Kaleidoscopico ist ein außergewöhnliches technisches Demo, das auf dem Raspberry Pi Pico 2 läuft und sich beim Revision 2025 Wild Compo den zweiten Platz sichern konnte. Es zeigt eindrucksvoll, wie man mit begrenzten Ressourcen eines Mikrocontroller-Boards visuell und klanglich beeindruckende Effekte realisieren kann. Dabei verbindet das Projekt klassisches Konzeptdesign mit modernen Mikrocontroller-Fähigkeiten und bringt ein Stück Computerspielgeschichte mit innovativen Programmiermethoden zusammen. Die Wahl des Raspberry Pi Pico 2 als Basis für ein Demo ist besonders interessant, da dieser Mikrocontroller weder über Gigabytes RAM noch Hochleistungs-CPU-Kerne verfügt. Der eingesetzte RP2350 Chip arbeitet mit zwei verständlicherweise zugeschalteten Kernen, die entweder ARM Cortex-M33 Modus oder RISC-V Modus unterstützen. Die offene RISC-V Architektur ist hier gewollt, obwohl sie weniger Leistung als die ARM-Kerne bringt.
Für Demo-Coding erweist sich diese „eingeschränkte“ Variante als Vorteil, da clever optimierte Assembler-Codetechniken hier deutliche Effekte ermöglichen. Kaleidoscopico profitiert von der kreativen Herangehensweise an die Videoerzeugung. Statt einen vollfarbigen Framebuffer im RAM zu belegen, was viel Speicher verschlingen würde, kommt ein geniales Timing-Konzept zum Einsatz. Inspiriert von der Amiga-Architektur, übernimmt einer der CPU-Kerne die Rolle der „Custom Chips“ und steuert die Videoproduktion zeilenweise mit präzisen Zugriffen auf Programme und Daten. Dabei wird das Video direkt „in Echtzeit“ auf den VGA-Ausgang „gerastet“, sodass keine umfangreichen Zwischenspeicher benötigt werden. Das Video wird mit einer Standard-VGA-Auflösung von 1024x768 Pixel bei 60 Bildern pro Sekunde erzeugt. Tatsächlich nutzt das Demo eine halbe Zeilen- und Pixeldichte, was etwa einer Auflösung von 512x384 Pixel entspricht.
Die digitale Steuerung erfolgt mittels PWM für das horizontale Synchronisationssignal und spezialisierter programmierbarer Ein-/Ausgabeeinheiten (PIO) für die restlichen Signale und die Pixeldarstellung. Besonders bemerkenswert ist die Nutzung von drei PIO-Zustandsmaschinen für drei Pixel-Layer, die dank eines Prioritätsmechanismus Überlagerungen mit Transparenzeffekten erlauben. Zum Thema Farbmanagement ist festzuhalten, dass nicht für jeden Pixel ein vollfarbiger Wert gespeichert wird. Stattdessen nutzt Kaleidoscopico eine 4-Bit-Pixelkodierung. Diese Werte werden nicht in einem klassischen Lookup-Table mittels Speicherzugriffen aufgelöst, da dies die Limitationen der PIO Einheiten übersteigen würde. Stattdessen wird die Steuerung der PIO-Programme so arrangiert, dass eingehende 4-Bit Werte als direkte Programmzielsprünge interpretiert werden können – eine Art „computed goto“.
Auf diese Weise implementiert das Demo eine Palette mit sechs Farben plus Transparenz und zusätzliche Sonderaktionen mit extrem geringer Latenz bei sehr optimiertem Speicherverbrauch. Besondere Aufmerksamkeit verdient außerdem die Art, wie das Demo vertikale und horizontale Synchronisationssignale generiert. Während horizontale Synchronisation klassisch per PWM erzeugt wird, wird die vertikale Synchronisation auf einem GPIO-Pin mittels dynamischem Rollenwechsel der Pin-Konfiguration gesteuert. Während zeitkritischer Phasen steuert ein PIO-Zustandsautomat diesen Pin und setzt so signaltechnisch perfekte Zeitsignale um, was in solch einem low-level System eine sehr elegante und ungewöhnliche Lösung darstellt. Die Tonerzeugung in Kaleidoscopico basiert auf einem 12-Kanal Phase-Modulation Synthesizer, der pro Rasterlinie seine Stereo-Ausgabe neu berechnet. Die Audioausgabe erfolgt per PWM mit RC-Tiefpassfiltern zur Unterdrückung hochfrequenter Artefakte.
Zur klanglichen Gestaltung gehören vier Operatoren pro Kanal sowie Resonanzfilter, eine Stereo-Panning-Matrix und eine globale Delay-Effektkette. Das Ergebnis ist ein komplexer Klangteppich, der trotz der begrenzten Rechenleistung beachtlich klingt. Die Tonerzeugung ist eng mit der Bildwiedergabe getaktet, was eine starke Synchronisation von Bild und Sound garantiert. Die Softwarearchitektur des Demos ist auf die Zusammenarbeit beider CPU-Kerne optimiert. Core 1 ist für das Timing, Videoerzeugung und Sound zuständig – kurz: für das, was man als „Custom-Chip Emulation“ verstehen kann. Core 0 kümmert sich um die Orchestrierung der Demo, das Laden und Rendern der Effekte sowie um die Musikwiedergabe im Tracker-Stil.
Die große Menge an globalen Variablen, Register-Emulationen und Framebuffer-Daten sind pauschal in den Speicherbanken organisiert, wobei manche besonders performancekritische Routinen und Daten in den dedizierten 4 kB Speicherbänken des RP2350 residieren, um gleichzeitigen Zugriff zu ermöglichen. Ein zentrales Konzept zur Steuerung der Videoeffekte sind die sogenannten „Copperlists“. Inspiriert von der Amiga-Hardware bezeichnet eine Copperlist eine Liste von Befehlen, die zu exakt definierten Scanlines einfache Speicheraktionen durchführen, etwa Register setzen oder warten. Im Kaleidoscopico-Demo simuliert Core 1 diese Funktion, um zeitgesteuert Parameter für die PIO State Machines, Framebuffer, Farbpaletten und Scrollwerte zu setzen. Besonders clever ist die Nutzung zweier entkoppelter Copper-Listen, um gleichzeitig verschiedene Bild-Layer unabhängig zu animieren und Effekte wie Scrollen und Bitmap-Stretching zu realisieren.
Ein Beispiel einer Hauptszene ist das „Greetings“-Segment, an dem man die Arbeitsweise gut nachvollziehen kann. Hier werden ein Rotozoom-Background und eine darüberliegende Header-Layer mit Texten umgesetzt. Die Textlayer nutzen eigene Copperlists für einzelne Textzeilen, die mit vorbereitetem Font-Material aus dem Flash-Speicher beschrieben werden. Das motivhafte Komprimieren von Daten mit eigenem Lempel-Ziv-Algorithmus spart Speicher und reduziert die Ladezeit erheblich. Das zeigt eine gewisse Liebe zum Detail und ein Verständnis für Ressourcen-Management. Die affine Transformation des Rotozoomers wird unter Nutzung der Interpolator-Hardware im RP2350 realisiert. Diese Hardware unterstützt Fixpunkt-Arithmetik für zweidimensionale Koordinaten, wodurch man effizient Pixel aus einer Textur holen und in den Framebuffer schreiben kann. Der verwendete Loop stellt eine elegante Balance zwischen Hardware-Nutzung und Software-Optimierung dar.
Ein weiteres Highlight ist die finale Ballonfahrtszene über eine Berglandschaft, die ebenfalls mehrere Ebenen, ausführliche Copperlisten und real-time Raymarching des Terrain-Höhenmodells kombiniert. Die Verwendung des Ringspeicher-Modus im DMA unterstützt wieder nahtloses horizontales Scrollen, was für ein großflächiges Panorama essenziell ist. Die Landschaft ist durch geschicktes Modulieren der Farbpalette und Dithering visuell ansprechend gestaltet, trotz der eingeschränkten Farbpalette und der Rechenleistung. Die Erzeugung von Pseudo-Zufallszahlen für Dithering und andere Effekte erfolgt ebenfalls sehr experimentell: Ein DMA-Kanal liest iterativ seinen eigenen Checksummspeicher und speist diese Ergebnisse einem PIO State Machine zu, die daraus wieder 32-Bit Zufallsdaten generiert. Die CPU kann diese Zahlen nahezu lückenlos abgreifen und für optische Effekte wie zufälliges Aufbrechen von Helligkeitswerten verwenden.
Was Kaleidoscopico darüber hinaus auszeichnet, ist die strukturierte Organisation des Demo-Frameworks. Ein ausgeklügeltes Callback-System verwaltet einzelne Demo-Segmente, sogenannte Parts, mit jeweils eigenständigen Prepare-, Main-, Vertical-Blank- sowie Fade-Out-Routinen. Memory-Areas sind definiert und so organisiert, dass keine Überschneidungen entstehen, und Übergänge zwischen Parts können Daten erben oder komplett neu initialisieren. Das System stellt so sicher, dass die komplexe Demo mit ihren 17. 000 Zeilen RISC-V Assemblercode stabil und effizient läuft. Das gesamte Projekt verlangt viel Fachwissen in Mikroarchitektur, hardwarenaher Programmierung und Synchronisation, worüber Linus Akesson ausführlich berichtet. Das Zusammenspiel von klassischer Demo-Coding-Historie, moderner Hardware und einer offenen Architektur wie RISC-V macht Kaleidoscopico zu einem eindrucksvollen Beispiel für technische Kreativität.
Es zeigt, wie man sogar auf einem vergleichsweise kleinen Mikrocontroller mit cleverem Design und tiefem Systemverständnis ein visuell und auditiv beeindruckendes Erlebnis schaffen kann. Neben der technischen Brillanz ist auch die Community-Reaktion bemerkenswert. Begeisterung über die innovative Nutzung der RP2350 Hardware, Ideen für eigene Experimente und die Wiederbelebung des spirituellen Amiga-Demo-Feelings sind nur einige der positiven Rückmeldungen. Viele wenden sich an das Projekt, um selbst mit der Pico 2 Plattform zu experimentieren und Inspiration für eigene Projekte zu gewinnen. Kaleidoscopico ist damit nicht nur ein faszinierendes Demo, sondern auch ein Lehrmeister in Sachen Mikrocontroller-Programmierung, RISC-V Assembler und hardwarenahen Grafik- und Soundtechniken. Die Kombination aus Open-Hardware, Low-Level-Optimierung und kreativer Gestaltung macht das Projekt zu einem Meilenstein in der Mikrocontroller-Demo-Szene.
Wer sich für moderne Elektronik, Programmierung oder Retro-Computing interessiert, findet in Kaleidoscopico eine Fülle an Inspiration und technischem Input. Die umfassende Dokumentation und aufgeschlossene Community laden ein, den Quellcode und die Schaltung zu studieren, eigene Experimente zu starten und die Grenzen dessen, was mit dem Raspberry Pi Pico 2 möglich ist, selbst zu erkunden.
