Silicon Labs（芯科科技）熱衷于突破嵌入式系統(tǒng)的極限和創(chuàng)新。在先前成功將一款經(jīng)典游戲－雷神之錘（Quake）移植到基于EFR32MG24無(wú)線SoC的Arduino Nano Matter開(kāi)發(fā)板之后，我們迎來(lái)了新的挑戰(zhàn)：將另一款經(jīng)典第一人稱射擊游戲－毀滅公爵3D（Duke Nukem 3D）的完整體驗(yàn)帶到我們的超低功耗平臺(tái)MG24的開(kāi)發(fā)板上，以實(shí)現(xiàn)包括游戲音樂(lè)、多人連線模式等完整的游戲玩法。

為什么選擇毀滅公爵3D

毀滅公爵3D于1996年在Quake之前發(fā)布，是互動(dòng)玩法的里程碑。雖然在圖形上不如Quake先進(jìn)，但它提供了：

可移動(dòng)的墻壁和區(qū)域

與物體交互以及可破壞的環(huán)境

高級(jí)功能：鏡子、安全攝像頭、腳本控制和混響效果

這些特性使它成為一個(gè)完美的參考設(shè)計(jì)，用來(lái)展示嵌入式性能和游戲體驗(yàn)的完整性。

硬件限制與游戲特性

我們希望代碼能運(yùn)行在去年為Quake移植開(kāi)發(fā)的同一款開(kāi)源硬件上，也就是“The Gamepad”，它基于Arduino Nano Matter板，搭載基于芯科科技MG24 SoC的MGM240S無(wú)線模塊。

The Gamepad硬件規(guī)格：

無(wú)外部RAM（僅使用MGM240S內(nèi)部的25kB）

外部閃存用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（最高 64 MB）

320 × 240 像素RGB IPS LCD，帶SD卡讀卡器

立體聲音效

模擬搖桿和16個(gè)按鍵

代碼庫(kù)

我們選擇了Chocolate Duke Nukem 3D，它是Fabien Sanglard的xDuke移植版本的精簡(jiǎn)和注釋版，并支持SDL。SDL支持讓我們可以在Windows上開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，然后再移植到真實(shí)硬件。

我們針對(duì)內(nèi)存和速度進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化，以適應(yīng)256 kB RAM的限制。

內(nèi)存優(yōu)化

原始?xì)绻?D需要8 MB RAM，遠(yuǎn)超我們的硬件條件，因此必須進(jìn)行深入優(yōu)化。主要措施包括：

根據(jù)性能分析和代碼檢查，優(yōu)化結(jié)構(gòu)體字段大小

將關(guān)卡常量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到閃存，減少RAM 占用

創(chuàng)建分配器，僅存儲(chǔ)修改過(guò)的對(duì)象，未修改的對(duì)象直接從閃存讀取

將部分靜態(tài)全局?jǐn)?shù)組移到棧上

重用大型全局緩沖區(qū)（例如在關(guān)卡加載時(shí)重用幀緩沖）

優(yōu)化插值算法

游戲動(dòng)畫(huà)渲染時(shí)，從外部閃存分塊復(fù)制到RAM，再進(jìn)行渲染

腳本文件預(yù)編譯并作為常量數(shù)組存儲(chǔ)在代碼中

攝像機(jī)精靈（顯示安全攝像頭畫(huà)面）臨時(shí)渲染到幀緩沖的狀態(tài)欄區(qū)域，因此每次渲染后必須重新繪制狀態(tài)欄

優(yōu)化聲音引擎，減少冗余RAM 使用

將xDuke 的高級(jí)混響效果替換為原版Duke Nukem 3D 的簡(jiǎn)單混響

速度優(yōu)化

為了提升性能，我們采取了以下策略：

重寫(xiě)部分繪圖例程。原始代碼是高度優(yōu)化的x86 匯編，后來(lái)在xDuke 中通過(guò)自動(dòng)工具轉(zhuǎn)換為C，導(dǎo)致代碼難以理解且性能下降。

由于墻體和精靈是逐列繪制的，我們利用DMA在當(dāng)前列繪制時(shí)從外部閃存加載下一列，實(shí)現(xiàn)加載與渲染并行，減少等待時(shí)間。

基于802.15.4無(wú)線連接的多人模式

我們采用芯科科技的RAIL庫(kù)構(gòu)建了一個(gè)輕量級(jí)協(xié)議：

異步節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：在初始階段，所有節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)隨機(jī)地址，并通過(guò)“問(wèn)候”數(shù)據(jù)包進(jìn)行廣播。一旦其他節(jié)點(diǎn)接收到這些數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)就形成了。

同步的類(lèi)令牌環(huán)通信：當(dāng)所有玩家都確認(rèn)準(zhǔn)備好比賽后，協(xié)議切換到同步模式。在此模式下，地址最小的節(jié)點(diǎn)被選為主節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)每隔25毫秒啟動(dòng)通信，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)（地址次小）廣播其數(shù)據(jù)，然后第三個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送，最后第四個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播自己的數(shù)據(jù)。協(xié)議支持自動(dòng)重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，以確?？煽啃浴?/p>

工具與腳本

我們使用了一個(gè)Python腳本來(lái)轉(zhuǎn)換GRP文件，使其滿足以下要求：

所有MIDI文件轉(zhuǎn)換為T(mén)ype 0格式

VOC文件轉(zhuǎn)換為更易處理的 WAV 格式

GRP文件必須存儲(chǔ)在SD卡中。通過(guò)在開(kāi)機(jī)時(shí)按下特定按鍵組合，文件會(huì)被復(fù)制到外部閃存。Atomic Edition需要2×32MB閃存芯片，而原始版本只需2×16MB芯片。

性能亮點(diǎn)

超頻情況下：30–50 fps

未超頻情況下：18–30 fps

由于引擎更簡(jiǎn)單，DN3D 比Quake更快

結(jié)論

此移植展示了芯科科技MG24無(wú)線SoC的強(qiáng)大性能與靈活性：

在受限硬件上運(yùn)行完整功能的經(jīng)典復(fù)古第一人稱射擊游戲

支持多人模式、音樂(lè)、存檔/讀取以及控制臺(tái)功能

高效的內(nèi)存管理與性能調(diào)優(yōu)

我們希望這能激發(fā)開(kāi)發(fā)者探索嵌入式平臺(tái)的更多可能性——無(wú)論是游戲、可穿戴設(shè)備，還是下一代物聯(lián)網(wǎng)。