基于STM32设计的掌上游戏机(运行NES游戏模拟器)详细开发过程

只看该作者 · 2021-9-13 10:01

一、环境与硬件介绍

开发环境：keil5

代码风格: 寄存器风格，没有采用库函数，底层代码全部寄存器方式编写，运行效率高，注释清楚。

MCU型号: STM32F103ZET6

开发板: 正常的一块STM32开发板，带LCD插槽，带4颗独立按键。

游戏模拟器: NES游戏模拟器

LCD : ALIENTEK的3.5寸屏幕。（屏幕型号不重要，随便一款都可以的，把屏幕底层驱动代码写好，适配即可）

声音输出设备：采用VS1053 （SPI接口，操作方便）

游戏手柄：支持FC游戏手柄

完成这个掌上游戏机需要使用的硬件设备不复杂，如果想要体验游戏，需要的必备硬件：

1. （必要）STM32F103系列最小系统版一个

2. （必要）LCD屏一块。 2.8寸就可以了，价格便宜。

3. （非必要）FC游戏手柄一个，驱动时序很简单（后面有单独章节介绍），支持组合键，玩游戏体验感非常好。

如果不用FC游戏手柄，使用开发板几个独立按键也行，只是手感不好。

4. （非必要）VS1053或者其他系列声卡模块一个，游戏是有声音的，要完美的体验游戏声卡肯定是要的，不要也可以玩，只是没有声音而已。VS1053模块支持SPI接口控制，时序简单，驱动代码也不复杂，资料比较多，学起来，理解起来很容易。

5. （非必要）SD卡一张。主要存储NES游戏文件，可以动态加载想要玩的游戏，切换比较方便。

如果没有SD卡，也想体验也可以，直接把游戏取模成二进制放在数组里存放到STM32的FLASH里即可，STM32F103ZET6有512K的FLASH，存放一个游戏完全够用，加载速度更加快。

6. （非必要） SRAM外部扩展内存，如果不需要从SD里加载游戏，就不需要外部内存；如果使用SD卡加载游戏，就需要把游戏数据从SD卡里读取出来，然后放在SRAM外部扩展内存芯片里。因为STM32F103ZET6本身只有64K内存,放不下。

游戏体验：

STM32可以超频到128M，运行起来还是非常流畅，玩起来的感觉和正常的FC游戏机是一样的，没有卡顿，延迟。

游戏模拟器移植的是NES模拟器，开发过程中，代码编写了3个版本：

版本1：精简版的掌上游戏机，最适合学习，代码牵扯很少，只有外设硬件只用到了LCD而已，最适合学习，理解代码运行原理；不支持声音输出，不支持FC游戏手柄，不支持SD卡和文件系统（也就是不支持从SD卡上选择游戏加载）。这个版本的游戏是直接使用数组存放在代码里的，游戏的操作是通过开发板上的4个按键控制（开发板的4个按键，分别控制角色的前进、后退、暂停、跳跃），因为只有4个按键，没有支持组合按键，所以体验起来不是很舒服，控制比较困难，完美体验还是要继续加上FC游戏手柄。

版本2：这也是精简版的掌上游戏机，在版本1的基础之上加了VS1053模块，支持声音输出，体验感要好一点，能听到游戏声音。

版本3：这是完整版本的掌上游戏机，加入了FC游戏手柄支持，加入了VS1053声卡驱动，加入了SD卡和FATFS文件系统，可以正常从SD卡加载指定的游戏运行，体验非常好。

3个版本的源代码和NES的游戏集合，在下面的第3章有下载地址。

二、游戏运行效果(超级玛丽示例)

三、什么是NES ?

NES就是红白机的游戏，所谓的NES意思是欧美版的红白机，FC的美版，Nintendo entertainment system(任天堂娱乐系统)，而日本的红白机则叫family computer(FC)。

发展历史-来至百度百科

1983年7月15日，由日本任天堂株式会社（原本是生产日式****即“花札”）的宫本茂先生领导开发的一种第三代家用电子游戏机：FC，全称：Family Computer，也称作：Famicom；在日本以外的地区发售时则被称为NES，全称：Nintendo Entertainment System；在中国大陆、台湾和香港等地，因其外壳为红白两色，所以人们俗称其为“红白机”，正式进入市场销售，并于后来取得了巨大成功，由此揭开了家用电子游戏机遍布世界任何角落，电子游戏全球大普及的序幕。

1985年，NES在北美地区的销量3300万台，比日本地区高出近一倍，也占据了其全球市场份额的一半。 NES在北美首发时的捆绑游戏《打鸭子》(Duck hunt)总共取得近3000万套（基本全部来自北美市场）销量， [6] 这在红白机游戏中名列第二，仅次于《超级马力欧》。

1986年，任天堂在美国收3.1亿美元，这一年美国游戏产业的规模4.3亿美元，而在一年前，深陷雅达利冲击的美国游戏业的收入仅1亿美元。 [7] 1988年发售的《超级马力欧兄弟3》（Super Mario Bros. 3）在美国售出700万套，在日本销量达400万，销售额5.5亿美元。

1989年，任天堂的游戏机已占领美国90%和日本95%的市场，任天堂成为游戏界巨无霸。

2003年7月，FC发售二十周年，任天堂宣布FC游戏机正式停产。至此，FC全世界已累计销售6000万部以上。至今中国大陆、台湾、香港与泰国甚至日本等地仍然在制造FC规格的兼容品。

任天堂成为了现代游戏产业的开创者，在很多方面上确立了现代电子游戏的标准。

FC巨大成功使任天堂年纯利从1985年开始一直保持5亿美元以上，其股****成为东京证券交易所绩优股代名词，一度超越了3万日元，市值超松下等企业，很多人都把任天堂成功誉为新时代商业神话。

任天堂红白机(FC/NES)发行于1983年，在日本发行之后引起了不小的轰动，两年之后进军北美市场，更加奠定了任天堂的家用游戏机霸主地位。当人们正需要一个高品质的家用游戏机的时候，任天堂拿出了他们的全部家当，首发的数款游戏都赢得了玩家的赞誉，超级马力欧更成为了永远的经典。在那个年代，拥有一台红白机应该是孩子们最大的梦想了。根据外媒的数据，在1990年30%的美国家庭都拥有NES主机。

四、工程源码分析: 以精简版本(1)为例

工程源码全部采用寄存器代码风格，基本上每行都有详细的注释；虽然STM32支持库函数方式开发，效率更加快，但是寄存器方式可以更方便了解CPU底层寄存器的一些配置，对以后在学习使用其他类型的微处理器是非常有帮助的。

4.1 工程文件布局

4.2 主函数代码

主函数里完成LCD屏幕初始化，按键初始化，LED灯初始化，串口初始化，FC游戏手柄初始化，默认把LCD屏幕清屏为黑色。

LCD屏采用FSMC驱动的，把FSMC时序速度配置到最快，达到STM32能支持的最快速度，提高LCD刷屏速度。

初始化完毕最后，调用了LoadNes函数，完成游戏加载；如果加载失败，就回到下面执行while循环，闪烁LED灯。

代码如下：

view plaincopy to clipboardprint?

#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "lcd.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "usart.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include "joypad.h"
extern u8 LoadNes(u8* pname,u32);
//游戏文件可以通过winhex文件生成C源码数组
extern const unsigned char nes_data1[40976];//超级玛丽游戏的文件
extern const unsigned char nes_data2[262160];//魂斗罗游戏的文件
/*
移植说明：
1. 加入游戏手柄
2. 优化了游戏刷新的帧率
3. 加入开发板本身自带按键控制
*/
int main()
{
BeepInit(); //蜂鸣器初始化
LedInit(); //LED灯初始化
UsartInit(USART1,72,115200);
KeyInit(); //按键初始化
printf("串口工作正常!\r\n");
LcdInit(); //LCD初始化
//JoypadInit(); //游戏手柄初始化
LcdClear(0xFFFF);
/*
0000 0000：保留
0000 0001： DATAST保持时间=2个HCLK时钟周期
0000 0010： DATAST保持时间=3个HCLK时钟周期
……
1111 1111： DATAST保持时间=256个HCLK时钟周期(这是复位后的默认数值)
0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14
*/
LcdClear(0);
//开始运行游戏
LoadNes((unsigned char*)nes_data1,40976); //超级玛丽
//LoadNes((unsigned char*)nes_data2,262160); //魂斗罗
while(1)
{
LED1=!LED1;
DelayMs(400);
}
}

4.3 加载NES游戏:LoadNes函数介绍

LoadNes函数原型：

view plaincopy to clipboardprint?

u8 LoadNes(unsigned char* pname,u32 size)

该函数传入NES游戏数据地址，和游戏数据大小进来。

现在这个版本没有使用SD卡和文件系统，游戏的文件数据是直接加到代码里编译的。

这两个数组是超级玛丽和魂斗罗的数据。（直接使用打开文件，使用WinHEX软件打开，全选，右键编辑，选择复制，选择C源码，复制成数组形式粘贴到keil里即可）

函数里面主要完成了NES模拟器基本的初始化。

主要完成了STM32超频配置，配置锁相环为16倍，超频到128MHZ。

超频配置代码如下：

view plaincopy to clipboardprint?

/*
函数功能：频率设置
参数：PLL,倍频数
*/
void NesClockSet(u8 PLL)
{
u8 temp=0;
RCC->CFGR&=0XFFFFFFFC;//修改时钟频率为内部8M
RCC->CR&=~0x01000000; //PLLOFF
RCC->CFGR&=~(0XF<<18);//清空原来的设置
PLL-=2;//抵消2个单位
RCC->CFGR|=PLL<<18; //设置PLL值 2~16
RCC->CFGR|=1<<16; //PLLSRC ON
FLASH->ACR|=0x12; //FLASH 2个延时周期
RCC->CR|=0x01000000; //PLLON
while(!(RCC->CR>>25));//等待PLL锁定
RCC->CFGR|=0x02; //PLL作为系统时钟
while(temp!=0x02) //等待PLL作为系统时钟设置成功
{
temp=RCC->CFGR>>2;
temp&=0x03;
}
}

接下来初始化NES游戏模拟器的必要参数，最后调用NesEmulateFrame函数进入NES游戏主循环代码，开始运行游戏。

LoadNes函数完整代码如下：

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/*
函数功能：开始nes游戏
参数：pname:nes游戏路径 u32 size 游戏大小
返回值：
0,正常退出
1,内存错误
2,文件错误
3,不支持的map
*/
u8 LoadNes(unsigned char* pname,u32 size)
{
u8 res=0;
res=NesSramMalloc();//申请内存
romfile=(u8*)pname; //游戏源码地址
NESrom_crc32=get_crc32(romfile+16,size-16);//获取CRC32的值
res=LoadNesRom();//加载ROM
printf("res=%d\r\n",res);
NesClockSet(16); //设置系统时钟为128MHZ 16*8
JoypadInit(); //游戏手柄初始化
cpu6502_init();//初始化6502,并复位
Mapper_Init();//map初始化
PPU_reset();//ppu复位
apu_init(); //apu初始化
NesEmulateFrame(); //进入NES模拟器主循环
return res;
}

4.4 NES游戏主循环代码

详细代码如下：

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//nes模拟器主循环
void NesEmulateFrame(void)
{
u8 nes_frame;
NesSetWindow();//设置窗口
while(1)
{
// LINES 0-239
PPU_start_frame();
for(NES_scanline = 0; NES_scanline< 240; NES_scanline++)
{
run6502(113*256);
NES_Mapper->HSync(NES_scanline);
//扫描一行
if(nes_frame==0)scanline_draw(NES_scanline);
else do_scanline_and_dont_draw(NES_scanline);
}
NES_scanline=240;
run6502(113*256);//运行1线
NES_Mapper->HSync(NES_scanline);
start_vblank();
if(NMI_enabled())
{
cpunmi=1;
run6502(7*256);//运行中断
}
NES_Mapper->VSync();
// LINES 242-261
for(NES_scanline=241;NES_scanline<262;NES_scanline++)
{
run6502(113*256);
NES_Mapper->HSync(NES_scanline);
}
end_vblank();
NesGetGamepadval();//每3帧读取游戏手柄数据
nes_frame++;
if(nes_frame>NES_SKIP_FRAME)
{
nes_frame=0;//跳帧
}
}
}

进来就先调用了NesSetWindow(void)函数，设置窗口大小，这里面就调用了LCD的接口，如果是其他的LCD屏，使用本代码只需要把这里适配一下即可。

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u8 nes_xoff=0;//显示在x轴方向的偏移量(实际显示宽度=256-2*nes_xoff)
//设置游戏显示窗口
void NesSetWindow(void)
{
u16 lcdwidth,lcdheight;
lcdwidth=256;
lcdheight=240;
nes_xoff=0;
LcdSetWindow(32,0,lcdwidth,lcdheight);
LcdWriteRAM_Prepare();//写入LCD RAM的准备
}

接下来就进入到NES游戏的主循环代码，开始循环一帧一帧的刷出图像数据，达到游戏的效果。

设置窗口大小之后，下面就是从NES游戏数据文件里取出颜色数据，然后for循环一行一行刷屏即可。

上面的设置窗口大小的代码其实并不是必要的，只是当前使用的LCD支持坐标自增（一般LCD都支持的），设置LCD的窗口范围之后，连续给LCD写数据，LCD的坐标会自动自增，提高刷屏效率而已。如果你的LCD屏并不支持坐标自增或者你不会写代码，也想移植，那完全不用设置窗口那个函数，你只需要提供一个画点函数，把for循环里的刷屏代码里行扫描改掉就行。

函数里的这个for循环就是主要刷出图像的代码，如果想要移植到其他LCD屏，主要就改这里，示例代码如下：

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for(NES_scanline = 0; NES_scanline< 240; NES_scanline++)
{
run6502(113*256);
NES_Mapper->HSync(NES_scanline);
//扫描一行
if(nes_frame==0)scanline_draw(NES_scanline);
else do_scanline_and_dont_draw(NES_scanline);
}

里面调用scanline_draw函数是按行扫描（也就是一行一行绘制图像），scanline_draw函数里面也是一个for循环，细化到每个像素点，按照每个像素点绘制到屏幕上，代码里的LCD_RAM就是当前LCD屏的地址，因为当前LCD屏采用的是FSMC，这个LCD_RAM就是FSMC地址，向这个地址写数据，FSMC就产生8080时序将数据送给LCD显示屏，刷新显示出来。

scanline_draw函数详细刷屏代码如下：

view plaincopy to clipboardprint?

extern u8 nes_xoff;//显示在x轴方向的偏移量(实际显示宽度=256-2*nes_xoff)
void scanline_draw(int LineNo)
{
uint16 i;
u16 sx,ex;
do_scanline_and_draw(ppu->dummy_buffer);
sx=nes_xoff+8;
ex=256+8-nes_xoff;
if(lcddev.width==480)
{
for(i=sx;i<ex;i++)
{
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
}
for(i=sx;i<ex;i++)
{
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
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LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
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LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];//得到颜色值
}
}else
{
for(i=sx;i<ex;i++)
{
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i++]];
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer];
}
}
}

运行完刷屏的for循环函数，一帧游戏图像就显示在LCD上了。
接下来就是扫描按键值，完成游戏人物的控制，函数里调用了NesGetGamepadval()函数，读取按键值刷新按键状态。
NesGetGamepadval()函数代码如下：

view plaincopy to clipboardprint?

/*
键值说明:
开始键：8
选择建：4
方向右：128
方向左：64
方向上：16
方向下：32
功能键上/左：2
功能键下/右：1
组合键：方向右与
读取游戏手柄数据和功能键左：130
*/
void NesGetGamepadval(void)
{
u8 key;
//PADdata0=GetJoypadKey();//读取手柄1的值
//printf("%d\r\n",PADdata0);
key=GetKeyValue(0);
if(key==1)PADdata0=8;
else if(key==2)PADdata0=128;
else if(key==3)PADdata0=64;
else if(key==4)PADdata0=1;
else PADdata0=0;
}

NES游戏模拟器定义了两个全局变量，分别记录游戏手柄1和游戏手柄2的数据，因为NES游戏是可以两个人一起玩的。

view plaincopy to clipboardprint?

u8 PADdata0; //手柄1键值 [7:0]右7 左6 下5 上4 Start3 Select2 B1 A0
u8 PADdata1; //手柄2键值 [7:0]右7 左6 下5 上4 Start3 Select2 B1 A0

只需要在这个函数给这两个全局变量赋予正确的值，游戏人物就可以按照正常的动作画面出现。
至于你的物理按键采用FC游戏手柄，还是普通的其他按键，只要这两个全局变量的值正确那就没问题。  所有手柄采用什么不重要，关键把代码这里逻辑看懂，看懂了你就知道程序的运行逻辑了。

到此，版本1的主要代码就分析完毕了，其他的详细过程可以看工程源码，把程序跑起来了，一切都懂了。

五、工程源码分析: 以完整版本(3)为例

这个版本加入了游戏手柄，VS1053、SD、FATFS文件系统等功能，这里接着第五章分析，下面就主要分析新加入的代码内容。

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3hpYW9sb25nMTEyNjYyNjQ5Nw==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg (376.66 KB )

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2021-9-13 10:01 上传

5.1 FC游戏手柄介绍

FC游戏手柄，大致可分为两种：一种手柄插口是 11 针的，一种是 9 针的。但 11 针的现在市面上很少了，现在几乎都是使用 9 针 FC 组装手柄，下面就是介绍的是 9 针 FC 手柄，该手柄还有一个特点，就是可以直接和DR9 的串口头对插！这样同开发板的连接就简单了。
FC 手柄的外观如图所示：

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3hpYW9sb25nMTEyNjYyNjQ5Nw==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg (227.99 KB )

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2021-9-13 10:01 上传

这种手柄一般有 10 个按键（实际是 8 个键值）：上、下、左、右、 Start、 Select、 A、 B、 A连发、 B 连发。这里的 A 和 A 连发是一个键值，而 B 和 B 连发也是一个键值，只是连发按键当你一直按下的时候，会不停的发送（方便快速按键，比如发**弹之类的功能）。

FC 手柄的控制电路，由 1 个 8 位并入串出的移位寄存器（CD4021），外加一个时基集成电路（NE555，用于连发）构成。不过现在的手柄，为了节约成本，直接就在 PCB 上做绑定了，所以你拆开手柄，一般是看不到里面有四四方方的 IC，而只有一个黑色的小点，所有电路都集成到这个里面了，但是他们的控制和读取方法还是一样的。

游戏上手柄数据读取时序：

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3hpYW9sb25nMTEyNjYyNjQ5Nw==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg (111.16 KB )

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从上图可看出，读取手柄按键值的信息十分简单：先 Latch（锁存键值），然后就得到了第一个按键值（A），之后在 Clock 的作用下，依次读取其他按键的键值，总共 8 个按键键值。

常规状态下，LATCH为低电平，CLK为高电平，DATA为高电平，这也是初始化端口时的状态。

单片机读取键值时序很简单，LATCH先发送一个高脉冲，数据将锁存到手柄内部的移位寄存器，然后在CLK时钟下降沿数据将从DATA低位在先连续发出。按键映射到数据的对应位上，有键按下则对应位为0，无键按下则为1.即不按任何键时，读取数据为0xFF。
键值：
[7]:右

[6]:左

[5]:下

[4]:上

[3]:Start

[2]:Select

[1]:B

[0]:A

驱动代码示例：

view plaincopy to clipboardprint?

功能：手柄初始化函数
硬件连接：
      CLK ：PD3  --时钟线
PB10：DATA --数据线
PB11：LAT  --锁存接口
*/
void JoypadInit(void)
{
  /*1. 开时钟*/
  RCC->APB2ENR|=1<<5; //PD
  RCC->APB2ENR|=1<<3; //PB
  /*2. 配置模式*/
  GPIOD->CRL&=0xFFFF0FFF;
  GPIOD->CRL|=0x00003000;
  GPIOB->CRH&=0xFFFF00FF;
  GPIOB->CRH|=0x00003800;
  /*3. 上拉*/
  GPIOD->ODR|=1<<3;
}
/*
功  能：获取手柄的按键值
返回值：保存了一帧按键的状态
键值：
[7]:右
[6]:左
[5]:下
[4]:上
[3]:Start
[2]:Select
[1]:B
[0]:A
*/
u8 GetJoypadKey(void)
{
  u8 key=0,i;
  JOYPAD_LAT=1; //开始锁存
  DelayUs(30);
  JOYPAD_LAT=0; //锁存当前的按键状态
  for(i=0;i<8;i++)
  {
key=key>>1;
if(JOYPAD_DATA==0)key|=0x80;
JOYPAD_CLK=1;  //输出一个上升沿，告诉手柄发送数据
DelayUs(30);
JOYPAD_CLK=0;  //数据线保持稳定
   DelayUs(30);
}
return key;
}

5.2 加载NES游戏：nes_load函数
这里的nes_load函数和第五章的区别就是，游戏数据的来源是从SD卡读取的。
传入游戏名称去SD卡上打开指定文件，读取数据进来。
这里用到了外部SRAM内存，因为读出的数据需要存放到数组里，STM32F103ZET6本身的内存只有64K，肯定不够用，这里申请的空间是从外部SRAM模块里申请的，所以开发板还得带一个SRAM芯片才行，没有自带就去淘宝买一个SRAM模块即可（淘宝有个叫微雪的店铺就有卖）。

详细代码如下：

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u8 nes_load(u8* pname)
{
FIL *file;
UINT br;
u8 res=0;
file=malloc(sizeof(FIL));
if(file==0)return 1;//内存申请失败.
res=f_open(file,(char*)pname,FA_READ);
if(res!=FR_OK)//打开文件失败
{
printf("%s 文件打开失败!\r\n",pname);
free(file);
return 2;
}
else
{
printf("%s 文件打开成功!\r\n",pname);
}
res=nes_sram_malloc(file->fsize);//申请内存
if(res==0)
{
f_read(file,romfile,file->fsize,&br);//读取nes文件
NESrom_crc32=get_crc32(romfile+16, file->fsize-16);//获取CRC32的值
res=nes_load_rom();//加载ROM
if(res==0)
{
NesClockSet(16);
//UsartInit(USART1,128,115200);
JoypadInit();
cpu6502_init();//初始化6502,并复位
Mapper_Init();//map初始化
PPU_reset();//ppu复位
apu_init(); //apu初始化
nes_sound_open(0,APU_SAMPLE_RATE);//初始化播放设备
nes_emulate_frame();//进入NES模拟器主循环
nes_sound_close();//关闭声音输出
}
}
f_close(file);
free(file);//释放内存
nes_sram_free();//释放内存
return res;
}

这里面调用了nes_sound_open函数初始化了音频设备（VS1053）。这个非常重要，要理解游戏声音是如何输出的，就认真看这里的流程。
nes_sound_open函数里初始化了VS1053音频设备，然后开启了定时器中断，使用定时器去调用VS1053的播放接口，在定时器中断服务器函数里完成声音数据的输出，这里声音是存放在一个全局缓冲区里，后面游戏在主循环里运行的时候会不断的向这个缓冲区填数据，定时器超时进中断就查询是否有音乐可以播放，有就播放，没有就出来。

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3hpYW9sb25nMTEyNjYyNjQ5Nw==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg (246.84 KB )

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2021-9-13 10:01 上传

VS1052声音播放代码示例：

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//音频播放回调函数
void nes_vs10xx_feeddata(void)
{
u8 n;
u8 nbytes;
u8 *p;
if(nesplaybuf==nessavebuf)return;//还没有收到新的音频数据
if(VS1053_DREQ!=0)//可以发送数据给VS10XX
{
p=nesapusbuf[nesplaybuf]+nesbufpos;
nesbufpos+=32;
if(nesbufpos>APU_PCMBUF_SIZE)
{
nesplaybuf++;
if(nesplaybuf>(NES_APU_BUF_NUM-1))nesplaybuf=0;
nbytes=APU_PCMBUF_SIZE+32-nesbufpos;
nesbufpos=0;
}else nbytes=32;
for(n=0;n<nbytes;n++)
{
if(p[n]!=0)break;//判断是不是剩余所有的数据都为0?
}
if(n==nbytes)return;//都是0,则直接不写入VS1053了,以免引起哒哒声.
VS1053_XDCS=0;
for(n=0;n<nbytes;n++)
{
VS1053_SPI_ReadWriteByte(p[n]);
}
VS1053_XDCS=1;
}
}

nes_sound_open函数代码如下：

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//NES打开音频输出
int nes_sound_open(int samples_per_sync,int sample_rate)
{
u8 *p;
u8 i;
p=malloc(100);//申请100字节内存
if(p==NULL)return 1;//内存申请失败,直接退出
printf("sound open:%d\r\n",sample_rate);
for(i=0;i<sizeof(nes_wav_head);i++)//复制nes_wav_head内容
{
p=nes_wav_head;
}
if(lcddev.width==480)//是480*480屏幕
{
sample_rate=8000;//设置8Khz,约原来速度的0.75倍
}
p[24]=sample_rate&0XFF;//设置采样率
p[25]=(sample_rate>>8)&0XFF;
p[28]=sample_rate&0XFF;//设置字节速率(8位模式,等于采样率)
p[29]=(sample_rate>>8)&0XFF;
nesplaybuf=0;
nessavebuf=0;
VS1053_Reset(); //硬复位
VS1053_SoftReset();  //软复位
VS1053_SetVol(200);  //设置音量等参数
//复位解码时间
VS1053_WriteCmd(SPI_DECODE_TIME,0x0000);
VS1053_WriteCmd(SPI_DECODE_TIME,0x0000); //操作两次
while(VS1053_SendMusicData(p));//发送wav head
while(VS1053_SendMusicData(p+32));//发送wav head
TimerInit(TIM6,72,1000);//1ms中断一次
free(p);//释放内存
return 1;
}

初始化完毕之后，就调用nes_emulate_frame函数进入到游戏主循环。
5.3 游戏主循环代码

现在这份代码比第五章代码增加了一个声音输出函数，调用VS1053，播放游戏的声音。

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3hpYW9sb25nMTEyNjYyNjQ5Nw==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg (341.81 KB )

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2021-9-13 10:01 上传

apu_soundoutput函数代码如下：

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//apu声音输出
void apu_soundoutput(void)
{
u16 i;
apu_process(wave_buffers,APU_PCMBUF_SIZE);
for(i=0;i<30;i++)if(wave_buffers!=wave_buffers[i+1])break;//判断前30个数据,是不是都相等?
if(i==30&&wave_buffers)//都相等,且不等于0
{
for(i=0;i<APU_PCMBUF_SIZE;i++)wave_buffers=0;//是暂停状态输出的重复无效数据,直接修改为0.从而不输出杂音.
}
clocks=0;
nes_apu_fill_buffer(0,wave_buffers);
}

最后调用了nes_apu_fill_buffer 函数将数据赋值给VS1053缓冲区进行播放。
在前面已经分析了音频初始化代码，里面初始化了定时器，会不断的查询缓冲区是否有音乐数据需要播放，有就播放，没有就输出，这个函数就是向音频缓冲区填充数据的。

nes_apu_fill_buffer 函数代码如下：

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//NES音频输出到VS1053缓存
void nes_apu_fill_buffer(int samples,u8* wavebuf)
{
u16i;
u8 tbuf;
for(i=0;i<APU_PCMBUF_SIZE;i++)
{
nesapusbuf[nessavebuf]=wavebuf;
}
tbuf=nessavebuf;
tbuf++;
if(tbuf>(NES_APU_BUF_NUM-1))tbuf=0;
while(tbuf==nesplaybuf)//输出数据赶上音频播放的位置了,等待.
{
DelayMs(5);
}
nessavebuf=tbuf;
}

到此，音频的主要代码就分析完毕了。可以下载程序去体验一下游戏，怀恋童年时光了