Arduino Nano 驱动 128x64 OLED 实时运行康威生命游戏 (元胞自动机)

元器件清单

项目简介

在仅 128×64 像素的 OLED 上实时运行康威生命游戏——经典的二维元胞自动机。每个细胞只有生/死两种状态，遵循两条简单规则演化出复杂动态模式。项目展示了极简硬件跑迭代算法的魅力，适合学习数组操作、位运算优化、I2C 显示驱动。

背景知识：康威生命游戏规则

无限二维网格，每格为细胞，两种状态：存活(1) / 死亡(0)。每代同时更新：

• 诞生：死亡细胞周围恰好 3 个存活邻居 → 变为存活
• 存活：存活细胞周围有 2 或 3 个存活邻居 → 保持存活，否则死亡

邻居为周围 8 格（摩尔邻域）。简单规则产生振荡器、滑翔机、发射机等复杂结构。

硬件连接 (I2C)

将两块半面包板背靠背拼接，形成紧凑“掌上电视”造型。

软件库依赖

1. Adafruit GFX Library - 图形绘图核心
2. Adafruit SSD1306 - OLED 驱动

库管理器搜索安装，或下载 ZIP 导入。完整代码见 GitHub 仓库。

关键代码片段

#include 
#include 
#include 

#define SCREEN_WIDTH 128
#define SCREEN_HEIGHT 64
#define OLED_ADDR 0x3C  // 可能是 0x3D，需扫描确认

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);

// 网格缓冲区：128x64 = 8192 bits = 1024 bytes
// 用 uint8_t 数组按位存储，节省内存
uint8_t grid[SCREEN_WIDTH * SCREEN_HEIGHT / 8];
uint8_t newGrid[SCREEN_WIDTH * SCREEN_HEIGHT / 8];

// 位操作宏
#define GET_GRID(x, y) (grid[(y)*SCREEN_WIDTH/8 + (x)/8] & (1 << ((x)%8)))
#define SET_GRID(x, y) (grid[(y)*SCREEN_WIDTH/8 + (x)/8] |= (1 << ((x)%8)))
#define CLR_GRID(x, y) (grid[(y)*SCREEN_WIDTH/8 + (x)/8] &= ~(1 << ((x)%8)))

void setup() {
  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, OLED_ADDR)) {
    for(;;); // 初始化失败死循环
  }
  display.clearDisplay();
  randomSeed(analogRead(0));
  initRandomGrid();  // 随机初始化
}

void loop() {
  computeNextGeneration();
  drawGrid();
  delay(100);  // 可调节演化速度
}

// 计算下一代：遍历每个细胞统计邻居
void computeNextGeneration() {
  memcpy(newGrid, grid, sizeof(grid));
  for (int y = 0; y < SCREEN_HEIGHT; y++) {
    for (int x = 0; x < SCREEN_WIDTH; x++) {
      int neighbors = countNeighbors(x, y);
      bool alive = GET_GRID(x, y);
      if (alive && (neighbors == 2 || neighbors == 3)) {
        SET_GRID(x, y);
      } else if (!alive && neighbors == 3) {
        SET_GRID(x, y);
      } else {
        CLR_GRID(x, y);
      }
    }
  }
  memcpy(grid, newGrid, sizeof(grid));
}

// 环形边界条件 (环面拓扑)
int countNeighbors(int x, int y) {
  int count = 0;
  for (int dy = -1; dy <= 1; dy++) {
    for (int dx = -1; dx <= 1; dx++) {
      if (dx == 0 && dy == 0) continue;
      int nx = (x + dx + SCREEN_WIDTH) % SCREEN_WIDTH;
      int ny = (y + dy + SCREEN_HEIGHT) % SCREEN_HEIGHT;
      if (GET_GRID(nx, ny)) count++;
    }
  }
  return count;
}

void drawGrid() {
  display.clearDisplay();
  for (int y = 0; y < SCREEN_HEIGHT; y++) {
    for (int x = 0; x < SCREEN_WIDTH; x++) {
      if (GET_GRID(x, y)) display.drawPixel(x, y, WHITE);
    }
  }
  display.display();
}

void initRandomGrid() {
  for (int i = 0; i < sizeof(grid); i++) grid[i] = random(256);
}

优化技巧

• 位运算存储：128×64 网格仅占 1KB RAM (Nano 2KB)，留足空间
• 双缓冲：`grid`/`newGrid` 避免就地更新破坏邻居计数
• 环形边界：取模运算实现环面拓扑，滑翔机不会撞墙消失
• 仅绘制存活像素：`drawPixel` 比填充矩形快

常见问题

• OLED 地址非 0x3C：运行 I2C 扫描器确认
• 显示乱码/花屏：检查拉高电阻 (模块通常板载)、供电稳定性
• 速度太慢：减少 `delay`、优化邻居计数查表法、用 U8g2 库替代

资源链接

• Adafruit GFX 库
• Adafruit SSD1306 库
• 项目完整代码仓库