用 ESP32 制作《俄罗斯方块》掌上游戏机

来源:嵌入式专栏发布时间:2022-09-27424浏览

1984 年，一位名叫阿列克谢·帕基特诺夫（Alexey Pajitnov）的工程师，在当时的苏联科学院计算机中心工作。他的工作任务是测试新硬件设备的兼容性，相比单位分配的正式任务，更吸引他的是研究如何使用计算机进行娱乐。

为此，帕基特诺夫开始尝试在计算机上开发一些简单的游戏，经过一段时间的尝试后，他从一款拼图游戏上获得了灵感，考虑让不同形状的图形依次下落，在矩形底部堆叠起来，使之排列成完整的一行后消除。

在另外两位同伴的协助下，帕基特诺夫在Electronika 60 计算机上完成了这款名为“Tetris”（俄语：Тетрис）的游戏，因为这个型号的计算机没有图形接口，所以游戏只使用空格和实心方块来表示形状（见图 1）。

图 1 第一版《俄罗斯方块》游戏，运行在 Electronika 60 上

根据另一位当事人的回忆，“Tetris”这个单词是阿列克谢自己发明并坚持使用的，来自反映俄罗斯方块图案基本结构的“四”（希腊语：tetra）和阿列克谢自己最喜爱的运动“网球”（tennis）的组合。今天我们更习惯称呼这个游戏为《俄罗斯方块》。
1985 年，《俄罗斯方块》的开发者之一 ——瓦丁·格拉西莫夫在 MS-DOS 下移植了《俄罗斯方块》（见图 2），伴随着 PC 的推广，游戏得以迅速普及。

图 2 1986 年 IBM PC 版本的《俄罗斯方块》

对于“80 后”来说，图 3 所示的《俄罗斯方块》掌上游戏机承载了很多快乐的回忆。

图 3 《俄罗斯方块》掌上游戏机

硬件设计

我这次使用ESP32 搭配 ILI9341TFT LCD 来制作一个《俄罗斯方块》掌上游戏机，选择的硬件如附表所示。

硬件中最为复杂的是 ILI9341 TFT 显示屏，它使用 SPI 接口进行通信。丝印上的 SCL 和 SDA 分别是 CLK 和 MOSI（显示屏可以看作一个单纯的输出设备，因此MISO 是可以省略的）；RES 用于显示屏复位，在初始化显示屏时是必需的；DC用于通知显示屏当前传输的是数据（Data）还是命令（Command）；CS 是 SPI 接口用于片选的信号，如果当前 SPI 总线上还有其他设备，可以用于选中需要的通信设备；BLK 用于控制显示屏背光是否开启，在这个项目中没有关闭显示屏的需求，因此直接悬空，显示屏会一直保持背光打开的状态。

图 4 ILI9341 TFT 显示屏

确定使用的硬件之后，就可以开始着手设计电路了，我使用立创 EDA 绘制电路图和 PCB，结果如图 5、图 6 所示。可以看到电路很简单，除了前面提到的 TFT 显示屏就是 PS/2 摇杆，后者输出 2 路模拟信号和一个数字信号，分别是x 轴和y 轴坐标、按键信号。

图 5 使用立创 EDA 绘制的电路图

图 6 PCB 图

立创 EDA 提供在线预览工具，PCB 绘制完成后可以直接查看最终效果（见图 7）。

图 7 预览 PCB 效果

软件设计

硬件设计完成后即可进行软件设计，相比硬件，软件设计要复杂得多。代码整体可以看作两部分，一部分是在 screen[Width][Height]数组中计算界面的形态，代码在Get Next PosRot() 和 Revise Screen() 函数中；另外一部分是通过 ILI9341 TFT 显示屏将前面的数组显示出来，代码在 Draw() 函数中。这样设计的好处是逻辑和硬件分离，便于调试和移植到不同显示接口的设备上。

代码中最重要的数据结构是关于形状的存放。游戏中共有 7 种形状（见图 8），可以看到每种形状都由 4 个方块组成，因此可以用方块的坐标表示形状。

图 8 游戏中的 7 种形状
比如，图 8 所示的这个形状，以记录坐标的方式，可用 {{-1,1},{0,1}, {0,0},{1, 0}} 来表示。

图 8 形状和对应的坐标

当它旋转后，变成图9所示的形状，以记录坐标的方式，可表示为 {{0,-1},{0,0}, {1,0},{1, 1}}。

图 9 旋转后的形状和对应的坐标

具体到代码中，我用 blocks[ ] 数组记录了每一种形状的全部变换结果，旋转就是指向下一个内容。例如 blocks[ ] 数组中的一个形状定义如下：

{{{{-1,0},{0,0}, {1,0},{2,0}}, {{0,-1}, {0,0},{0,1},{0,2}},{{0,0},{0,0},{0,0},{0,0}}, {{0,0},{0,0},{0,0},{0,0}}},2,1},

其中末尾处的深绿色 1 表示这个形状的颜色索引，浅绿色 2 表示这个形状有 2 个形态。{{-1,0},{0,0}, {1,0},{2,0}} 对应图10所示的形态，其中的 x 表示 (0,0) 这个原点。

图 10 形状的形态 1

{{0,-1}, {0,0},{0,1},{0,2}} 对应图 11 所示的形态。

图 11 形状的形态 2

了解了上面的数据结构，就不难理解GetNextPosRot() 函数了。这个函数的功能是放置新生成形状、响应按键动作（比如，左右移动和旋转）和触发下落。游戏的难度不同体现为图形不同的下降速度。游戏根据当前积分的不同使用不同的下降速度，具体代码在 GetNextPosRot() 函数中。

Score2Level() 函数返回当前分数对应的延时，当前分数越高，下落速度越快。
ReviseScreen() 函数处理下落的过程，此外计分功能也在该函数中：在消除行时，根据一次性消除的行数计算分数，具体在 DeleteLine() 函数中。每次获得的分数 = 消除层数的平方。
Draw() 函数将前面 screen[ ] 数组中的界面形态展现在 ILI9341 TFT 显示屏上。为了驱动这个显示屏，我选用了 Adafruit_GFX 显示库；注意这个库对 ESP32 有兼容性问题，编译时会出现错误，可以修改\Adafruit_BusIO\Adafruit_SPIDevice.cpp 这个文件解决。

为了便于使用，我在 IL9341 的库中增加了一个填充图像的函数。

此外，《俄罗斯方块》还要具有显示“下一个图形”的功能。为此，我在 Draw()函数中实现了对应的绘制“下一个图形”的功能。这里有特别需要注意的地方，比如，我们定义了一个 image[20][20] 图像，但是想将它里面 10×20 的内容显示出来，是不可以直接使用 tft.fillImage() 的，会出现混乱，因为这个函数会默认将显示Buffer 认为是 20×20 大小的。解决方法是创建另外的 Buffer，先把数据存进去，再使用 fillImage() 函数绘制。
装配电路、烧写程序后，你就可以开启游戏之旅了！
正版《俄罗斯方块》发售了 1.25 亿份，受到 50 多个国家和地区的玩家喜爱，有超过50 种语言的版本，运行在街机、家用游戏机、掌上游戏机、PC、手机等几十种游戏平台上。历经近 40 年，小方块的魅力经久不衰，《俄罗斯方块》游戏可以称得上是传奇。

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