用C在GBA上写光线追踪（0）配置开发编译环境

前段时间用C#写了一个光线追踪程序，可以渲染圆球，平面这种基本图形，反射，光照，阴影，都大致尝试做了一下。

↑ C#实现的光线追踪

   

↑ GBA上C实现的光线追踪

然而，在我打算继续深入优化的时候，我失去了我的好帮手强强电脑，换成了超极本。看来继续做技术密集型光线追踪是不行的了。就在这时，我看到了一些GBA的开发文章，我又刚好有一台GBA，于是我产生了一个大胆的想法——在GBA上实现光线追踪。GBA架构清晰简明，入手门槛低，而且还有一个官方的编程指南，很适合我这种人折腾。

 

旧版GBA

在写程序之前，我要先花点时间了解GBA。GBA（Game Boy Advance）是任天堂2001年的推出的彩色游戏掌机，它的前身是黑白掌机GB。

GBA有一个16位色深，240x160的液晶屏幕，初代无背光。

它有一个频率为16.78Mhz的32位RISC类型的CPU（ARM7TDMI）。虽然和现在的几GHz的处理器比起来实在太低，但只要使用得当，还是可以做出很多东西的。

除此之外，它机身的内存有两部分，一个是32KB的内部工作内存，还有一个256KB的外部工作内存。这两个内存都是掉电数据就没了的ROM。插入机身的游戏卡容量最大32M，游戏卡大部分内存是只读的，但一部分可擦写储存游戏存档。

详细的功能和GBA的运行原理我就先不讲了，我们从最迫切的配置开发和编译的环境开始，之后再慢慢介绍功能。

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本来我想直接从写代码开始讲的，但是现在网络上GBA的中文资料很少，而GBA简单的硬件又很适合学习系统底层和嵌入式开发，所以我还是详细的讲述我了解到的所有知识，希望能吸引更多人了解并入门GBA编程。

更好的教程：TONC教程：建立开发环境

开发前的准备

Windows系统的电脑，因为我只有这个。

GBA主要使用C语言，虽然也许能找到C++编译到GBA的编译器，但GBA上运行的是裸机代码，C速度快，也适合和底层交互。因此要想玩好GBA，要熟悉C语言，了解系统底层原理，不过即使不太会也没关系，我也不会，用着用着 踩多几个坑就熟悉了。

为了方便测试，当然要有一个GBA的模拟器，这样就不用每次都把程序放到真机上运行了。我推荐mGBA，这是一个新开发（2013年）的模拟器，开发它的人希望兼顾准确性和速度。它不仅可以显示地图，精灵，调色板，还可以使用GDB调试（虽然我还不会）

如果你想在真机上运行，可以采用两种方法。1、使用flash烧录卡，将程序写入到烧录卡里就可以插入到GBA上运行。但烧录卡一般比较贵，即使是GBA完全不流行的现在也要150~1000元。2、使用multiboot线，直接把程序送到机子256kB的内存里，不用插卡就能运行。这其实是利用了GBA多人连线游戏的功能，这个功能可以让一台机子通过连接线把小游戏发给其他机子，这样大家就可以一起玩小游戏了。我们通过把电脑假装成一台主机，就可以实现传输自己的程序。这种特制线一般买不到，需要的话可以自制，不太难成本也低。

要用什么编译器？

对于这种嵌入式的开发，最重要的是要有一套工具链。工具链是指编译器、连接器、解释器和调试器这些组成的一套工具，它可以把我们的代码编译成在特定机器上运行的机器代码。不同的机器的工具链一般不通用，例如ARM公司就提供了它自己的产品的工具链。

ARM的官方编译器

GBA用的就是ARM的CPU，因此可以从ARM那里找到工具链，但是时代久远，有点难找，而且可能是收费的。

gcc编译器

除此之外我们可以使用gcc的编译器，gcc是免费开源的编译器，是开源计划里的重要组成部分，这个东西大概程序员都知道，程序员们希望世界上所有程序都是开源的，可以自由修改，于是他们一起做了一个开源的编译器（gcc)，然后通过编译器做了开源的系统(linux)，然后在系统上写了开源的软件。一般的gcc是编译到linux的，但也有编译到ARM的gcc-arm。我们只需要针对GBA配置一个就可以了，当然我不会，不过一些GBA爱好者已经为我们做好了。

DevKitAdv：这个比较旧，需要使用.bat脚本管理编译。

devkitPro：整合了多个游戏机的工具链，支持GBA,NDS,PSP,NS等，可以按需下载，有这个新的就没必要用旧的了。这个工具内有一些makefile模板，可以使用makefile方便的管理要编译的内容，输入make就可以编译，很有了解的必要。

这些工具链中也提供了用于GBA的库libgba，包含了常用类型和数学运算库，内存操作，中断系统等一些常用的功能。

安装工具链

我这里介绍devkit Pro的安装：

去论坛里下载devkit Pro的Windows安装包，名称是devkitProUpdater，选择安装位置（建议C盘根目录），点选需要的组件(GBA)，之后就会开始联网下载。

选择devkitPro组件

安装之后打开安装目录，看看包含什么：

devkitARM：这就是工具链

examples：示例文件，里面有图像、音频演示，xboo连接线项目，还有一个空的项目模板。

libgba: devkitPro的GBA库；

libtonc：tonc教程的作者写的GBA库。

tools：一些小工具，例如修复rom头部，图像转换。

sys2等一些安装文件。

测试工具链

现在来测试能不能正常使用工具链。

打开examples->gba->graphics->SimpleBGScroll，在这里打开cmd（shift+右键菜单）（win10下是powershell）

在cmd下输入 make ，看看有没有编译出一个build文件夹和.gba的rom文件。

 

成功编译的输出

如果成功了，恭喜你，可以开始写代码了！

错误的解决方法

如果有错误，我这里列出了2种可能的原因：

1、cmd/PowerShell的目录地址不在 \divkitPro\examples\gba\graphics\SimpleBGScroll。

2、make指令是调用工具链里make.exe，如果没有添加Path，系统会找不到这个程序。

打开环境变量的窗口，检查是否已经配置了变量。正常情况下，应该有四个：1) 在Path里的“c:\devkitPro\msys2\usr\bin”，2) 名称为DEVKITARM的“/opt/devkitpro/devkitARM”，3) 名称为DEVKITPPC的“/opt/devkitpro/devkitPPC” ，4) 名称为DEVKITPRO的“/opt/devkitpro”。

如果检查无误还是不行，可以试试卸载重装orz

配置开发环境

我也不知道怎么配置一个既可以一键编译，又可以进行调试的开发环境。我只能介绍一下我摸索出来的勉强能用的方法。

我使用的是VisualStudio 2019，好像很多人觉得vs不适合嵌入式和Linux开发，但我vs用惯了，能不换就不换。vs2017后加入了Linux的开发组件，我觉得还是很好用的。如果你使用的不是vs，可以直接看文章末尾的TONC教程和附录里的其他方法。

首先我们需要安装VS2019的c/c++开发组件，还有Linux开发组件（为了可以建立makefile项目）

安装完成之后启动vs，新建一个makefile项目（翻译为生成文件项目）。

 

之后我们需要在项目属性的NMake里设置include文件的位置和make等命令。

包含搜索路径 设置为 /divkitPro/libgba/include和/libtonc/include的地址。

生成命令行 输入 make

最后一步，我们到devkitPro的examples里把示例文件的makefile复制到我们的项目根目录下。

生成

如果源文件里已经有main.c了，现在按生成->生成*你的项目名称* 或者Ctrl + B 应该就可以编译代码生成.gba文件了。

新建源文件

之后如果我们要新建一个源文件，在解决方案资源管理器的源文件里新建项，名称为xxx.c ，后缀为c，目录为项目里的/source

新建头文件

解决方案资源管理器的头文件里新建项，选择.h文件，并新建一个include文件夹。如果新建了include文件夹，要记得把这个文件夹地址加入项目的包含搜索路径。此外我们还要修改添加makefile里的include路径，不然编译器不知道。

由于makefile已经写好了模板，所以我们只需要在INCLUDES := 后面写include，他就会自动识别为项目目录/include。如果项目目录里有多个include文件夹，可以在include后加空格，再写名称。

 

makefile模板里有3处include地址：

1、我们写的 INCLUDES := xxx ，是项目目录里的。

2、devkitPro自带的两个库里的include

3、项目编译后产生的Build目录

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到这里应该已经介绍完配置环境的问题了，之后要学的就是如何编程使用GBA上的硬件。在下一篇文章之前，我先推荐一些对学习GBA编程很有帮助的内容。

开发资料推荐

GBA编程手册。这个好像是官方的手册，中文版翻译到第六章就没了。里面说明了GBA的硬件和功能，相当于GBA的说明书，应该是最有用的资料。

GBA教程TONC。非常全面，很有深度，但有些地方难度也比较大。这个教程也讲了如何配置环境，包括visual c++ 和 NP2编辑器的配置。此外还讲了makefile的原理和编写方法。（可惜中国打不开）

GBA开发网站。存了很多开发的软件和资料，还有别人做好的游戏。

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下一篇文章我会再讲讲GBA的硬件和基本运行原理，之后就开始写光线追踪程序。

如果有机会我会再写一篇文章讲讲如何调试GBA程序。

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附录

Eclipse+devkitPor搭个GBA开发环境

GBA开发入门：做一个名叫Hello World的游戏