魔改宜家燈泡當主機，玩轉《毀滅戰士》無壓力！

賈浩楠 鬍子豪 發自 凹非寺量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

這年頭，「萬物皆可《毀滅戰士》」！（Doom）

極客們把這款猛男必玩的遊戲移植到五花八門的裝置上，iPod Nano、ATM機、示波器、驗孕棒（殼）……

現在連燈泡也可以了？

一位外國全棧野生鋼鐵俠，直接找來了這隻宜家出品的20美元燈泡：

然後Up主買了塊小螢幕，經過一番改造，便成了這樣：

看完demo，網友直呼宜家電燈泡已經遠超自己當年的PC。

更誇張的是，這臺機器的微處理器只有108kB記憶體。

要知道，毀滅戰士的最低系統要求也要8MB記憶體。

甚至有網友還表示新「摩爾定律」誕生：

大約每兩年就可以將Doom運行的大小減半。

遊戲移植「最跨界」

之前「驗孕棒玩《毀滅戰士》」大火，國外網際網路上瘋傳。

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

所謂「驗孕棒」玩《毀滅戰士》，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《毀滅戰士》跨界「鐵則」：

1、必須基於現成的裝置，且不是用來玩Doom或一般遊戲的。2、所選擇的裝置有一個計算能力和/或記憶體相當有限的微控制器，否則沒有挑戰性。3、不能新增額外的微控制器。可以超頻，但不能額外加冷卻裝置。

但如今電子裝置大部分的計算能力都相當高，運行Doom不在話下…老哥環顧四周，發現宜家在售的TRDFRI Zigbee燈泡不錯。

這款燈泡可以實現自由控制明暗、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 的快閃記憶體，基頻80MHz 。

計算能力肯定夠了，但毀滅戰士的最低系統要求也要8MB記憶體。

所以，優化RAM成為了最關鍵的工作。

為了節省RAM，必須犧牲CPU？

Nicola的最低目標，是能在108kB記憶體上運行《毀滅戰士》第一張地圖。

隨著優化推進，他發現可以將全部地圖運行時的RAM使用量控制在108kb以內，而且包括動態和靜態、堆棧和幀緩衝區。

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

首先是對Doom程式碼本身優化。Doom廣泛使用32位，但其實16位或8位指令就足夠了。

其次是列舉的使用非常頻繁。移植後的Doom沒有使用列舉資料類型，而是將資料大小修剪為能儲存的最大值。

此外，還減少了畫面材質的路徑、繪圖數、和視覺數。因為最後呈現的顯示器畫素並不高，所以不會對視覺效果產生負面影響。

還有一點最重要的優化：既然如今已經不採用32位指令，而且記憶體也小於128k，那麼也沒有必要再用32位指針了。

遊戲中幾乎所有的指針都指向4位元組對齊的結構，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，其餘的優化還包括：

遊戲中的物件結構（mobj_t）優化到到92位元組，在更復雜的關卡地圖上可以省出很多。靜態物件，如關卡bonus和裝飾品，專門為它們創建了一個靜態mobj類型，將記憶體需求削減到一半（44位元組）。在某些關卡中，有超過200個這樣的物件。節省了超過30kB的記憶體。物件（mobj_t和static_mobj_t）使用了記憶體池，動態分配的開銷減少到1位元組/物件，而池內只有16個條目。但為了實現這一點，還必須儘可能使用8位或16位陣列索引，而不是指針。遊戲中的紋理，比如牆面、地面在遊戲過程中會發生變化，所以它們需要長時間儲存在RAM中。但實際遊戲中的紋理數量是非常有限的。因此，單獨創建了陣列來儲存可改變的紋理資訊，而其他的靜態紋理則從外部快閃記憶體中讀取。選用的160×128畫素的顯示器本來需要一個20kB的緩衝區，但Nicola選擇首先計算並渲染160×96畫素的3D場景，將結果傳送到顯示器。然後再繪製遊戲中的狀態列，傳送剩餘的160×32畫素。這樣就節省了5個寶貴的KB，卻不影響效能。最後，優化中徹底刪除了佔用16Kb的複合紋理渲染模組。

記憶體優化達標，實際上是對CPU進行了降頻，此外還禁用了資料快取，但這也造成出了一個非常嚴重的問題：讀寫速度極其依賴於資料介面，而不是實際的CPU能力。

解決辦法是，使用SPI快閃記憶體讀取命令來檢索資料，而不是使用記憶體對映模式。

這款處理器的SPI時鐘速率被限制在20MHz，外圍匯流排速度被限制在50MHz，但實測後發現這個數字是非常保守的，至少在室溫下超頻到80MHz完全沒壓力。

對遊戲本身搞了「削足適履」式的優化，還對CPU進行了極限超頻，《毀滅戰士》硬核跨界的基礎條件終於具備了，接下來就是硬體DIY部分。

如何攢機？

怎麼攢出這臺「遊戲機」呢？

先規劃一下大體結構：

連原理圖都給你畫好了：

主角是一隻宜家Tradfri GU10 RGB燈泡，確切來說是它的MGM210L模組。

（高階玩家直接用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模組+DC-DC轉換器。

由於在輸入電壓過低時，R25會使DC-DC轉換器關閉，因此在這裡要把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。

然後就來到了佈滿線路的第二塊板。

看著頭大？不用擔心，開發者將會開源這一步的PCB設計圖。

這塊板上的元件包括SMD元件、邏輯晶片74HC165和8MB快閃記憶體IC。

如果想要更高質量的音訊，還可以連線一個低通濾波器。由於空間限制，開發者在這裡只留了一個2針接頭。

鍵盤部分就清爽多了，一目瞭然：

最後，把幾塊板組裝起來，再接上價格友好的TFT 160×128 SPI顯示器，就可以進行程式設計偵錯了。

需要注意的是，改裝後的裝置只支援低於30V的直流電壓供電，不能在交流電源下運行。

該裝置可以用任何相容JLink（JTAG偵錯模擬器）的SWD程式設計器進行程式設計。

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

然後將裝置通電，設定為YMODEM上傳模式，這一步完成之後就能進入遊戲了。

偵錯完畢之後，把電路板暴力塞回燈座裡……

大功告成！

開發者還表示，實際顏色其實要比圖片中好得多。

目前，全部優化條目和程式碼已經開源，直接下載就能使用。

參考連結：

[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