МОДЕЛЬ ІГРОВОЇ ПЛАТФОРМИ НА БАЗІ МІКРОКОНТРОЛЕРА

Abstract

Пояснювальна записка до кваліфікаційної роботи “Модель ігрової платформи на базі мікроконтролера” містить: сторінок основного тексту, рисунків (що ілюструють архітектури, схеми, результати моделювання та експериментів), додатки (включаючи детальну інструкцію користувача для зібраного прототипу та схему розширеної версії), використане джерело (включно з науковими статтями, технічною документацією та стандартами). Об'єкт дослідження – процес проєктування, моделювання та оптимізації портативної ігрової консолі на базі мікроконтролера ESP32, що охоплює системний аналіз вимог, вибір апаратної конфігурації (включаючи дисплей, систему керування, живлення), розробку програмного забезпечення (адаптація емулятора 8-бітних систем NES) та застосування математичних методів для ефективного розподілу системних ресурсів. Предмет дослідження – моделі, методи та алгоритми оптимізації використання обмежених ресурсів мікроконтролера ESP32 (оперативна пам'ять SRAM – близько 400 КБ доступно, обчислювальна потужність двоядерного ЦП Xtensa LX6 – до 200 МГц в оптимальному режимі, енергоспоживання – цільовий показник до 300 мВт) за допомогою методів лінійного програмування, зокрема симплекс-методу, з метою максимізації ключового показника продуктивності – частоти кадрів (FPS) – при емуляції ретро-ігор.

Мета роботи – розробка та експериментальне дослідження науково обґрунтованої моделі ігрової платформи на базі ESP32, яка дозволяє шляхом застосування симплекс-методу оптимізувати розподіл ресурсів між підсистемами графіки, звуку та ігрової логіки для досягнення стабільної продуктивності (цільовий FPS > 15), забезпечення тривалого часу автономної роботи (ціль 6-8 годин) та мінімізації собівартості кінцевого пристрою (ціль < £30). Методи дослідження: системний аналіз (визначення вимог та обмежень); теоретичний аналіз (архітектури ESP32 та NES, методи емуляції); математичне моделювання (побудова лінійної моделі ресурсозалежності FPS, формулювання задачі лінійного програмування); методи оптимізації (симплекс-метод для знаходження оптимального розподілу ресурсів); комп'ютерне моделювання (Python/SciPy для розв'язання задачі оптимізації, MATLAB для візуалізації результатів); експериментальне дослідження апаратних прототипів (вимірювання FPS за допомогою програмного лічильника, вимірювання енергоспоживання за допомогою мультиметра, тестування стабільності та часу безвідмовної роботи); порівняльний аналіз (теоретичні прогнози моделі та експериментальних даних, порівняння з іншими методами оптимізації). Наукова новизна одержаних результатів: • Вперше запропоновано та апробовано застосування симплекс-методу для формалізованого, кількісно обґрунтованого розподілу ресурсів (SRAM між графічним буфером та аудіоданими, визначення оптимальної робочої частоти ЦП) при розробці емуляційної ігрової платформи на мікроконтролері ESP32, що дозволяє досягти оптимального компромісу між продуктивністю (FPS) та енергоспоживанням. • Удосконалено математичну модель продуктивності емулятора на ESP32 шляхом врахування специфічних апаратних обмежень: пропускної здатності SPI-шини при роботі з TFT-дисплеєм (ідентифіковано як основне вузьке місце, що обмежує теоретичний FPS до ~46.5), особливостей розподілу SRAM та можливостей паралельної обробки на двоядерній архітектурі Xtensa LX6. Це дозволяє здійснювати більш точне теоретичне прогнозування продуктивності порівняно з емпіричними підходами. • Отримала подальший розвиток методика експериментальної верифікації моделей оптимізації для вбудованих систем реального часу, що підтвердило адекватність розробленої лінійної моделі (експериментальний FPS=14.8 при теоретичному 15.25, похибка 3%) та ефективність знайденого оптимального розподілу ресурсів (250 КБ графіки, 150 КБ звуку, 175 МГц) для тестової гри-платформера. Практичне значення результатів: Розроблено науково обґрунтовану модель та методологію проектування, що дозволяє розробити оптимізовану портативну ігрову консоль на базі ESP32. Прогнозована продуктивність передбачає стабільний FPS (приблизно 15 кадрів на секунду для 2D-платформера), тривалий час роботи від батареї (приблизно 8 годин з батареєю 2000 мАг) та низьку вартість (25-30 фунтів). Запропонований підхід до симплексної оптимізації є універсальним і може бути застосований для балансування ресурсів в інших типах вбудованих систем (пристрої Інтернету речей, системи моніторингу). Отриманий апаратний прототип (ESP32, дисплей ILI9341 та плата керування) та адаптоване програмне забезпечення (емулятор Nonfrendo в середовищі Arduino IDE) можуть служити готовою платформою для освітніх проектів, пов'язаних з мікроконтролером, емуляцією та методами оптимізації, а також основою для подальшого комерційного розвитку на нішевому ринку недорогих ретро-консолей. Структура роботи: Робота містить вступ, п'ять логічно пов'язаних розділів, загальні висновки, список з 21 використаного джерела та 2 додатки. • Вступ обґрунтовує актуальність теми, визначає мету, об'єкт, предмет, методи дослідження, формулює наукову новизну та практичне значення роботи. • Перший розділ присвячено аналізу предметної області: розглянуто сучасні комерційні консолі (PS5, Xbox, Switch, Oculus), проаналізовано апаратні платформи для DIY-проєктів (Arduino Uno, ESP32, Pi Pico), вивчено існуючі саморобні консолі (Arduboy, GamePi, ESPboy), визначено цільову аудиторію та сформульовано науково-технічне протиріччя й завдання дослідження. • Другий розділ закладає теоретичний фундамент: детально аналізується архітектура цільової платформи емуляції NES (процесор Ricoh 2A03/6502, PPU, APU, маппери), розглядаються теоретичні принципи емуляції (інтерпретація, JIT, cycle-accurate), глибоко аналізується архітектура ESP32 (ядра Xtensa LX6, пам'ять SRAM, інтерфейс SPI), обговорюються теоретичні проблеми синхронізації емульованих компонентів та взаємодії з периферією. • Третій розділ представляє розроблену математичну модель: формалізовано цільову функцію (максимізація FPS) та систему лінійних обмежень (SRAM, частота ЦП, потужність); побудовано рівняння для оцінки часу обробки вводу-виводу та рендерингу кадру на TFT-дисплей через SPI; сформульовано задачу лінійного програмування та наведено її розв'язання симплекс-методом (оптимальні значення: x_1=250 КБ, x_2=150 КБ, x_3=175 МГц, FPS=15.25); проведено аналіз адекватності моделі та визначено її обмеження. • Четвертий розділ описує процес матеріалізації моделі: вибір конкретних апаратних компонентів (ESP32, ILI9341, кнопки, акумулятор), проєктування та виготовлення плати управління, збирання прототипу в пластиковому корпусі; розробка програмного забезпечення в Arduino IDE, включаючи адаптацію емулятора Nonfrendo, написання драйверів для дисплея та кнопок, реалізацію завантаження ROM-файлів та створення користувацького меню. • П'ятий розділ присвячено експериментальній валідації: описано методику проведення експериментів та вимірювань (FPS, енергоспоживання); представлено результати тестування прототипу на грі-платформері (середній FPS=14.8, P=280 мВт, час роботи ~8 годин) 21; проведено порівняльний аналіз експериментальних даних з теоретичними прогнозами моделі (похибка 3%); виконано аналіз чутливості моделі шляхом зміни коефіцієнтів та обмежень; обговорено виявлені недоліки (перевернутий екран, лінійність моделі) та запропоновано шляхи подальшої модернізації (нелінійна оптимізація, швидший дисплей, додавання звукового чіпа) 22. Апробація результатів: Результати розробки математичної моделі та методики оптимізації були представлені у вигляді розрахунково-графічної роботи 23 та обговорені на засіданні кафедри комп'ютерних систем та мереж