UEFIでうごくゲームを作ってみた〜2017年夏休みの自由研究〜

View Slide

奈良阪
奈良阪
ドリコム2015新卒(3年目) T
yp
e
S
cr
ipt
と
R
u
by
書いてます
T
yp
e
S
cr
ipt / C
# / P
er
l / R
u
by
あたりが好き
その他: 伺か / 漫画読み描き / OP
アニメ愛好家 / 鉄
T
w
itt
er: @nar
az
aka
G
it
hu
b: @N
ar
az
aka
np
m: @nar
az
aka
CPAN
: NARA
Z
AKA
R
u
byG
ems: N
ar
az
aka
P
ix
iv: 奈良阪
M
edia
M
ar
ker: nar
az
aka

View Slide

※
注意:
いわゆる「○○
やってみた」
系の発表です。
UEFI
ガチ勢、C
++ガチ勢の方々
は生暖かく聞いて下さ
い。

View Slide

夏休みの自由研究の目標
（
そういうテー
マでなんかやってくれって言われたので）
UEFI
で動くなんらかのゲー
ムエンジンを作りたい

View Slide

UEFI
とは
コンピュー
ター
で
OS
を立ち上げる前に動く
BIOS
関係の仕様
W
indows
立ち上げる前に
HP
とか
T
hink
P
ad とか Z
OT
AC
とかロゴ
が出てるあそこ
2010年以降の
PC
(M
ac込み)で旧来の
BIOS
から徐々
に置き換わって
いる
OS
なし状態にもかかわらず結構高水準な
API
が存在する←
ここ重要
例:
キー
ボー
ド, マウス, ファイルシステム, 画面表示, ネットワー
ク, et
c.

View Slide

モチベー
ション
‑ 個人的に「
どこでも動く」
プログラムが至高という想い
‑ 近年の
PC
にはあまねく
UEFI
が載っている
‑ UEFI
で実装すれば
OS
という枷を超えてどこでも動く
‑ JVM
なんかメじゃないぜ（
無理
‑ 最近
C
++触ってなかったのでリハビリしておきたい

View Slide

参考資料
C
92(コミケ)新刊:
フルスクラッチで作る!UEFI
ベアメタルプログラミング (大神祐真)
http://yu
ma.ohgami.jp/
※
ベアメタルプログラミング:
OS
を使わない、
ハー
ドウェア上の低レイヤー
のプログラミング
※
この資料上では仕様からヘッダファイルを起こすところまで自作していますが、
さす
がにきついので
EDK II
由来のヘッダファイル群 kiz
nit/u
efi‑headers
を利用しました。
リファレンスとしては
P
hoenixW
iki が割と見やすいと思います。

View Slide

UEFI
ベアメタルプログラミング
OS
なし
libc/libc++ではない(POSI
X標準ではない)独自の
API
ベー
ス
C
++ (参考資料では
C
)
ファイルシステムは
FA
T
(USB
フラッシュメモリに入れる)
動作確認は
QEMU
最近の
PC
(M
ac系含む)には載ってるので一応ある程度動作するはず

View Slide

実装したもの
とりあえず
UEFI
の
API
をラップ
C
ons
ole（wr
it
e
L
ineとか), F
ile
S
yst
em（r
ead, r
eaddir
等）
ゲー
ムに要りそうなやつ
描画系（1dot、
矩形、
円形、
画像描画）
入力系（
get
c相当他、
on
K
eyP
r
ess、
on
M
ous
e*）
簡易イベントルー
プ
ゲー
ムに要りそうなやつで付随して必要になったもの
p
ng等一般画像形式読み込みライブラリの統合
st
dlib.hとstr
ing.hの一部(mallocとか)
フォント
ゲー
ム本体
簡易シー
ンマネー
ジャー（
諸事情によりマクロ）
ノベルゲー
ムシナリオインター
プリター
マウスカー
ソル描画

View Slide

大体こんなん
こういうシナリオファイルと画像を入れておけばマウスキー
ボー
ドポチ
ポチで読み進められるノベルゲー
#
b
g
_
s
c
h
o
o
l
.
p
n
g （
背景ファイル）
:
R
0
=
s
u
r
f
a
c
e
0
.
p
n
g （
人物0
のファイルを右に描画）
:
L
1
=
s
u
r
f
a
c
e
1
0
.
p
n
g （
人物1
のファイル左に描画）
@
ねぷ（
名前欄）
>
はろー（
セリフ）
‐ （
ここまでが1
セリフ）
:
R
0
=
s
u
r
f
a
c
e
1
.
p
n
g
>
にゅー
わー
るど
‐

View Slide

アレのパクリスプラッシュ

View Slide

マウスクリックでも動きます

View Slide

ポチポチすすめる
ADV

View Slide

C
onsole（write
L
ineとか),
F
ile
S
ystem（read, readdir等）
st
dout
とst
derr
の別はないが文字は出せるので普通にラッパを実装
op
en, r
ead, r
eaddir, clos
eの流れは大体一緒
op
endir
とop
enの区別がなくて一緒くたに処理する
なお文字列は w
c
h
a
r
_
t
*
相当の C
H
A
R
1
6
*
=
E
F
I
_
S
T
R
I
N
G
(UTF
16LE
)
パス区切りは
FA
T
っぽく \
\
(
E
F
I
_
S
T
R
I
N
G
)
L
"
f
o
n
t
s
\
\
3
3
.
p
n
g
"

View Slide

描画系
1ドットごと色変更と、
ビットマップをバルク転送する
B
lt() API
矩形、
円形描画、
画像描画（
透過色対応）
など実装
参考に読んだ記事では
EDK II
では透過対応が完全ではないとのこ
と。
（
まあ見るからに重い処理だし……）
入力系
待ちなしでキー
入力とマウスが受けられる
イベントルー
プ中差分把握を実装してon
M
ous
e
L
eftC
lick等も実装
QEMU
だとマウスが効かなかったので実機確認のみになった

View Slide

イベントルー
プ
複数のイベントを待ち受けできる
API
が存在するので、w
hile(tru
e)
ルー
プ内でイベント番号でsw
it
chして処理できる
今回は30fps
で発生するイベントとキー
ボー
ド入力イベントをとっ
てます
マウスカー
ソル
1フレー
ムごとに、
描画する領域色を保存して描画して前にいた場
所の色を戻すみたいなことをしている
オフスクリー
ンレンダリングやレイヤー
利用していないので、
タイ
ミングによっては色が乱れる
画像、
フォント、
libc、
シー
ンマネー
ジャー
このあと述べます

View Slide

直面した問題・
ハマりどころ
（UEFI
だから、
というより制約下のフルスクラッチ風味
C
/C
++開発故と
いうものが多いです）

View Slide

libc/libc++相当が使えない
クロスコンパイラ氏、
そういうものを用意してくれてはいない。
最終的に
m
a
l
l
o
c
, f
r
e
e
, r
e
a
l
l
o
c
, a
b
s
, i
t
o
a
(
s
t
d
l
i
b
.
h
)
m
e
m
s
e
t
, m
e
m
c
p
y
, s
t
r
n
c
p
y
, s
t
r
c
p
y
, s
t
r
c
a
t
, s
t
r
l
e
n
(
s
t
r
i
n
g
.
h
)
を自前で書くことに……。
/
/
例: m
a
l
l
o
c
v
o
i
d
* m
a
l
l
o
c
(
U
I
N
T
N s
i
z
e
) {
v
o
i
d *
p
t
r
;
E
F
I
_
S
T
A
T
U
S S
t
a
t
u
s = l
i
b
c
:
:
B
o
o
t
S
e
r
v
i
c
e
s
‐
>
A
l
l
o
c
a
t
e
P
o
o
l
(
E
f
i
L
o
a
d
e
r
D
a
t
a
, s
i
z
e
, &
p
t
r
)
;
r
e
t
u
r
n S
t
a
t
u
s =
= E
F
I
_
S
U
C
C
E
S
S ? p
t
r : n
u
l
l
p
t
r
;
}
フルスクラッチ風味とかこだわらず単に
UEFI
アプリケー
ションを作りたいだけなら、
EDK II
という
SDK
を使うとこの辺には困らないはず。

View Slide

画像処理系等のライブラリ stb の導入
やっぱ画像なら
PNG
を読みたい。
フォントも使いたい。
しかし前提としてlibcがないのでlibp
ngとかは無謀そう。
stb ‑ single‑file public domain libraries for C
/C
++
(nothings/stb)
画像、
音声、
タイルマップ、
フォント周りとかが揃ったシングルファイ
ルヘッダー
構成かつ他への依存がないライブラリがあった。
神か。

View Slide

画像処理系等のライブラリ stb の導入(続き)
#inclu
de dlib.h> // 自前libc
#define
STB
_IMAGE
_IMPLEMENT
A
TION
#define
STBI
_ASSERT
(x) // assert.h がないので無視
#define
STBI
_NO
_STDIO
// stdio.h がないのではずす
#define
STBI
_NO
_LINEAR
// math.h がないのではずす
#define
STBI
_NO
_HDR
// math.h がないのではずす
#define
STBI
_ONL
Y_PNG
#define
STBI
_MALLOC
(sz) malloc(sz) // 自前malloc, free, realloc
#define
STBI
_FREE
(p) fr
ee(p)
#define
STBI
_REALLOC
_SI
Z
ED
(p,oldsz,newsz)
r
ealloc_s
iz
ed(p,oldsz,newsz)
#inclu
de b_image.h> // stbの画像処理系本体
制約の強い環境も考えてくれてる良いライブラリだ……

View Slide

画像処理系等のライブラリ stb の導入(続き)
画像読み込み系のst
b_image.hは導入できた
画像リサイズ系のst
b_image_r
es
iz
e.hはmath.hが必要
フォント処理系のst
b_tru
etyp
e.hもmath.hががっつり必要
→
mat
h.h実装がないと画像リサイズ不可&フォントは別で用意する必要

View Slide

reallocをまともに実装すると実は大変
st
b導入に際し r
e
a
l
l
o
c
が必要になったが……
ネイティブ
API
は m
a
l
l
o
c
相当の A
l
l
o
c
a
t
e
P
o
o
l
と f
r
e
e
相当
の F
r
e
e
P
o
o
l
しかない
この制約下での r
e
a
l
l
o
c
は f
r
e
e → m
a
l
l
o
c
か、
最初にメモリ位置
指定までできる A
l
l
o
c
a
t
e
P
a
g
e
s
を使うしかなさそう。
どちらにしても、
現在どのポインタがどのサイズを持っているかとい
う情報を保持せねばならない。
↑
大変
（EDK II
では頑張って実装していた。）
（st
bにはサイズ情報を追加で渡すr
ealloc_s
iz
edという拡張呼び出しが用
意されていたのでなんとか事なきを得た。）

View Slide

失われた math.h を求めて
1. フォントやリサイズを使うためにはmat
h.hが必要
2. ヘッダー
ファイルとしてのmat
h.hは使えるのだが、UEFI
クロスコ
ンパイル環境だと実装がなさそう？
3. 「
mat
h.h 実装」[検索]
4. どうやらfdlibmというライブラリがもとになっているらしい？
5. fdlibmは古く、W
ebでファイルを配ってるだけなので導入しにくさ
6. ただし
M
akefileがめっちゃシンプルで良い
7. G
it
hu
bにあるのだと
J
ulia
L
ang/openlibm が使いやすそう
8. 結局時間切れにより導入には至らず

View Slide

フォントの用意
前提: BIOS
に日本語フォントはなく、ttf、
otfは使えない
→
フォントを
PNG
にして都度読み込み
1. フォントを用意
JF
ドット
K
app
a20‑0213
2. t
ar
lety/tt
f2p
ngがフォントが対応している文字ごとに1つずつテキス
トファイルに出してくれるのでその部分だけ使う（
他部分は古くて
動かなかった）
3. テキストファイル全部をさらって
I
mage
M
agickでp
ngにする
c
o
n
v
e
r
t ‐
b
a
c
k
g
r
o
u
n
d n
o
n
e ‐
f
i
l
l b
l
a
c
k +
a
n
t
i
a
l
i
a
s ‐
f
o
n
t J
F
‐
D
o
t
‐
K
a
p
p
a
2
0
‐
0
2
1
3
.
t
t
f ‐
p
o
i
n
t
s
i
z
e 2
0 l
a
b
e
l
:
@
#
{
t
e
x
t
_
f
i
l
e
}
f
s
/
f
o
n
t
s
/
文字コー
ド数値.
p
n
g
"
4. UEFI
では
FA
T
ファイルシステム上においたファイルが普通に読める
ので頑張って1文字ごと表示時に画像読みまくって描画

View Slide

フォントの用意（
ボツ案）
UEFI
では
FA
T
ファイルシステム上においたファイルが普通に読める
ので頑張って1文字ごと表示時に読みまくって描画
1. 控えめに言って酷い
2. 昔のコンピュー
タの日本語フォント
ROM
よろしくデー
タを全部
st
at
icに持ってしまうのはどうか？
3. p
ngからむりやりデー
タのcpp
ファイルを生成↓
c
o
n
s
t p
n
g = P
N
G
.
s
y
n
c
.
r
e
a
d
(
i
m
a
g
e
.
r
e
a
d
F
i
l
e
S
y
n
c
(
)
)
;
.
.
.
f
o
n
t
s
S
t
r +
= `
s
t
a
t
i
c U
I
N
T
8 c
f
o
n
t
_
$
{
c
h
a
r
C
o
d
e
}
_
a
l
p
h
a
[
] {
`
;
f
o
r (
l
e
t i = 0
; i < l
e
n
g
t
h
; +
+
i
) {
f
o
n
t
s
S
t
r +
= `
$
{
p
n
g
.
d
a
t
a
[
i * 4 + 3
]
}
,
`
;
}
f
o
n
t
s
S
t
r +
= `
}
;
\
n
`
;
バイナリが8MB
くらいになって、
起動失敗したので断念

View Slide

C
++はlib(std)c++がないとクラス関連機能が
色々
使えない
シー
ンをしようとクラスを作ったところで判明。
まずnew
演算子の参照がないと怒られるのでnew
できない
→ v
o
i
d
* o
p
e
r
a
t
o
r n
e
w
(
U
I
N
T
N s
i
z
e
) {
r
e
t
u
r
n m
a
l
l
o
c
(
s
i
z
e
)
;
}
など定義することで一応解決はできる
v
irtu
al関係はlibc++が型解決を受け持っているらしく使えない
→
cxx
abi.hで定義されててる__class_typ
e_infoまたは
__v
mi_class_typ
e_infoと言うクラスがないと実現できないっぽい。
C
++は言語組み込みでクラスの全挙動をサポー
トしているわけではなく、
インター
フェー
スだけ用意して実装は本質的に自前でやる必要がある……
だと……ッ!?

View Slide

なおvirtualが使えないと……
シー
ンマネー
ジャー
を作ろうとしたんですが……
/
/
親クラス = n
e
w
子クラス(
)
S
c
e
n
e
* s
c
e
n
e = n
e
w S
t
a
r
t
S
c
e
n
e
(
)
;
s
c
e
n
e
‐
>
u
p
d
a
t
e
(
)
;
この u
p
d
a
t
e
(
)
が子クラス
S
t
artS
ceneのものを指せないので、
無理矢理
ダウンキャストするなどしかない……？
今回はマクロで定数定義してsw
it
chで分岐するなど無理矢理対応し
た……。
#
d
e
f
i
n
e s
c
e
n
e
I
d
(
C
l
a
s
s
) C
l
a
s
s #
# I
d
#
d
e
f
i
n
e d
e
l
r
a
r
e
S
c
e
n
e
(
C
l
a
s
s
) s
t
a
t
i
c C
l
a
s
s * C
l
a
s
s #
# _
o
b
j
#
d
e
f
i
n
e i
n
i
t
S
c
e
n
e
(
C
l
a
s
s
) C
l
a
s
s #
# _
o
b
j = n
e
w C
l
a
s
s (
)
#
d
e
f
i
n
e s
c
e
n
e
C
a
s
e
(
C
l
a
s
s
) c
a
s
e C
l
a
s
s #
# I
d : \
C
l
a
s
s #
# _
o
b
j ‐
> u
p
d
a
t
e
(
)
; +
+ C
l
a
s
s #
# _
o
b
j ‐
> t
i
c
k
; b
r
e
a
k
;
#
d
e
f
i
n
e c
h
a
n
g
e
S
c
e
n
e
(
C
l
a
s
s
) c
u
r
r
e
n
t
S
c
e
n
e
I
d = C
l
a
s
s #
# I
d

View Slide

60fpsが出ない
多くのゲー
ムにおいて最大の障害
単純な w
h
i
l
e
(
t
r
u
e
)
;
ではなくタイマー
で描画スピー
ドを調整でき
はするが……？
C
or
e i7が載ってる
PC
の
QEMU
では元気に60fps
出してくれる
Z
BO
X
CI
320だと30fpsもでない
→
早期に認識していたので、
その辺関係ないノベルゲー
に絞った
やり方が間違っていたりするだろうか……？

View Slide

M
acで立ち上げると
FA
T
が読めなさそう？
会社の
M
acでも立ち上げてみたけれど、
画像とかが
USB
メモリから
読めてなさそうだった
UEFI
、FA
T
読めるはずだけど、
仕様上実装必須ではないのか？
「
どこでも動く」
の障害になりそう

View Slide

解像度変更すると画面上の各ピクセルを表す
ポインタ位置がバグる
解像度変更の
API
があるのだけれど、
画面上の色を表すポインタが
画面上シー
ケンシャルにならない
UEFI
起動すると解像度変更しなくてもディスプレイ最大に合わせて
くれるのであまり意識しなくて良い事項ではある

View Slide

描画の微妙な問題？
描画系（GRAPHICS
_OUTPUT
_PROTOCOL
）
の
API
コー
ル、
関数を
またいで呼ばれると描画処理が行われない場合がある？
とりあえず同じトコにまとめちゃったりしてうやむや解決したので
定かではないです。

View Slide

課題（
積み残し）
UEFI
mat
h.hを入れてフォントとリサイズしたい
レイヤー
管理等がなくベタ描画なのでチラつくし面倒
イベントルー
プまではなんとかしたが、
シー
ン管理とかは大分微妙
最後突貫工事でなんとかノベルゲー
にしたのでライブラリの形には
整っていない
……思ったより意外と積み残しが少ない？
ライブラリ化だけなんとかしてこのまんまギッハブに投げてもいい……？

View Slide

まとめ
UEFI
ゲー
ムエンジンではなく単体のゲー
ムができました
主に強い制限状況下での
C
++コー
ディングで、C
++の基盤を垣間見
ることができました
ゲー
ムエンジンっぽい部分は一応分けてあるのでなんとかして公開
したいですね

View Slide

UEFIでうごくゲームを作ってみた〜2017年夏休みの自由研究〜

UEFIでうごくゲームを作ってみた〜2017年夏休みの自由研究〜

Narazaka

More Decks by Narazaka

Other Decks in Technology

Featured

Transcript