在32位微控制器中怎樣移植一個(gè)開源游戲

在上世紀(jì)90年代，游戲開始在計(jì)算機(jī)世界中蔓延。我還記得第一次玩Wolfenstein 3D，那是第一款3D的PC射擊游戲。它由IdSoftware于1992年開發(fā)，是Doom的前身。Wolfenstein 3D證明PC的圖形能力已足以滿足這種類型3D動(dòng)畫的開發(fā)。90年代很多十幾歲的年青人都會(huì)記得Wolfenstein 3D，因?yàn)檫@是第一款把3D世界帶到他們PC上的游戲。90年代中期它的源碼在互聯(lián)網(wǎng)上公開，現(xiàn)在還能找到?，F(xiàn)在我想再玩這款游戲，但不是在我的PC上。我將利用一只微控制器的功率和集成度。

　隨著微控制器性能增強(qiáng)，已經(jīng)有可能用它們執(zhí)行一些在90年代還需要PC處理能力的程序，而游戲領(lǐng)域的應(yīng)用受這一進(jìn)展影響很大?，F(xiàn)在可以在某種移動(dòng)應(yīng)用（包含圖形LCD和一個(gè)32位 ARM微控制器）中實(shí)現(xiàn)第一個(gè)PC上的3D游戲。本文將闡述如何將一個(gè)開源PC游戲的代碼移植到一款有適當(dāng)源文件結(jié)構(gòu)的微控制器上。

　　這里需要補(bǔ)充一句：本文并不打算分析Wolfenstein 3D的源碼。很多文章已經(jīng)做過這件事了。本文的目標(biāo)是說明將復(fù)雜代碼移植到新平臺(tái)上的方法。不過，這款游戲的結(jié)構(gòu)做得很好，解釋一下還是很有意思的。事實(shí)上在1992年，Wolfenstein 3D在3D游戲領(lǐng)域是一場(chǎng)革命。它是第一款玩家能在3D場(chǎng)景中自由移動(dòng)的游戲。

　　在此游戲中，圖像與源碼同等重要，因?yàn)樗捎昧舜罅抠N圖和子畫面。這些都采用光線投射（Ray Casting）方法定位在屏幕上，從而給游戲以一種3D效果。光線投射包含了從一個(gè)POV（視點(diǎn)）的投射半徑。并采用了一系列技巧以實(shí)現(xiàn)加速。例如，為了在像素點(diǎn)屏幕上投射一個(gè)半徑，要做一個(gè)空間搜索，以找到該半徑與最近墻上的交匯點(diǎn)。在Wolfenstein 3D中，墻面和貼圖的尺寸都是64 x 64像素（見圖3）。

　　雖然該游戲在當(dāng)時(shí)取得了無比的成功，但它也有一些局限。其中之一是墻的高度全都一樣，它們?nèi)?0°，沒有斜角。這些限制減輕了移植的難度，因?yàn)樗鼈兇碇创a不太復(fù)雜。另一個(gè)限制是地面和天花板沒有貼圖。

　　我會(huì)嘗試在一只較新的32位微控制器上給這款游戲以新的生命。一個(gè)必需的部件是建立一個(gè)控制游戲的應(yīng)用電路板。從用戶角度只有兩個(gè)東西是可見的，一個(gè)240 x 320 TFT彩色屏幕，以及一組讓玩家在Wolfenstein 3D迷宮中穿越的按鍵。另外，微控制器用于屏幕和按鍵管理。由于這種類型屏幕采用一種并行接口（16位寬），需要選擇一種能夠驅(qū)動(dòng)這種屏幕的微控制器?！∪绾胃樌匾浦苍创a？

　　Wolfenstein 3D的源碼相當(dāng)復(fù)雜。源碼越復(fù)雜，控制它就越難。因此，將這個(gè)應(yīng)用移植到一個(gè)新的目標(biāo)上非常困難。在開始以前，重要的是了解用于編寫原應(yīng)用的語言是否為可移植的，而且該語言的的編譯器是否能用于新的目標(biāo)。Wolfenstein 3D采用C語言編寫。C語言有利于移植，因?yàn)樗谖⒖刂破黝I(lǐng)域廣泛可用，市場(chǎng)上現(xiàn)有很多編譯器與調(diào)試器。

　　C語言允許一個(gè)源碼對(duì)多個(gè)目標(biāo)，前提是它采用一種邏輯和清楚的方式編寫。項(xiàng)目源文件的組織是一個(gè)考慮因素。圖4提出了一種方法。

　　圖示的軟件方法將原始源碼與應(yīng)用板使用的物理層分隔開來。移植過程中，原始游戲的源碼必須作少許修改，用到硬件的函數(shù)必須轉(zhuǎn)移（并修改）到“可移植”段。

　　當(dāng)你準(zhǔn)備將一個(gè)程序移植到一個(gè)新的目標(biāo)時(shí)，主要問題是“哪種新目標(biāo)機(jī)能夠執(zhí)行這個(gè)程序？”要理解這個(gè)需求，就需要知道源碼的主要功能，如外設(shè)的類型和數(shù)量，以及內(nèi)存的大?。╓olfenstein 3D需要至少500KB程序空間和96KB RAM空間）。

　　應(yīng)用的核心必須是一只32位微控制器，因?yàn)閃olfenstein 3D的執(zhí)行要求高性能的算術(shù)計(jì)算，用于光線投射方法和刷新屏幕的執(zhí)行速度，8位或16位微控制器無法達(dá)到這種性能水平。另外，為了簡(jiǎn)化電路板布局，需要選擇一款嵌入了程序內(nèi)存（閃存）的微控制器?，F(xiàn)在，市場(chǎng)上存在著大量這類32位微控制器，但ARM處理器是嵌入式應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)處理器。

　　我選擇的是意法半導(dǎo)體公司的STM32，因?yàn)樗捎昧艘粋€(gè)ARM Cortex-M3核心，專為嵌入式應(yīng)用而開發(fā)。請(qǐng)?jiān)试S我介紹這個(gè)STM32 32bit閃存微控制器系列，尤其是STM32F103ZE產(chǎn)品。
STM32F103ZE運(yùn)行頻率最高可達(dá)72MHz，應(yīng)用電源為2.0V至3.6V。它提供512KB閃存和64KB RAM。外存控制（靈活的靜態(tài)內(nèi)存控制，F(xiàn)SMC）可使STM32F10xxx微控制器與各種存儲(chǔ)器接口（SRAM、NOR閃存...）。FSMC有16根數(shù)據(jù)線和26根地址線，可用五根獨(dú)立的片選腳，最多連接64MB內(nèi)存。在Wolfenstein 3D應(yīng)用板上，這個(gè)接口用于驅(qū)動(dòng)TFT顯示器和外接的4MB SRAM高速異步內(nèi)存。鍵盤由通用IO直接驅(qū)動(dòng)。應(yīng)用板為3V工作，采用3只1.2V電池與一只LM317可調(diào)穩(wěn)壓器的組合。

　　意法半導(dǎo)體提供一個(gè)非常有用的軟件庫，它包含很多STM32功能管理實(shí)例。在這次移植中，軟件庫用于編寫TFT顯示器硬件的驅(qū)動(dòng)。圖5表示架構(gòu)需要的項(xiàng)目，Wolfenstein 3D文件夾包含兩個(gè)子文件夾。

　　Appli文件夾包含IDE項(xiàng)目以及硬件驅(qū)動(dòng)源碼，如TFT屏幕。該文件夾包含硬件應(yīng)用板的說明（在我們這里是STM3210E-EVAL），它還包含了STM32庫，用于管理電路板硬件和IDE項(xiàng)目。Wolfenstein 3D的源碼用庫函數(shù)作硬件驅(qū)動(dòng)。

　　“source”文件夾包含了Wolfenstein 3D的原始源碼，源碼中所有指令或函數(shù)都不與應(yīng)用板硬件直接交互，子文件夾“portable”包括用于在游戲原始代碼與代碼執(zhí)行目標(biāo)硬件之間建立連接的函數(shù)。在我們這種情況下，我們還有一個(gè)子文件夾STM3210E-EVAL，這個(gè)文件夾包含調(diào)用應(yīng)用板硬件的函數(shù)?！∽屛覀兛匆幌嘛@示管理的例子。Wolfenstein 3D源碼包含一個(gè)VW_UpdateScreen函數(shù)，這個(gè)函數(shù)根據(jù)內(nèi)部視頻緩沖的內(nèi)容刷新TFT屏幕，于是需要驅(qū)動(dòng)TFT屏幕。因此，它必須在文件夾“portable/STM3210E-EVAL”中定義。VW_UpdateScreen函數(shù)會(huì)調(diào)用在文件夾“appli/ STM3210E-EVAL”中定義的基本函數(shù)（驅(qū)動(dòng)）。

　　文件夾“source/portable/STM3210E-EVAL/”包含與編譯器兼容的類型說明與定義。通過這種方法處理，就能夠?qū)⒁粋€(gè)目標(biāo)的源碼移植到另一個(gè)目標(biāo)，而無需修改復(fù)雜的源文件。舉個(gè)有用的例子，源碼要轉(zhuǎn)換到一個(gè)不同映射的STM32應(yīng)用，它有不同的接口硬件，或編譯器有改變。這時(shí)只需要為新的目標(biāo)更新“appli/STM3210E-EVAL/”和“source/portable/STM3210E-EVAL/”文件夾中的約束文件。結(jié)果在圖6中。它看似90年代的一款口袋機(jī)游戲。

　　采用C編寫的老式PC游戲的源碼現(xiàn)在仍能從互聯(lián)網(wǎng)上獲得。多虧有微控制器的強(qiáng)大性能和LCD顯示器的集成，我們現(xiàn)在還能體驗(yàn)到這些游戲。

Captions: