PONG...PONG 8x8 LED 矩陣的復古玩法

ID:1130439 · 發表于 2024-10-8 14:57

。。。上一次和同學們（同學＝一同學習者，同游＝一同云游者，同居？　。。。　以此類推，不一而論）瞎聊了一點有關二進制數的宏定義以及用 bit map 手工輸入點陣圖形的事（http://m.izizhuan.cn/bbs/dpj-237651-1.html），但沒有提及如何玩 51 單板機上那個 8x8 LED 矩陣。 BBC Micro:bit 上有一組 5 x 5 的LED　矩陣，官方很認證地開發了一個＂喜怒哀樂＂表情包，意欲把那個稀缺資源的利用發揮到極致，考慮到Micro:bit不過是兒童的玩具，我就不把那個表情包port到５1 單板機上了。對于認真的程序員，把　PONG　這個古老的游戲port過來，以表示對前輩程序員的敬意，視乎更有一點意思？

。。。閑話少敘，我們單刀直入，先在那個　８ｘ８LED　矩陣上實現單個　LED　的動畫，而后展開相應的數據結構，以實現“乒乓球”和“乒乓板”之間的互動。為此，我們來看看如何實現用（ｘ，ｙ）一對坐標來實現對６４個LED當中任何一個LED的“尋址”　。。。　以下是N種方案當中的一種：

u8 data bitBuffer []= {
  b00111000,  //x(7,0)    *(7,7)
  b01111100,  //  |
  b01111110,  //  |
  b00111111,  //  |
  b00111111,  //  |  　*(x,y)
  b01111110,  //  |
  b01111100,  //  |
  b00111000 //(0,0)--------＞y(0,7)
};
按照單板機上具體的硬件設計，我們可以把（ｘ，ｙ）映射為８ｘ８LED矩陣的行列端口控制信號，以我手上那塊單板機為例（http://m.izizhuan.cn/bbs/dpj-237407-1.html），其映射關系如下：

(x,y) --> ( LedMatrixPort_Col = ~(1<<(7-x)) ,74hc595_Dout = 1<<(7-y))  )
這里，x 和 y 的值域都是整數閉區間 [0,7].

如你想要點亮（ｘ，ｙ）位置上單獨一顆LED，調用以下函數即可：
//void _8x8ledMatrixShow(u8 x,u8 y) compact{
//
// LedMatrixPort_Col = ~(1<<(7-x));
// hc595_write_data(1<<(7-y));
// delay_10us(100);    //延時一段時間，等待顯示穩定
// hc595_write_data(0x00);//消影
//}

有了這個函數，你可以讓這顆被點亮的LED在各種（數學）軌跡上游走，實現任意動畫效果，　ｐｉｅｃｅ　ｏｆ　ｃａｋｅ？

細心的同學會注意到我把上述函數注釋屏蔽掉了，表示我在實際的PONG游戲代碼里并沒有使用這個函數。在游戲更新“乒乓球”位置的代碼中，我直接利用了（ｘ，ｙ）和行－列端口的映射關系，同時把球的位置信息和“乒乓板”的位置信息一起緩存在bitBuffer 里面，當所有需要更新的數據都準備好之后才一次性地“刷新”　LED矩陣的顯示，這是幾乎所有游戲編程普遍使用的所謂double buffer 技術，大家可以誰便參考一本游戲編程的書籍了解其原委，我不講了。

避免調用上述函數，對于51 單片機這樣的系統還考慮到硬件資源問題。51單片機的片內數據RAM 非常貧乏，只能實現一個很淺的stack, 如果在函數調用時使用很多參數，最糟的情況下（如遞歸調用帶參數的函數），stack 很容易overflow, 導致程序崩潰。因此，大家在不影響程序代碼架構清晰的情況下，盡量使用全局變量為上策。

okay，我們繼續PONG的編程。。。在游戲世界里，“球”和“板”都是所謂的 objetcs (東東？ sprite ? whatever )，如果開發環境比較豪華，我們應該用類似C++ 的class 來封裝這些東東的屬性和行為，但這里比較簡陋，我們就用struct 來簡單湊合一下吧。。。

typedef struct {
signed char pTop; // 球板的頂端 y 坐標
signed char pShift; // 球板的頂端 x 坐標，缺省值為 7，如果<7, 表示迎著球的方向擊球，如果值不變，就是簡單的擋球。。。
u8 score;             // 用于計分
} sPaddle;

sPaddle myPaddle; // 左側球板，手工通過按鈕實現上下移動或由 MPU 判斷球的來路自動移動
sPaddle mpuPaddle;  // 右側球板，由 MPU 判斷球的來路自動移動

struct {
signed char x, y; // 球的位置
signed char vx,vy; // 球的速度
}ball;

在游戲初始化時，我們必須給這些東東一些初始值，例如：

if(bGameReStart)// 如果全局變量 bGameReStart ==1 ，從新開局
{
LED_PORT=0xff; // 熄滅 8x8 LED 矩陣
srand (rand()); //  隨機數下種，要在main.c 開頭處加上 #inlude <stdlib.h> 才能調用 srand 和 rand 函數

myPaddle.pTop = 3; myPaddle.pShift  = 0;myPaddle.score  = 0;
mpuPaddle.pTop = rand() % 6;mpuPaddle.pShift = 7;mpuPaddle.score = 0;
ball.x = 6;
ball.y =  myPaddle.pTop + rand() % 3; //ball start by human
ball.vx = 1 + rand()%2; //  相當于 random(1,2);
ball.vy = -2 + rand()%5;// 相當于 random(-2,2);    avoid use function stack...

bGameReStart =0; // don't keep running the code inside  {}
}

世上所有游戲的靈魂是隨機數，包括你在“真實”世界里面玩現實版的“真人游戲”，所以我對隨機數多啰嗦幾句。。。由于硬件隨機數發生器非常昂貴，大多數數字系統都采用軟件偽隨機數，其原理大家自行wikipeida, 我只解釋上面的代碼里，我為何免用 random(上限，下限) 這樣的函數，而是直接用 % 運算符來取指定范圍的隨機數。

在<stdlib.h>庫里，rand() 的16位整數值域是 [0, 32767], random(上限，下限) 的定義通常類似以下形式：
unsigned int  random(unsigned int  lo，unsigned int  hi) {
  return ( lo +  （hi - lo）* rand()/32768 );
}

或者，限于返回8位（signed）整數:
signed char random(signed char lo, signed char hi){
return  (lo +  rand()%((hi-lo+1)) );
}

但這樣的函數定義都有參數調用的開銷，前一個還涉及“昂貴”的除法，這些都是資源匱乏的單板機需要盡量避免的。通常在C語言里，我們可以采用宏定義來重寫函數定義，調用時采用 inline 宏定義，這樣可以避免運行時的開銷，把計算的負擔分配到編譯時，由編譯器來代勞。同學們可以自行實驗利用宏來修改上面的代碼，提高程序的可讀性。

接下來就是游戲的主循環。。。

L_GAME_START:
bGameReStart =1;
while(1)
{
key_matrix_flip_scan(key_value);  // 4 x 4 按鈕矩陣掃描
if (key_value ==2 || key_value == 5 )OE_74HC595 = 1; //turn off 8x8 LED matrix
else OE_74HC595 = 0; // enable it otherwsie

switch (key_value)
{
case 1:    // 按鈕- 1
_8x8ledMatrixDisplay(mPONG);
   bGameReStart = 1;  // 從新開始游戲
continue;
case mPADDLE_UPP-1:
case mPADDLE_UPP:
      myPaddle.pShift = mPADDLE_UPP - key_value;
myPaddle.pTop -=2;
if (myPaddle.pTop < 0)myPaddle.pTop =0;
goto L_GAME_UPDATE;

case mPADDLE_UP-1:
case mPADDLE_UP:
myPaddle.pShift = mPADDLE_UP - key_value;
myPaddle.pTop -=1;
if (myPaddle.pTop < 0)myPaddle.pTop =0;

goto L_GAME_UPDATE;
case mPADDLE_DOWN-2:
case mPADDLE_DOWN-1:
case mPADDLE_DOWN:
                  myPaddle.pShift = mPADDLE_DOWN - key_value;
myPaddle.pTop +=1;
if (myPaddle.pTop > 4)myPaddle.pTop =5;

goto L_GAME_UPDATE;

case mPADDLE_DOWND-3:
case mPADDLE_DOWND-2:
case mPADDLE_DOWND-1:
case mPADDLE_DOWND:
                        myPaddle.pShift = mPADDLE_DOWND - key_value;
myPaddle.pTop +=2;
if (myPaddle.pTop > 4)myPaddle.pTop =5;
goto L_GAME_UPDATE;

case mUPDATE_PONG:
      if(bGameReStart)// re-start game
      {
                                                            // 游戲初始化代碼，前面已經講解，此處不再重復
      }

L_GAME_UPDATE:
                              _8x8clearBitBuffer();    // 清除緩沖區內容

                                                         // 畫球板
               bitBuffer[myPaddle.pShift]  = b11100000;
               bitBuffer[myPaddle.pShift]  = bitBuffer[myPaddle.pShift]>>myPaddle.pTop;

            // 更新球的位置
               ball.x += ball.vx;
               ball.y += ball.vy;

                 // 更新球板的位置
            if (ball.vx > 0 ) // ball coming to human
            {
                                                         // 如果 MPU 控制球板，計算球板如何判斷球路做相應的移動
            }

               if(myPaddle.pTop <0) myPaddle.pTop =0;
               if (myPaddle.pTop > 4)myPaddle.pTop =5;

         // 判斷球板是否接住球，沒有接住，對方就加分。。。
         if(ball.x >= (7 - myPaddle.pShift) )
      {
   ball.x = 7;
   ball.vx=-ball.vx; //左側 X方向反彈

   if( abs(ball.vy)<=1)
   {
   if ( ball.y < myPaddle.pTop || ball.y > (myPaddle.pTop+2))
   {
   mpuPaddle.score++;  // 球板沒有擋住球，對方加分
   }
   }
   else
   {
                                                         // 等等其它判斷和計分邏輯。。。
         }
      }

   if( ball.y <=0 )
   {
      ball.y = 0;    // 頂端 Y- 方向反彈
      ball.vy=-ball.vy;
   }
   if( ball.y >= 7)
   {
      ball.y = 7; // 底端 Y- 方向反彈
      ball.vy=-ball.vy;
   }
       if( ball.x <=0 )
   {
   ball.x = 0;  //右側 X方向反彈
   ball.vx=-ball.vx;
   }


   bitBuffer[7-ball.x] = 128>>ball.y;  // 把球的位置“寫” 入緩存區域

   _8x8ledMatrixDisplay(bitBuffer); // 刷新 8x8 LED 顯示
   key_value = mUPDATE_PONG; // repeat run mUPDATE_PONG section

   // 在 7 段數碼管上顯示計分
ired_buf[0]=gsmg_code[mpuPaddle.score];
ired_buf[3]=gsmg_code[myPaddle.score];

smg_display(ired_buf,1);
continue;
}
}
//END OF GAME

同學們可以看到我在這個循環里大大冒犯了一下 Goto 語句的批評者，我是實用主義者，goto 語句在這里的使用，既有效也不影響程序的可讀性。C就是高級的匯編語言啊，匯編語言大量使用各種 JMP 指令，C語言里適當使用 goto 語句，大家可以理直氣壯。

這個循環的上面有一小段和 PZ 單板機設計缺陷有關的代碼：

if (key_value ==2 || key_value == 5 )OE_74HC595 = 1; //turn off 8x8 LED matrix
else OE_74HC595 = 0; // enable it otherwsie

板子的設計者提示玩家，如果要禁止 8x8 LED 矩陣，可以使用跳針，其實沒有這個必要，這個跳針設計是多余的。8x8 LED 矩陣的開關，完全可以通過軟件加以控制。我在板子上加了一根飛線，用 sbit OE_74HC595 = P1^7 定義了其用法，接下來就可以用P1^7 端口控制74HC595芯片，從而實現8x8 LED 矩陣的開和關，大家留意一下下面視頻和圖片里的飛線即可。

.....  ......  ...... let's call it a day. .................. .................... ................... ........................ ........... .......... .............

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PONG...PONG 8x8 LED 矩陣的復古玩法

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