硬核魔改! 宜家灯泡当主机, 能玩

来源 | 量子位(公众号ID: 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74HC165和8MB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

END

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