硬核魔改! 宜家燈泡當(dāng)主機(jī), 能玩

來源 | 量子位(公眾號(hào)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(shè)備上，iPod Nano、ATM機(jī)、示波器、驗(yàn)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(jīng)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(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：

大約每兩年就可以將Doom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200個(gè)這樣的對(duì)象。節(jié)省了超過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、地面在游戲過程中會(huì)發(fā)生變化，所以它們需要長時(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(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，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，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，全部優(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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