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

2.2  仅仅使用独立按键操作游戏效果

单手录制，单手操作，操作起来起来不太方便。

2.3 游戏自动待机运行效果(没有操作)

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：

 5.3 加载NES游戏:LoadNes函数介绍

LoadNes函数原型：

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：

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：

5.3 NES游戏主循环代码

详细代码如下：

 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。

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：

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：

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：

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。

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。

六、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。

6.1 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：

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，比如发炮弹之类的功能）。

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

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。

[7]:右

[6]:左

[5]:下

[4]:上

[3]:Start

[2]:Select

[1]:B

[0]:A

驱动代码示例：

6.2 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：

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。 

VS1052声音播放代码示例：

nes_sound_open函数代码如下：

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

6.3 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。

 apu_soundoutput函数代码如下：

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：

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