贾浩楠 胡子豪 发自 凹非寺

量子位 报道 | 公众号 QbitAI
这年头,“万物皆可《毁灭战士》”!(Doom)
极客们把这款猛男必玩的游戏移植到五花八门的设备上,iPod Nano、ATM机、示波器、验孕棒(壳)……
现在连灯泡也可以了?
一位外国全栈野生钢铁侠,直接找来了这只宜家出品的20美元灯泡:
然后Up主买了块小屏幕,经过一番改造,便成了这样:

看完demo,网友直呼
宜家电灯泡已经远超自己当年的PC

更夸张的是,这台机器的微处理器只有108kB内存。

要知道,毁灭战士的最低系统要求也要8MB内存。
甚至有网友还表示新“摩尔定律”诞生:
大约每两年就可以将Doom运行的大小减半。

游戏移植“最跨界”

之前“验孕棒玩《毁灭战士》”大火,国外互联网上疯传。
但是,「全栈野生钢铁侠」Nicola Wrachien看了技术方案以后表示:这个不够硬核。

所谓“验孕棒”玩《毁灭战士》,其实只用了验孕棒的壳,原有的处理器和屏都被换掉了。
钢铁侠Nicola表示,要做就做全套。
而且定下了《毁灭战士》跨界“铁则”
1、必须基于现成的设备,且不是用来玩Doom或一般游戏的。
2、所选择的设备有一个计算能力和/或内存相当有限的微控制器,否则没有挑战性。
3、不能添加额外的微控制器。可以超频,但不能额外加冷却装置。
但如今电子设备大部分的计算能力都相当高,运行Doom不在话下…老哥环顾四周,发现宜家在售的TRÅDFRI Zigbee灯泡不错。
这款灯泡可以实现自由控制明暗、颜色,其中的微控制器,刚好是Nicola Wrachien工作的美国半导体商
芯科科技
的产品。

Cortex M33处理器,96+12kB的RAM(总共108kB),1MB 的闪存,基频80MHz 。
计算能力肯定够了,但毁灭战士的最低系统要求也要8MB内存。
所以,优化RAM成为了最关键的工作。

为了节省RAM,必须牺牲CPU?

Nicola的最低目标,是能在108kB内存上运行《毁灭战士》第一张地图。
随着优化推进,他发现可以将全部全部地图运行时的RAM使用量控制在108kb以内,而且包括动态和静态、堆栈和帧缓冲区。
为此,他进行了15项大大小小的优化,这些工作,构成了这次全栈移植《毁灭战士》到灯泡控制的核心。
首先是对Doom代码本身优化。Doom广泛使用32位,但其实16位或8位指令就足够了。
其次是枚举的使用非常频繁。移植后的Doom没有使用枚举数据类型,而是将数据大小修剪为能存储的最大值。
此外,还减少了画面材质的路径、绘图数、和视觉数。因为最后呈现的显示器像素并不高,所以不会对视觉效果产生负面影响。
还有一点最重要的优化:既然如今已经不采用32位指令,而且内存也小于128k,那么也没有必要再用32位指针了。
游戏中几乎所有的指针都指向4字节对齐的结构,这意味着 16 位指针就足够了。这个策略实际上是为RAM牺牲CPU能力,但处理器0MHz的基频完全没有压力。
此外,其余的优化还包括:
游戏中的对象结构(mobj_t)优化到到92字节,在更复杂的关卡地图上可以省出很多。静态对象,如关卡bonus和装饰品,专门为它们创建了一个静态mobj类型,将内存需求削减到一半(44字节)。在某些关卡中,有超过200个这样的对象。节省了超过30kB的内存。
对象(mobj_t和static_mobj_t)使用了内存池,动态分配的开销减少到1字节/对象,而池内只有16个条目。但为了实现这一点,还必须尽可能使用8位或16位数组索引,而不是指针。
游戏中的纹理,比如墙面、地面在游戏过程中会发生变化,所以它们需要长时间保存在RAM中。但实际游戏中的纹理数量是非常有限的。因此,单独创建了数组来存储可改变的纹理信息,而其他的静态纹理则从外部闪存中读取。
选用的160×128像素的显示器本来需要一个20kB的缓冲区,但Nicola选择首先计算并渲染160×96像素的3D场景,将结果发送到显示器。然后再绘制游戏中的状态栏,发送剩余的160×32像素。这样就节省了5个宝贵的KB,却不影响性能。
最后,优化中彻底删除了占用16Kb的复合纹理渲染模块。
内存优化达标,实际上是对CPU进行了降频,此外还禁用了数据缓存,但这也造成出了一个非常严重的问题:读写速度极其依赖于数据接口,而不是实际的CPU能力。
解决办法是,使用SPI闪存读取命令来检索数据,而不是使用内存映射模式。
这款处理器的SPI时钟速率被限制在20MHz,外围总线速度被限制在50MHz,但实测后发现这个数字是非常保守的,至少在室温下超频到80MHz完全没压力。
对游戏本身搞了“削足适履”式的优化,还对CPU进行了极限超频,《毁灭战士》硬核跨界的基础条件终于具备了,接下来就是硬件DIY部分。

如何攒机?

怎么攒出这台“游戏机”呢?
先规划一下大体结构:
连原理图都给你画好了:

主角是一只宜家Tradfri GU10 RGB灯泡,确切来说是它的
MGM210L模块

(高端玩家直接用EFR32MG21射频微控制器,也不是不行。)
第一步拆灯,同时也要拆分高压AC-DC电源和RF模块+DC-DC转换器。
由于在输入电压过低时,R25会使DC-DC转换器关闭,因此在这里要把
R25移除

接下来,只需将DC-DC和RF板焊接到原型板上,当然还需要留出输入、输出、接地电线。

然后就来到了布满线路的第二块板。

看着头大?不用担心,开发者将会开源这一步的PCB设计图。

这块板上的组件包括SMD元件、逻辑芯片74HC1658MB闪存IC
如果想要更高质量的音频,还可以连接一个低通滤波器。由于空间限制,开发者在这里只留了一个2针接头。
键盘部分就清爽多了,一目了然:
最后,把几块板组装起来,再接上价格友好的TFT 160×128 SPI
显示器
,就可以进行编程调试了。

需要注意的是,改装后的设备只支持低于30V的直流电压供电,不能在交流电源下运行。

该设备可以用任何兼容JLink(JTAG调试仿真器)的SWD编程器进行编程
可以使用Silicon Labs的Simplicity Studio V5,对GitHub中给出的源代码进行编译。(如果提示出错,忽略即可)
然后将设备通电,设置为YMODEM上传模式,这一步完成之后就能进入游戏了。

调试完毕之后,把电路板
暴力
塞回灯座里……

大功告成!

开发者还表示,实际颜色其实要比图片中好得多。

目前,全部优化条目和代码已经开源,直接下载就能使用。
参考链接:

[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

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