硬核魔改!?宜家燈泡當主機,?能玩

來源 | 量子位(公眾號ID: QbitAI)

這年頭，“萬物皆可《毀滅戰(zhàn)士》”！（Doom）

極客們把這款猛男必玩的游戲移植到五花八門的設備上，iPod Nano、ATM機、示波器、驗孕棒（殼）……

現(xiàn)在連燈泡也可以了？

一位外國全棧野生鋼鐵俠，直接找來了這只宜家出品的20美元燈泡：

然后Up主買了塊小屏幕，經過一番改造，便成了這樣：

看完demo，網(wǎng)友直呼宜家電燈泡已經遠超自己當年的PC。

更夸張的是，這臺機器的微處理器只有108kB內存。

要知道，毀滅戰(zhàn)士的最低系統(tǒng)要求也要8MB內存。

甚至有網(wǎng)友還表示新“摩爾定律”誕生：

大約每兩年就可以將Doom運行的大小減半。

游戲移植“最跨界”

之前“驗孕棒玩《毀滅戰(zhàn)士》”大火，國外互聯(lián)網(wǎng)上瘋傳。

但是，「全棧野生鋼鐵俠」Nicola Wrachien看了技術方案以后表示：這個不夠硬核。

所謂“驗孕棒”玩《毀滅戰(zhàn)士》，其實只用了驗孕棒的殼，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)成的設備，且不是用來玩Doom或一般游戲的。

2、所選擇的設備有一個計算能力和/或內存相當有限的微控制器，否則沒有挑戰(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。

但如今電子設備大部分的計算能力都相當高，運行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。

這款燈泡可以實現(xiàn)自由控制明暗、顏色，其中的微控制器，剛好是Nicola Wrachien工作的美國半導體商芯科科技的產品。

Cortex M33處理器，96 12kB的RAM（總共108kB），1MB 的閃存，基頻80MHz 。

計算能力肯定夠了，但毀滅戰(zhàn)士的最低系統(tǒng)要求也要8MB內存。

所以，優(yōu)化RAM成為了最關鍵的工作。

為了節(jié)省RAM，必須犧牲CPU？

Nicola的最低目標，是能在108kB內存上運行《毀滅戰(zhàn)士》第一張地圖。

隨著優(yōu)化推進，他發(fā)現(xiàn)可以將全部全部地圖運行時的RAM使用量控制在108kb以內，而且包括動態(tài)和靜態(tài)、堆棧和幀緩沖區(qū)。

為此，他進行了15項大大小小的優(yōu)化，這些工作，構成了這次全棧移植《毀滅戰(zhàn)士》到燈泡控制的核心。

首先是對Doom代碼本身優(yōu)化。Doom廣泛使用32位，但其實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)大小修剪為能存儲的最大值。

此外，還減少了畫面材質的路徑、繪圖數(shù)、和視覺數(shù)。因為最后呈現(xiàn)的顯示器像素并不高，所以不會對視覺效果產生負面影響。

還有一點最重要的優(yōu)化：既然如今已經不采用32位指令，而且內存也小于128k，那么也沒有必要再用32位指針了。

游戲中幾乎所有的指針都指向4字節(jié)對齊的結構，這意味著 16 位指針就足夠了。這個策略實際上是為RAM犧牲CPU能力，但處理器0MHz的基頻完全沒有壓力。

此外，其余的優(yōu)化還包括：

游戲中的對象結構（mobj_t）優(yōu)化到到92字節(jié)，在更復雜的關卡地圖上可以省出很多。靜態(tài)對象，如關卡bonus和裝飾品，專門為它們創(chuàng)建了一個靜態(tài)mobj類型，將內存需求削減到一半（44字節(jié)）。在某些關卡中，有超過200個這樣的對象。節(jié)省了超過30kB的內存。

對象（mobj_t和static_mobj_t）使用了內存池，動態(tài)分配的開銷減少到1字節(jié)/對象，而池內只有16個條目。但為了實現(xiàn)這一點，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、地面在游戲過程中會發(fā)生變化，所以它們需要長時間保存在RAM中。但實際游戲中的紋理數(shù)量是非常有限的。因此，單獨創(chuàng)建了數(shù)組來存儲可改變的紋理信息，而其他的靜態(tài)紋理則從外部閃存中讀取。

選用的160×128像素的顯示器本來需要一個20kB的緩沖區(qū)，但Nicola選擇首先計算并渲染160×96像素的3D場景，將結果發(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的復合紋理渲染模塊。

內存優(yōu)化達標，實際上是對CPU進行了降頻，此外還禁用了數(shù)據(jù)緩存，但這也造成出了一個非常嚴重的問題：讀寫速度極其依賴于數(shù)據(jù)接口，而不是實際的CPU能力。

解決辦法是，使用SPI閃存讀取命令來檢索數(shù)據(jù)，而不是使用內存映射模式。

這款處理器的SPI時鐘速率被限制在20MHz，外圍總線速度被限制在50MHz，但實測后發(fā)現(xiàn)這個數(shù)字是非常保守的，至少在室溫下超頻到80MHz完全沒壓力。

對游戲本身搞了“削足適履”式的優(yōu)化，還對CPU進行了極限超頻，《毀滅戰(zhàn)士》硬核跨界的基礎條件終于具備了，接下來就是硬件DIY部分。

如何攢機？

怎么攢出這臺“游戲機”呢？

先規(guī)劃一下大體結構：

連原理圖都給你畫好了：

主角是一只宜家Tradfri GU10 RGB燈泡，確切來說是它的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，同時也要拆分高壓AC-DC電源和RF模塊 DC-DC轉換器。

由于在輸入電壓過低時，R25會使DC-DC轉換器關閉，因此在這里要把R25移除。

接下來，只需將DC-DC和RF板焊接到原型板上，當然還需要留出輸入、輸出、接地電線。

然后就來到了布滿線路的第二塊板。

看著頭大？不用擔心，開發(fā)者將會開源這一步的PCB設計圖。

這塊板上的組件包括SMD元件、邏輯芯片74HC165和8MB閃存IC。

如果想要更高質量的音頻，還可以連接一個低通濾波器。由于空間限制，開發(fā)者在這里只留了一個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，再接上價格友好的TFT 160×128 SPI顯示器，就可以進行編程調試了。

需要注意的是，改裝后的設備只支持低于30V的直流電壓供電，不能在交流電源下運行。

該設備可以用任何兼容JLink（JTAG調試仿真器）的SWD編程器進行編程。

可以使用Silicon Labs的Simplicity Studio V5，對GitHub中給出的源代碼進行編譯。（如果提示出錯，忽略即可）

然后將設備通電，設置為YMODEM上傳模式，這一步完成之后就能進入游戲了。

調試完畢之后，把電路板暴力塞回燈座里……

大功告成！

開發(fā)者還表示，實際顏色其實要比圖片中好得多。

目前，全部優(yōu)化條目和代碼已經開源，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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