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，平面这些基本图形，大致尝试做了一下反射、光照、阴影等效果。
↑ 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，以前的GBA也留着，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手册，很适合我这种人折腾。
初代GBA
在写程序之前，我要先花点时间了解GBA。作为黑白掌机GB的下一代，GBA（Game Boy Advance）是任天堂2001年的推出的彩色游戏掌机。它的硬件如下：
- 屏幕：16位色深，240x160的液晶屏幕，初代无背光。
- 处理器：16.78Mhz的RISC类型的32位CPU（型号为ARM7TDMI，不支持浮点数）
- 内存（RAM）：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。内部内存读写要比外部内存快一些。
- 游戏卡（ROM）：游戏卡容量最大32M，除了大部分只读储存器，也有一小部分可擦写的闪存用于储存游戏存档
虽然GBA的处理器频率比起现在的GHz级别的处理器实在太低，但只要使用得当，完全可以满足游戏，阅读器，播放器等程序的需求。内存同理。
其实，GBA的硬件和现在的嵌入式很相似，很适合入门学习系统底层和嵌入式开发。但是现在网络上GBA的中文资料很少，所以我打算不直接从写代码讲起，而是先分享我了解到的GBA开发的所有知识，希望能吸引更多人入门GBA编程。
这是接下来我几篇系列文章的大纲：
- 配置GBA开发和编译环境
- GBA的功能和运行机制
- 编写GBA库
- 光线追踪基础
- 在GBA上实现光线追踪基础结构
- 几种常见几何体的光线求交算法
- 实现光照，阴影和材质
- 实现动画系统
- 迁移到PC上
第一篇：配置GBA开发和编译环境
关于配置环境更详尽的教程：TONC教程：建立开发环境
开发前的准备
准备一台电脑 : ） 本文介绍的是在windows电脑上的配置。
GBA开发主要使用C语言，因为GBA上没有系统，运行的是裸机代码，C能和底层交互。虽然C++也可以，但不如C快、小。
因此要想玩好GBA，要熟悉C语言，了解系统底层原理。即使不太会也没关系，俺也不会，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（俺也不会）
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。我们通过将电脑伪装成一台主机，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。（前提是电脑要有串口，相信现在大多数电脑都没有，我也乖乖买了使用SD卡的烧录卡）
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公司就提供了它们处理器的工具链。
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是运行在linux上并编译到linux的，也有编译到ARM的gcc-arm，这叫交叉编译。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在Windows上编译ARM的gcc编译器，附带其他工具，组成了工具链。
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。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，makefile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devkit Pro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，因为库、编译路径等原因），点选需要的组件(GBA)，之后就会开始联网下载。
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。
如果成功了，恭喜你，可以往下看开始配置新项目然后写代码了！
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或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，可以试试卸载重装到C盘 orz
配置新项目
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）
新项目配置
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
- 全部重新生成命令行 输入 make clean （换行）make
- 清除命令行 输入 make clean
- 输出 _run.bat
这个输出指的是在点击运行按钮后会运行的程序，因为我们生成的结果是一个.gba文件，是不能当exe运行的，所以我用了一个取巧的办法，建立一个_run.bat命令脚本，里面写上：
start %MGBA% xxx.gba （%MGBA% 是模拟器程序的路径，我把这个路径添加到系统Path里了，MGBA等价于 C:/Programs/mGBA/mGBA.exe）
这样只要按vs里的运行，就会开始编译，用模拟器运行编译好的.gba文件。
- 最后一点，make命令实际会查找当前目录里的makefile文件，然后按照里面的说明来编译，因此我们要到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。可以新建一个文件夹例如/include，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头文件文件夹，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
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。
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。
参考资料
