超详细教程！自制一个Arduino NES（红白机）游戏机！
目前大多数NES模拟器需要使用某种C编译器（例如esp-idf）手动进行命令行构建，这对于初学者来说是一个很大的障碍。
这周就和大家分享如何使用Arduino IDE做一个便携式NES（红白机）游戏机。
https://dfrobot.loll.cc/video/arduino-nofrendo_change_game-%5BckBqONHllAg%5D.mp4
NES游戏机是一款由任天堂公司于1985年发布的家用电子游戏机。NES是“Nintendo Entertainment System”的缩写，也被称为“红白机”。该游戏机在1980年代和1990年代风靡全球，并为游戏业界的发展做出了重要贡献。
NES游戏机使用卡带作为游戏载体，玩家可以通过插入卡带来运行各种游戏。该游戏机的手柄设计也非常经典，包括方向键、A、B两个按钮和选择、开始两个功能键。
许多经典游戏如《超级马里奥兄弟》、《塞尔达传说》、《龙与地下城》、《银河战士》等都是在NES游戏机上首次发布的。即使在今天，许多玩家仍然喜欢玩NES游戏机上的经典游戏，而该游戏机的影响力也一直延续至今。
材料清单
[*]4.0 英寸 ST7796S SPI LCD 模块
[*]四个 400 孔面包板
[*]TTGO T8 v1.7 ESP32 开发板
[*]MAX98357 I2S 放大器模块
[*]PCB安装迷你喇叭
[*]PSP模拟摇杆模块
[*]六个按钮模块
步骤1：Nofrendo是什么？
Nofrendo是一个很好的NES模拟器，它可以在较老的奔腾系统上全速运行，具有不错的声音支持和良好的兼容性。
Nofrendo是由Matthew Conte在上个世纪开发的，它可以在Windows、Unix和BeOS上运行。由于实现已经泛化以支持不同的平台，许多开发人员开始基于它开发其他平台的NES模拟器。
参考资料：
http://www.baisoku.org
https://www.zophar.net/nes/nofrendo.html
https://github.com/adafruit/nofrendo_arcada
https://github.com/espressif/esp32-nesemu
步骤2：Arduino-nofrendo
Github用户rickyzhang82在2018年将Nofrendo原始源代码推送到Github。我已经fork了该仓库，并将其转换为兼容Arduino库的布局。只需实现osd.h中声明的所有函数即可使其工作。
理论上，如果有足够的RAM和处理能力，这个库可以在任何Arduino平台上使用。由于Espressif已经证明ESP32可以运行Nofrendo，所以我基于他们的示例代码，在examples文件夹下开发了一个esp32-nofrendo示例。
参考资料：
https://github.com/rickyzhang82/nofrendo
https://github.com/moononournation/arduino-nofrendo
步骤3：显示选项
为了支持尽可能多的显示变化，我将显示实现更改为使用Arduino_GFX。现在甚至支持像ST7796这样的大型4英寸320x480显示屏。
以下是Arduino_GFX支持的可以适用于Nofrendo分辨率的显示变化：
[*]HX8347C 240 x 320
[*]HX8347D 240 x 320
[*]HX8352C 240 x 400 (16:9)
[*]HX8357B 320 x 480
[*]ILI9341 240 x 320
[*]ILI9481 320 x 480 18位色彩
[*]ILI9486 320 x 480 18位色彩
[*]ILI9488 320 x480 18位色彩
[*]M5Stack 240 x 320
[*]R61529 320 x 480
[*]ST7789 240 x 320
[*]ST7789 240 x 240
[*]ST7796 320 x 480
注意：
320 x 480显示需要将原始256 x 240分辨率裁剪为240 x 214，然后放大到480 x 320。
宽度放大两倍，高度放大1.5倍，每2个原始线条绘制3条线。第三条线可以重复第二条线，也可以简单地保留第三条线的背景色。
详细实现可在display.cpp中找到。
步骤4：音频选项
目前arduino-nofrendo支持（实际上是arduino-esp32支持）2种音频输出方法：
[*]内置DAC - ESP32具有两个8位DAC（数字模拟转换器）通道，分别连接到GPIO25（通道1）和GPIO26（通道2），由于输出非常弱，因此仍需要额外的音频放大器用于扬声器输出。
[*]外部I2S DAC模块 - 只需连接3个信号线和电源到I2S放大器模块，它可以在同一个模块中完成DAC和音频放大器的工作。
注意：
内置DAC仅具有8位分辨率，并且存在过多的静态噪声（杂音），通过使用外部的 I2S 放大模块可以降低这种静态噪声的影响（因为外部模块可以提供更好的信噪比和动态范围。）
步骤5：控制器选项http://static.video.qq.com/TPout.swf?vid=wxv_2851229472761593860&1314.swf
目前arduino-nofrendo支持3种类型的控制器：
[*]GPIO输入 - 简单地将每个控制器按钮映射到一个GPIO，箭头键也有一个选项映射到一个二轴模拟摇杆
[*]I2C M5Stack CardKB 迷你键盘 https://m5stack.com/products/cardkb-mini-keyboard
[*]I2C BBQ10键盘 https://github.com/arturo182/BBQ10KBD
即将支持：
[*]更多I2C设备，例如I2C游戏手柄
[*]蓝牙设备，例如蓝牙游戏手柄和蓝牙键盘
注意：
默认的arduino-esp32 I2C接口连接到GPIO 21（SDA）和22（SCL）。
步骤6：文件系统选项
Nofrendo在文件系统中存储3种类型的文件：
[*]ROM文件*.nes - 游戏
[*]游戏存档文件*.sav - 当你在游戏中保存时，数据备份到此文件
[*]状态文件*.ss - 当你使用Nofrendo保存状态功能时，数据存储在这些文件中
目前arduino-nofrendo支持（实际上是arduino-esp32支持）3种类型的文件系统：
[*]SPIFFS - 通常是ESP32闪存的最后一个分区
[*]SD - Arduino标准SPI模式SD卡接口
[*]SD_MMC - 原生1位或4位SD模式SD卡接口
注意：
选SPIFFS测试是最简单的方法，但在SPIFFS中备份存档和状态文件比较困难，SD或SD_MMC更适合长期使用。另外，如上面视频演示，你可以将SD卡当作游戏卡，只需更换SD卡即可更换游戏。
步骤7：软件准备Arduino IDE
如果你尚未安装Arduino IDE，请下载并安装：
https://www.arduino.cc/en/main/software
ESP32支持
按照安装说明添加ESP32支持，如果尚未安装：
https://github.com/espressif/arduino-esp32
注意：请使用arduino-esp32版本1.0.6进行此项目，较新版本可能无法成功编译
Arduino ESP32 filesystem uploader
按照安装步骤安装Arduino ESP32 filesystem uploader，如果没有安装的话：
https://github.com/me-no-dev/arduino-esp32fs-plugin
Arduino_GFX库
下载最新的Arduino_GFX库：（点“Clone or Download”->“Download ZIP”）
https://github.com/moononournation/Arduino_GFX
在Arduino IDE中导入库。（Arduino IDE“项目”菜单->“包含库”->“添加.ZIP库”->选择下载的ZIP文件）
Arduino Nofrendo库
下载最新的Arduino Nofrendo库：（点“Clone or Download”->“Download ZIP”）
https://github.com/moononournation/arduino-nofrendo
同样在Arduino IDE中导入库。（Arduino IDE“项目”菜单->“包含库”->“添加.ZIP库”->选择下载的ZIP文件）
步骤8：面包板原型
在制作你自己的便携式Arduino NES控制台最终版本之前，让我们先用面包板原型进行一个PoC（概念验证）。
步骤9：面包板改造
4寸LCD是一个比较大的尺寸，我们需要把四个400孔面包板组合在一起。不过，8个电源总线太多了，我们去掉其中的6个，只保留2个就足够了。
步骤10：TTGO T8 V1.7改造
将四个400孔面包板组合在一起可以放下4寸LCD，但仍然没有足够的剩余空间来放一块ESP32开发板。因此，我们需要将ESP32开发板的一部分隐藏在LCD下方。同时，将线路也隐藏在LCD下方使其更整洁。
但我发现TTGO T8 V1.7的3D天线无法放LCD下方。由于NES控制台不需要互联网接入，我就直接把它拆了……
注意：
[*]以后仍然可以通过IPEX连接器将WiFi信号引导到外部天线
[*]蓝牙设备连接也需要天线
步骤11：LCD改造
[*]焊接SD引脚接头
[*]可选操作：重新焊接所有LCD引脚，使引脚稍微伸长到面包板
[*]插入额外的塑料隔离片，在面包板和LCD之间预留更多空间
步骤12：固定模拟摇杆
带有引脚的模拟摇杆一侧可以非常好地固定在面包板上，但另一侧需要一些额外的引脚才能固定在面包板上。
步骤13：I2S放大器模块改造
I2S放大器模块的扬声器连接器不是2.54毫米间距（面包板孔的间距大小），需要稍微弯曲引脚接头以方便焊接。
步骤14：布局设计
在实际的面包板布线之前，我们首先先设计所有组件的布局，并仔细检查所有组件的位置是否与LCD冲突。
步骤15：引脚映射设计
这一步是可选的，只是为了使线路更加整洁（由于所有的线路都隐藏在LCD后面，这并不是必要的）。
大多数ESP32接口可以重新映射到任何GPIO引脚，除了SD_MMC。由于TTGO T8 v1.7已经内置了与SD_MMC接口连接的SD卡插槽，我想重用那些引脚连接到LCD SD卡插槽。
我在开发板下方使用了一些面包板线将一些GPIO重定向到其他面包板条，让整个布局看起来更加整洁：
[*]
模拟摇杆引脚GPIO 34和35至左下角
[*]
SD_MMC引脚GPIO 13、15、2和14至右上角
[*]
开始和选择按钮引脚GPIO 26和27至右下角
[*]
3v3连接至2个电源条
[*]
GND连接至电源条
[*]
模拟摇杆引脚 GPIO 34 和 35 连接到左下方
[*]
SD_MMC 引脚 GPIO 13、15、2 和 14 连接到右上角
[*]
开始和选择按钮引脚 GPIO 26 和 27 连接到右下角
[*]
3v3 连接到两个电源插头
[*]
GND 连接到电源插头
注意：
SPI显示器通常需要连接7个GPIO引脚，它们是CS、RESET、D/C、SCK、MOSI、MISO和LED。为了把GPIO的使用次数减少到3次，进行了一些安排：
[*]CS接地，表示始终使能
[*]复位连接到ESP32复位，LCD在ESP32复位时复位
[*]MISO不连接，无需从LCD读取数据
[*]LED连接至VCC，LCD背光始终100%开启
步骤16：面包板布线
以下是连接汇总：
ESP32
VCC -> LCD VCC & LED, I2S放大器模块VCC，摇杆VCC
GND -> LCD GND & CS, I2S放大器模块GND，摇杆GND，所有按钮GND
RST -> LCD RST
GPIO 34 -> 摇杆上下模拟
GPIO 35 -> 摇杆左右模拟
GPIO 32 -> LCD D/C
GPIO 33 -> LCD MOSI
GPIO 25 -> LCD SCK
GPIO 26 -> 按钮开始
GPIO 27 -> 按钮选择
GPIO 23 -> 按钮X
GPIO 18 -> 按钮Y
GPIO 5 -> 按钮A
GPIO 4 -> 按钮B
GPIO 14 -> SD SCK
GPIO 13 -> SD CS
GPIO 15 -> SD MOSI
GPIO 2 -> SD MISO
GPIO 22 -> I2S放大器模块BCLK
GPIO 21 -> I2S放大器模块WCLK（或称LRC）
GPIO 19 -> I2S放大器模块DOUT（或称DIN）
I2S放大器模块GAIN -> 100欧姆电阻 -> GND（可选15 dB增益）
I2S放大器模块+ve -> 扬声器+ve
I2S放大器模块-ve -> 扬声器-ve
步骤17：可选电池
TTGO T8 v1.7开发板内置了锂电池充电和稳压电路。连接一个锂电池可以让游戏机变得更便携式，但对于原型设计来说并不是必要的。
面包板背后有一个很大的平面，可以放置一个非常大的锂电池。
步骤18：程序
操作步骤如下：
[*]连接设备的 USB 线
[*]打开 Arduino IDE
[*]打开 esp32-nofrendo 示例代码（"文件" -> "示例" -> "arduino--nofrendo" -> "esp32-nofrendo"）
[*]检查 hw_config.h 和 display.cpp 中的配置参数，默认参数已设置为此面包板的
[*]按下 Arduino IDE 的 "上传" 按钮
注意：
有时需要拆卸 SD 卡才能成功上传。
步骤19：ROM
https://dfrobot.loll.cc/video/arduino-nofrendo_default_ROM_when_no_ROM_file_found-%5B7kNzhut69Tc%5D.mp4
如果你手头没有任何 NES rom 文件，可以在网上找到许多自制的 NES rom，例如：
http://www.nesworld.com/article.php?system=nes&data=neshomebrew
我已经在“最佳自制任天堂娱乐系统游戏”中选择了一个名为“Chase”的简单游戏，用于esp32-nofrendo示例。
注意：
还推荐一个名为 "BLADE BUSTER" 的自制射击游戏，但是 rom 大小不能适用于没有 PSRAM 的开发板。（nofrendo 需要将 rom 文件加载到内存中）
步骤20：上传 ROM 文件
默认的 hw_config.h 参数设置为使用 SD 文件系统，只需将 ROM 文件*.nes复制到 SD 卡中并插入即可使其正常工作。
如果更改为使用 SPIFFS 文件系统，则 esp32-nofrendo 示例已经在 data 文件夹中包含了一个 "Chase.nes" ROM 文件。
只需在 Arduino IDE 中选择 "工具" 菜单 -> "ESP32 Sketch Data Upload" 将 ROM 文件上传到 ESP32 SPIFFS。
你也可以将 ROM 文件复制到数据文件并上传。
注意：
此时，esp32-nofrendo 示例将找到第一个 *.nes 文件并加载它。
步骤21：状态保存和加载
https://dfrobot.loll.cc/video/arduino-nofrendo_save_and_load_status_demo-%5Bu9vv19BoRd0%5D.mp4
状态保存和加载，也称为无限恢复，是一种简单的作弊技巧，可以帮助你更轻松地玩游戏。
NES没有X和Y按钮，我们要把它们用作状态保存和加载的按钮。
注意：
Nofrendo 设计了 10 个状态保存和加载插槽，目前 arduino-nofrendo 只能使用第一个插槽（插槽 0）。
步骤22：预制的 ESP32 控制台
目前市面上很少有预先构建为游戏机的ESP32开发设备，例如：
[*]TTGO T-Watch + Game 模块
[*]ODROID-GO
[*]M5Stack + M5Stack CardKB
步骤23：TTGO T-Watch + Game 模块
https://dfrobot.loll.cc/video/arduino-nofrendo%40TTGO_T-watch_with_Game_module-%5B84Oa6U_fY8I%5D.mp4
[*]打开 esp32-nofrendo 示例代码（"文件" -> "示例" -> "arduino-nofrendo" -> "esp32-nofrendo"）
[*]选择 "TTGO T-Watch"（"工具" -> "板子" -> "TTGO T-Watch"）按下上传按钮
[*]上传数据（"工具" -> "ESP32 Sketch Data Upload"）
参考：
https://t-watch-document-en.readthedocs.io/en/latest/introduction/index.html
步骤24：ODROID-GO
[*]打开 esp32-nofrendo 示例代码（"文件" -> "示例" -> "arduino-nofrendo" -> "esp32-nofrendo"）
[*]选择 "ODROID ESP32"（"工具" -> "板子" -> "ODROID ESP32"）
[*]按下上传按钮
参考：
https://www.hardkernel.com/shop/odroid-go/
步骤25：M5Stack + M5Stack CardKB
https://dfrobot.loll.cc/video/arduino-nofrendo%40M5Stack_with_CardKB-%5BTMt3Yy51bIw%5D.mp4
[*]
打开 esp32-nofrendo 示例代码（"文件" -> "示例" -> "arduino-nofrendo" -> "esp32-nofrendo"）
[*]
选择 "M5Stack-Core-ESP32"（"工具" -> "板子" -> "M5Stack-Core-ESP32"）
[*]
按下上传按钮
注意：
CardKB 一次只能读取一个按键被按下的信息，适合玩某些特定的游戏。
参考：
https://m5stack.com/collections/m5-core
https://m5stack.com/products/cardkb-mini-keyboard
步骤26：开始享受游戏
Arduino IDE 是一个非常易于使用的平台。esp32-nofrendo 示例只是一个起点，你可以在其上添加更多的功能，例如：
[*]触摸屏 UI
[*]像 RetroPie 一样的带艺术图像的游戏选择 UI
[*]玩游戏时进行存档
[*]状态插槽选择
[*]带存档的状态保存
[*]状态浏览和加载 UI，带有存档预览
[*]音量设置
[*]LCD 背光设置
赶快动手做一个你自己的 Arduino NES 吧！
参考资料
最佳自制任天堂娱乐系统游戏: http://www.nesworld.com/article.php?system=nes&data=neshomebrew_bestof
原文作者：陳亮
原文链接：https://www.instructables.com/Arduino-NES/
译文首发于：DF创客社区
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