аудиосигнал формируется с помощью тех же GPU-локаций, что и видео — через широтно-импульсную модуляцию с фильтрами низких частот. Частота дискретизации совпадает с частотой линий развертки, что оптимизирует ресурсы устройства. Синтезатор включает 12 каналов фазовой модуляции с резонансными фильтрами и эффектом задержки (эхо), позволяя создавать насыщенную и звучащую композицию. Музыка написана с использованием собственного трекера, адаптированного под специфические возможности Pico 2. Трекер предоставляет минималистический интерфейс редактирования музыкальных паттернов, при этом управление параметрами синтезатора происходит во время вертикального бланкинга для минимизации нагрузки на процессор.
Весь демонстрационный фреймворк организован вокруг Coordinated источника прерываний, распределения памяти и четкого разделения обязанностей между двумя ядрами процессора. Первое ядро отвечает за рендеринг и управление эффектами, второе — за реализацию програмного видеоадаптера и звука. Память разделена на области для хранения кадровых буферов, параметров синтеза и данных эффектов, что обеспечивает эффективность и предотвращает коллизии. Эффекты в Kaleidoscopico демонстрируют не только впечатляющую графику, но и умение обходить аппаратные ограничения. Среди них — rotozoomer, эффект, плавно вращающий и масштабирующий текстуру с помощью встроенного в RP2350 интерполятора.
Баллонный зум, создаваемый индивидуальной развёрткой кадров и сложной механикой кадровых указателей в Copper-списках. А также 3D-ландшафт, рендерящийся построчно с применением технологии raymarching по высотной карте с наложением визуального шума и продуманным дезайном цвета. Одним из интересных приемов является генерация случайных чисел с помощью особенностей DMA, в частности использования контрольной суммы на лету, которую PIO декодирует для получения потока псевдослучайных значений. Такой метод значительно снижает нагрузку на CPU и позволяет создавать динамические визуальные эффекты с элементами случайности. Kaleidoscopico задает высокую планку для демо-сцены на микроконтроллерах.
Этот проект показывает, что грамотное программирование и понимание архитектуры железа способны сделать из ограниченного по ресурсам устройства настоящий мультимедийный центр демонстрационных эффектов. Риски и сложности управления памятью, синхронизации и временем выполнения решаются творческими и технически изящными способами. Создание Kaleidoscopico сопровождалось глубоким изучением особенностей RP2350, RISC-V архитектуры и возможностей PIO. Автор поделился своим опытом с сообществом, предоставив исходные коды и подробное описание принципов работы всех систем, что несомненно станет ценным ресурсом для разработчиков и энтузиастов. Для тех, кто интересуется экспериментами с графикой и звуком на микроконтроллерах, Kaleidoscopico — отличный пример, как можно добиться впечатляющих результатов, не имея в распоряжении мощных графических процессоров или больших объемов памяти.
Этот проект вдохновляет на использование малых компоновок с тщательным продумыванием архитектуры программного обеспечения и гибким применением аппаратных возможностей микроконтроллера. В будущем развитие RISC-V и микроконтроллеров подобного класса может открыть новые горизонты для создания компактных и энергоэффективных мультимедийных устройств и проектов в области цифрового искусства. Kaleidoscopico занял заметное место в этой истории своим новаторским подходом и великолепным исполнением. Таким образом, Kaleidoscopico — не просто демонстрация технологий Raspberry Pi Pico 2, а подлинное произведение цифрового искусства и инженерной мысли, дающее массу идей для современных разработчиков и творцов.
