基于STM32设计的掌上游戏机详细开发过程
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)
2.1 超级玛丽运行截图
三、资料下载地址
3.1 NES游戏集合下载
一共有293款游戏，总有一款适合你。常见的超级玛丽、魂斗罗、都有包含的。
地址：https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/20722451
3.2 工程源码下载
地址:https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/20973545
一共3个版本，它们之间的区别在第一章已经介绍过。
三个都是keil工程，下载下来直接编译、下载运行体验。
四、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（原本是生产日式扑克即“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 ，其股票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。
五、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。
5.1 工程文件布局
5.2 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：
#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "lcd.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "usart.h"
#include
#include
#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!rn");
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);
}
}
poYBAGDYdXCAWkKMAAAAK8RNs4s030.png
5.3 加载NES游戏:LoadNes函数介绍
LoadNes函数原型：
复制
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：
/*
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;
}
}
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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：
/*
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=%drn",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;
}
5.3 NES游戏主循环代码
详细代码如下：
//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
}
}
}
poYBAGDYdXCAWkKMAAAAK8RNs4s030.png
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。
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：
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：
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;idummy_buffer[i]];//得到颜色值
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i]];//得到颜色值
i++;
LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i]];//得到颜色值
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i++;
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LCD_RAM=NES_Palette[ppu->dummy_buffer[i]];//得到颜色值