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为Doom而生！大神纯FPGA实现Doom游戏芯片，无CPU、无指令计数器


机器之心报道
机器之心编辑部
无 CPU、无操作码、无指令计数器纯 FPGA 实现 ， 图形学大神 Sylvain Lefebvre 为经典射击游戏 Doom 打造打造了一款芯片 。
为Doom而生！大神纯FPGA实现Doom游戏芯片，无CPU、无指令计数器
本文插图
毁灭战士系列（Doom）是由 id Software 开发的第一人称射击电子游戏系列 。 在电子游戏界中 ， 人们普遍认为 Doom 系列是第一人称射击游戏的开拓者之一 。 自 Doom 于 1993 年发布以来 ， 该系列已有 4 部续作、无数的扩展关卡以及同名电影《毁灭战士》 。
作为经典的射击游戏 ， Doom 拥有大量拥趸 ， 它能够在大量设备上运行 ， 如数码相机、旧版诺基亚手机等等 。 在强化学习领域 ， Doom 也被用作策略训练环境之一 。
最近 ， 计算机图形学大神级人物、法国国家信息与自动化研究所（INRIA）研究总监、MFX 团队负责人 Sylvain Lefebvre 在新的设备上运行 Doom 游戏 ， 并放出了一段视频 ， 展示他自制的无 CPU、无操作码、无指令计数器 ， 仅靠纯 FPGA 实现的芯片运行 Doom 的效果 。
为Doom而生！大神纯FPGA实现Doom游戏芯片，无CPU、无指令计数器
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使用 Altera CycloneV FPGA 运行 Doom 游戏 。
为 Doom 游戏而生：DooM-chip
Sylvain 在推特上介绍了该芯片 DooM-chip 的具体细节：
为Doom而生！大神纯FPGA实现Doom游戏芯片，无CPU、无指令计数器
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DooM 芯片可以运行 E1M1 直到世界末日（或者电量耗尽） 。 代码烧写到了 FPGA 的 LUTs 及触发器中 ， 其中无 CPU ， 无操作码 ， 无指令计数器 ， 可以说是纯硬件实现 。
简而言之 ， DooM 芯片的运行只需要：SDRAM 控制器、分隔符、BSP 遍历、纹理单元等 。 主渲染器（没有数据）有 666 行代码！
下图展示了一个不错的测试用例 ， 我们可以看到它做出了一些改进 ， 修复了一些问题 ， 并在 CycloneV + Quartus 上学到了很多 。
为Doom而生！大神纯FPGA实现Doom游戏芯片，无CPU、无指令计数器
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渲染使用的是原始 BSP 树 ， 不过为了配合硬件实现 ， Sylvain 对其进行了修改 。 所有列经过光影投射 ， 并立即从前向后绘制 ， 直到被完全填充 。
当 BSP 从前向后遍历时 ， 列总是自顶部或底部向中间生长 。
为Doom而生！大神纯FPGA实现Doom游戏芯片，无CPU、无指令计数器
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【为Doom而生！大神纯FPGA实现Doom游戏芯片，无CPU、无指令计数器】据介绍 ， 该芯片的制作利用了多个信息源：
Fabien Sanglard 写的「Doom 黑皮书」（Game Engine Black Book DOOM）；
Doom Specs v1.666 的非官方版本及其源代码（https://github.com/id-Software/DOOM） 。
此外 ， Sylvain 还利用了真实的游戏数据：在编译过程中 ， 使用 Lua 预处理器从 Doom WAD 中抽取数据 ， 并基于此写表和硬件 。
由于计算会随着游戏中墙的不同而发生变化 ， 因此获得天花板和地板的纹理并非易事 。 Sylvain 提供了一个 debug 视图 ， 可以帮助确保计算与天花板和地板的纹理相匹配 。

为Doom而生！大神纯FPGA实现Doom游戏芯片，无CPU、无指令计数器
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在介绍完 DooM-chip 的基本细节后 ， Sylvain 还说明了一些有待改进和优化的地方：并行化列 ， 隐藏绘制、纹理映射和 BSP 树遍历之间的延迟；有一些纹理没有对齐 ， 一些小问题还有待修复（下图即为 debug 展示图）；以 320x200 60Hz 运行 ， 而不是 70Hz 。
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