硬核魔改! 宜家燈泡當(dāng)主機(jī), 能玩
看完demo,網(wǎng)友直呼宜家電燈泡已經(jīng)遠(yuǎn)超自己當(dāng)年的PC。
更夸張的是,這臺(tái)機(jī)器的微處理器只有108kB內(nèi)存。
要知道,毀滅戰(zhàn)士的最低系統(tǒng)要求也要8MB內(nèi)存。甚至有網(wǎng)友還表示新“摩爾定律”誕生:
大約每?jī)赡昃涂梢詫oom運(yùn)行的大小減半。
游戲移植“最跨界”
之前“驗(yàn)孕棒玩《毀滅戰(zhàn)士》”大火,國(guó)外互聯(lián)網(wǎng)上瘋傳。但是,「全棧野生鋼鐵俠」Nicola Wrachien看了技術(shù)方案以后表示:這個(gè)不夠硬核。所謂“驗(yàn)孕棒”玩《毀滅戰(zhàn)士》,其實(shí)只用了驗(yàn)孕棒的殼,原有的處理器和屏都被換掉了。鋼鐵俠Nicola表示,要做就做全套。而且定下了《毀滅戰(zhàn)士》跨界“鐵則”:
1、必須基于現(xiàn)成的設(shè)備,且不是用來(lái)玩Doom或一般游戲的。2、所選擇的設(shè)備有一個(gè)計(jì)算能力和/或內(nèi)存相當(dāng)有限的微控制器,否則沒(méi)有挑戰(zhàn)性。3、不能添加額外的微控制器??梢猿l,但不能額外加冷卻裝置。但如今電子設(shè)備大部分的計(jì)算能力都相當(dāng)高,運(yùn)行Doom不在話下…老哥環(huán)顧四周,發(fā)現(xiàn)宜家在售的TR?DFRI Zigbee燈泡不錯(cuò)。這款燈泡可以實(shí)現(xiàn)自由控制明暗、顏色,其中的微控制器,剛好是Nicola Wrachien工作的美國(guó)半導(dǎo)體商芯科科技的產(chǎn)品。
Cortex M33處理器,96 12kB的RAM(總共108kB),1MB 的閃存,基頻80MHz 。計(jì)算能力肯定夠了,但毀滅戰(zhàn)士的最低系統(tǒng)要求也要8MB內(nèi)存。所以,優(yōu)化RAM成為了最關(guān)鍵的工作。
為了節(jié)省RAM,必須犧牲CPU?
Nicola的最低目標(biāo),是能在108kB內(nèi)存上運(yùn)行《毀滅戰(zhàn)士》第一張地圖。隨著優(yōu)化推進(jìn),他發(fā)現(xiàn)可以將全部全部地圖運(yùn)行時(shí)的RAM使用量控制在108kb以內(nèi),而且包括動(dòng)態(tài)和靜態(tài)、堆棧和幀緩沖區(qū)。為此,他進(jìn)行了15項(xiàng)大大小小的優(yōu)化,這些工作,構(gòu)成了這次全棧移植《毀滅戰(zhàn)士》到燈泡控制的核心。首先是對(duì)Doom代碼本身優(yōu)化。Doom廣泛使用32位,但其實(shí)16位或8位指令就足夠了。其次是枚舉的使用非常頻繁。移植后的Doom沒(méi)有使用枚舉數(shù)據(jù)類型,而是將數(shù)據(jù)大小修剪為能存儲(chǔ)的最大值。此外,還減少了畫面材質(zhì)的路徑、繪圖數(shù)、和視覺(jué)數(shù)。因?yàn)樽詈蟪尸F(xiàn)的顯示器像素并不高,所以不會(huì)對(duì)視覺(jué)效果產(chǎn)生負(fù)面影響。還有一點(diǎn)最重要的優(yōu)化:既然如今已經(jīng)不采用32位指令,而且內(nèi)存也小于128k,那么也沒(méi)有必要再用32位指針了。游戲中幾乎所有的指針都指向4字節(jié)對(duì)齊的結(jié)構(gòu),這意味著 16 位指針就足夠了。這個(gè)策略實(shí)際上是為RAM犧牲CPU能力,但處理器0MHz的基頻完全沒(méi)有壓力。此外,其余的優(yōu)化還包括:游戲中的對(duì)象結(jié)構(gòu)(mobj_t)優(yōu)化到到92字節(jié),在更復(fù)雜的關(guān)卡地圖上可以省出很多。靜態(tài)對(duì)象,如關(guān)卡bonus和裝飾品,專門為它們創(chuàng)建了一個(gè)靜態(tài)mobj類型,將內(nèi)存需求削減到一半(44字節(jié))。在某些關(guān)卡中,有超過(guò)200個(gè)這樣的對(duì)象。節(jié)省了超過(guò)30kB的內(nèi)存。對(duì)象(mobj_t和static_mobj_t)使用了內(nèi)存池,動(dòng)態(tài)分配的開銷減少到1字節(jié)/對(duì)象,而池內(nèi)只有16個(gè)條目。但為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),還必須盡可能使用8位或16位數(shù)組索引,而不是指針。游戲中的紋理,比如墻面、地面在游戲過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化,所以它們需要長(zhǎng)時(shí)間保存在RAM中。但實(shí)際游戲中的紋理數(shù)量是非常有限的。因此,單獨(dú)創(chuàng)建了數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)可改變的紋理信息,而其他的靜態(tài)紋理則從外部閃存中讀取。選用的160×128像素的顯示器本來(lái)需要一個(gè)20kB的緩沖區(qū),但Nicola選擇首先計(jì)算并渲染160×96像素的3D場(chǎng)景,將結(jié)果發(fā)送到顯示器。然后再繪制游戲中的狀態(tài)欄,發(fā)送剩余的160×32像素。這樣就節(jié)省了5個(gè)寶貴的KB,卻不影響性能。最后,優(yōu)化中徹底刪除了占用16Kb的復(fù)合紋理渲染模塊。內(nèi)存優(yōu)化達(dá)標(biāo),實(shí)際上是對(duì)CPU進(jìn)行了降頻,此外還禁用了數(shù)據(jù)緩存,但這也造成出了一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題:讀寫速度極其依賴于數(shù)據(jù)接口,而不是實(shí)際的CPU能力。解決辦法是,使用SPI閃存讀取命令來(lái)檢索數(shù)據(jù),而不是使用內(nèi)存映射模式。這款處理器的SPI時(shí)鐘速率被限制在20MHz,外圍總線速度被限制在50MHz,但實(shí)測(cè)后發(fā)現(xiàn)這個(gè)數(shù)字是非常保守的,至少在室溫下超頻到80MHz完全沒(méi)壓力。對(duì)游戲本身搞了“削足適履”式的優(yōu)化,還對(duì)CPU進(jìn)行了極限超頻,《毀滅戰(zhàn)士》硬核跨界的基礎(chǔ)條件終于具備了,接下來(lái)就是硬件DIY部分。
如何攢機(jī)?
怎么攢出這臺(tái)“游戲機(jī)”呢?先規(guī)劃一下大體結(jié)構(gòu):連原理圖都給你畫好了:主角是一只宜家Tradfri GU10 RGB燈泡,確切來(lái)說(shuō)是它的MGM210L模塊。
(高端玩家直接用EFR32MG21射頻微控制器,也不是不行。)第一步拆燈,同時(shí)也要拆分高壓AC-DC電源和RF模塊 DC-DC轉(zhuǎn)換器。由于在輸入電壓過(guò)低時(shí),R25會(huì)使DC-DC轉(zhuǎn)換器關(guān)閉,因此在這里要把R25移除。
接下來(lái),只需將DC-DC和RF板焊接到原型板上,當(dāng)然還需要留出輸入、輸出、接地電線。
然后就來(lái)到了布滿線路的第二塊板。
看著頭大?不用擔(dān)心,開發(fā)者將會(huì)開源這一步的PCB設(shè)計(jì)圖。
這塊板上的組件包括SMD元件、邏輯芯片74HC165和8MB閃存IC。如果想要更高質(zhì)量的音頻,還可以連接一個(gè)低通濾波器。由于空間限制,開發(fā)者在這里只留了一個(gè)2針接頭。鍵盤部分就清爽多了,一目了然:最后,把幾塊板組裝起來(lái),再接上價(jià)格友好的TFT 160×128 SPI顯示器,就可以進(jìn)行編程調(diào)試了。
需要注意的是,改裝后的設(shè)備只支持低于30V的直流電壓供電,不能在交流電源下運(yùn)行。
該設(shè)備可以用任何兼容JLink(JTAG調(diào)試仿真器)的SWD編程器進(jìn)行編程。可以使用Silicon Labs的Simplicity Studio V5,對(duì)GitHub中給出的源代碼進(jìn)行編譯。(如果提示出錯(cuò),忽略即可)然后將設(shè)備通電,設(shè)置為YMODEM上傳模式,這一步完成之后就能進(jìn)入游戲了。
調(diào)試完畢之后,把電路板暴力塞回?zé)糇铩?br>大功告成!
開發(fā)者還表示,實(shí)際顏色其實(shí)要比圖片中好得多。
目前,全部?jī)?yōu)化條目和代碼已經(jīng)開源,直接下載就能使用。參考鏈接:
[1]https://www.youtube.com/watch?v=7ybybf4tJWw
[2]https://next-hack.com/index.php/2021/06/12/lets-port-doom-to-an-ikea-tradfri-lamp/
[3]https://github.com/next-hack/MG21DOOM
[4]https://hackaday.io/project/180182-hacking-an-ikea-trdfri-lamp-to-run-doom
[5]https://news.ycombinator.com/item?id=27498789
[6]https://www.reddit.com/r/programming/comments/nze7lk/doom_running_on_an_ikea_lamp/
[7]https://gamesystemrequirements.com/game/doom
END
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