如何将一个开源游戏移植给一款32位微控制器
2010-12-18 10:59:16
来源：《半导体器件应用》2009年10月刊
随着微控制器性能增强，已经有可能用它们执行一些在90年代还需要PC处理能力的程序，而游戏领域的应用受这一进展影响很大。现在可以在某种移动应用（包含图形LCD和一个32位ARM微控制器）中实现第一个PC上的3D游戏。本文将阐述如何将一个开源PC游戏的代码移植到一款有适当源文件结构的微控制器上。
在上世纪90年代，游戏开始在计算机世界中蔓延。我第一次玩Wolfenstein 3D，是第一款3D的PC射击游戏。它由IdSoftware于1992年开发，是Doom的前身。Wolfenstein 3D证明PC的图形能力已足以满足这种类型3D动画的开发。90年代很多十几岁的年青人都会记得Wolfenstein 3D，因为这是第一款把3D世界带到他们PC上的游戏。90年代中期它的源码在互联网上公开，现在还能找到。现在我想再玩这款游戏，但不是在我的PC上。我将利用一只微控制器的功率和集成度。
这里需要指出：本文并不分析Wolfenstein 3D的源码，很多文章已经做过这件事。本文的目标是说明将复杂代码移植到新平台上的方法。不过，这款游戏的结构做得很好，解释一下还是很有意思的。事实上在1992年，Wolfenstein 3D在3D游戏领域是一场革命。它是第一款玩家能在3D场景中自由移动的游戏。
在此游戏中，图像与源码同等重要，因为它采用了大量贴图和子画面。这些都采用光线投射（Ray Casting）方法定位在屏幕上，从而给游戏以一种3D效果。光线投射包含了从一个POV（视点）的投射半径。并采用了一系列技巧以实现加速。例如，为了在像素点屏幕上投射一个半径，要做一个空间搜索，以找到该半径与最近墙上的交汇点。在Wolfenstein 3D中，墙面和贴图的尺寸都是64×64像素（见图3）。
虽然该游戏在当时取得了无比的成功，但它也有一些局限。其中之一是墙的高度全都一样，它们全是90°，没有斜角。这些限制减轻了移植的难度，因为它们代表着源码不太复杂。另一个限制是地面和天花板没有贴图。
我会尝试在一只较新的32位微控制器上给这款游戏以新的生命。一个必需的部件是建立一个控制游戏的应用电路板。从用户角度只有两个东西是可见的，一个240×320 TFT彩色屏幕，以及一组让玩家在Wolfenstein 3D迷宫中穿越的按键。另外，微控制器用于屏幕和按键管理。由于这种类型屏幕采用一种并行接口（16位宽），需要选择一种能够驱动这种屏幕的微控制器。
如何更顺利地移植源码？
Wolfenstein 3D的源码相当复杂。源码越复杂，控制它就越难。因此，将这个应用移植到一个新的目标上非常困难。在开始以前，重要的是了解用于编写原应用的语言是否为可移植的，而且该语言的的编译器是否能用于新的目标。Wolfenstein 3D采用C语言编写。C语言有利于移植，因为它在微控制器领域广泛可用，市场上现有很多编译器与调试器。
C语言允许一个源码对多个目标，前提是它采用一种逻辑和清楚的方式编写。项目源文件的组织是一个考虑因素。图4提出了一种方法。
图示的软件方法将原始源码与应用板使用的物理层分隔开来。移植过程中，原始游戏的源码必须作少许修改，用到硬件的函数必须转移（并修改）到“可移植”段。
当准备将一个程序移植到一个新的目标时，主要问题是“哪种新目标机能够执行这个程序？”要理解这个需求，就需要知道源码的主要功能，如外设的类型和数量，以及内存的大小（Wolfenstein 3D需要至少500KB程序空间和96KB RAM空间）。
应用的核心必须是一只32位微控制器，因为Wolfenstein 3D的执行要求高性能的算术计算，用于光线投射方法和刷新屏幕的执行速度，8位或16位微控制器无法达到这种性能水平。另外，为了简化电路板布局，需要选择一款嵌入了程序内存（闪存）的微控制器。现在，市场上存在着大量这类32位微控制器，但ARM处理器是嵌入式应用的标准处理器。
本文选择的是意法半导体公司的STM32，因为它采用了一个ARM Cortex-M3核心，专为嵌入式应用而开发。以下我介绍这个STM32 32bit闪存微控制器系列，尤其是STM32F103ZE产品。
STM32F103ZE运行频率最高可达72MHz，应用电源为2.0V至3.6V。它提供512KB闪存和64KB RAM。外存控制（灵活的静态内存控制，FSMC）可使STM32F10xxx微控制器与各种存储器接口（SRAM、NOR闪存...）。FSMC有16根数据线和26根地址线，可用五根独立的片选脚，最多连接64MB内存。在Wolfenstein 3D应用板上，这个接口用于驱动TFT显示器和外接的4MB SRAM高速异步内存。键盘由通用IO直接驱动。应用板为3V工作，采用3只1.2V电池与一只LM317可调稳压器的组合。
意法半导体提供一个非常有用的软件库，它包含很多STM32功能管理实例。在这次移植中，软件库用于编写TFT显示器硬件的驱动。图5表示架构需要的项目，Wolfenstein 3D文件夹包含两个子文件夹。
Appli文件夹包含IDE项目以及硬件驱动源码，如TFT屏幕。该文件夹包含硬件应用板的说明（在我们这里是STM3210E-EVAL），它还包含了STM32库，用于管理电路板硬件和IDE项目。Wolfenstein 3D的源码用库函数作硬件驱动。
在上世纪90年代，游戏开始在计算机世界中蔓延。我第一次玩Wolfenstein 3D，是第一款3D的PC射击游戏。它由IdSoftware于1992年开发，是Doom的前身。Wolfenstein 3D证明PC的图形能力已足以满足这种类型3D动画的开发。90年代很多十几岁的年青人都会记得Wolfenstein 3D，因为这是第一款把3D世界带到他们PC上的游戏。90年代中期它的源码在互联网上公开，现在还能找到。现在我想再玩这款游戏，但不是在我的PC上。我将利用一只微控制器的功率和集成度。
这里需要指出：本文并不分析Wolfenstein 3D的源码，很多文章已经做过这件事。本文的目标是说明将复杂代码移植到新平台上的方法。不过，这款游戏的结构做得很好，解释一下还是很有意思的。事实上在1992年，Wolfenstein 3D在3D游戏领域是一场革命。它是第一款玩家能在3D场景中自由移动的游戏。
在此游戏中，图像与源码同等重要，因为它采用了大量贴图和子画面。这些都采用光线投射（Ray Casting）方法定位在屏幕上，从而给游戏以一种3D效果。光线投射包含了从一个POV（视点）的投射半径。并采用了一系列技巧以实现加速。例如，为了在像素点屏幕上投射一个半径，要做一个空间搜索，以找到该半径与最近墙上的交汇点。在Wolfenstein 3D中，墙面和贴图的尺寸都是64×64像素（见图3）。
虽然该游戏在当时取得了无比的成功，但它也有一些局限。其中之一是墙的高度全都一样，它们全是90°，没有斜角。这些限制减轻了移植的难度，因为它们代表着源码不太复杂。另一个限制是地面和天花板没有贴图。
我会尝试在一只较新的32位微控制器上给这款游戏以新的生命。一个必需的部件是建立一个控制游戏的应用电路板。从用户角度只有两个东西是可见的，一个240×320 TFT彩色屏幕，以及一组让玩家在Wolfenstein 3D迷宫中穿越的按键。另外，微控制器用于屏幕和按键管理。由于这种类型屏幕采用一种并行接口（16位宽），需要选择一种能够驱动这种屏幕的微控制器。
如何更顺利地移植源码？
Wolfenstein 3D的源码相当复杂。源码越复杂，控制它就越难。因此，将这个应用移植到一个新的目标上非常困难。在开始以前，重要的是了解用于编写原应用的语言是否为可移植的，而且该语言的的编译器是否能用于新的目标。Wolfenstein 3D采用C语言编写。C语言有利于移植，因为它在微控制器领域广泛可用，市场上现有很多编译器与调试器。
C语言允许一个源码对多个目标，前提是它采用一种逻辑和清楚的方式编写。项目源文件的组织是一个考虑因素。图4提出了一种方法。
图示的软件方法将原始源码与应用板使用的物理层分隔开来。移植过程中，原始游戏的源码必须作少许修改，用到硬件的函数必须转移（并修改）到“可移植”段。
当准备将一个程序移植到一个新的目标时，主要问题是“哪种新目标机能够执行这个程序？”要理解这个需求，就需要知道源码的主要功能，如外设的类型和数量，以及内存的大小（Wolfenstein 3D需要至少500KB程序空间和96KB RAM空间）。
应用的核心必须是一只32位微控制器，因为Wolfenstein 3D的执行要求高性能的算术计算，用于光线投射方法和刷新屏幕的执行速度，8位或16位微控制器无法达到这种性能水平。另外，为了简化电路板布局，需要选择一款嵌入了程序内存（闪存）的微控制器。现在，市场上存在着大量这类32位微控制器，但ARM处理器是嵌入式应用的标准处理器。
本文选择的是意法半导体公司的STM32，因为它采用了一个ARM Cortex-M3核心，专为嵌入式应用而开发。以下我介绍这个STM32 32bit闪存微控制器系列，尤其是STM32F103ZE产品。
STM32F103ZE运行频率最高可达72MHz，应用电源为2.0V至3.6V。它提供512KB闪存和64KB RAM。外存控制（灵活的静态内存控制，FSMC）可使STM32F10xxx微控制器与各种存储器接口（SRAM、NOR闪存...）。FSMC有16根数据线和26根地址线，可用五根独立的片选脚，最多连接64MB内存。在Wolfenstein 3D应用板上，这个接口用于驱动TFT显示器和外接的4MB SRAM高速异步内存。键盘由通用IO直接驱动。应用板为3V工作，采用3只1.2V电池与一只LM317可调稳压器的组合。
意法半导体提供一个非常有用的软件库，它包含很多STM32功能管理实例。在这次移植中，软件库用于编写TFT显示器硬件的驱动。图5表示架构需要的项目，Wolfenstein 3D文件夹包含两个子文件夹。
Appli文件夹包含IDE项目以及硬件驱动源码，如TFT屏幕。该文件夹包含硬件应用板的说明（在我们这里是STM3210E-EVAL），它还包含了STM32库，用于管理电路板硬件和IDE项目。Wolfenstein 3D的源码用库函数作硬件驱动。
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