基于嵌入式系统的游戏程序设计
发布时间：2010-8-13 15:31
发布者：lavida
关键词：
游戏
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0 引 言 随着近年来计算技术、通信技术的飞速发展，特别是互联网的迅速普及和3C(计算机、通信、消费电子)合一的加速，微型化和专业化成为发展的新趋势，嵌入式产品成为信息产业的主流。嵌入式系统被定义为以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用。而广泛用于制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表等，消费类产品，如果独立于应用自行发展，则会失去市场。嵌入式处理器在功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，这些也是各个半导体厂商之间的竞争热点。 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键。软件要求固化存储，软件代码要求高质量、高可靠性。 1 开发平台 一个完整的嵌人式系统结构如图1所示，设计中采用的硬件平台为基于Intel Xscale架构的PXA255开发板，CPU运算速度为400 MHz，FLASH为32 MB容量的Intel Strata FLASH，SDRM容量为64 MB，USBSlave支持USB1．1，LCD支持640×480分辨率。  由图1可以看出，一个完整的嵌入式系统不仅包含有硬件平台，还有运行于该硬件平台的操作系统和基于该操作系统的应用软件，而嵌入式LinUX只是众多嵌入式操作系统中的一个。 从20世纪80年代末开始，陆续出现了一些嵌入式操作系统，例如比较著名的有Vxwork，pSOS，Neculeus，QNX，ECOS，LYNX，Palm OS和Windows CE，这些专用操作系统都是商业化产品，其高昂的价格使许多低端产品的小公司望而却步；而且源代码的封闭性也大大限制了开发者的积极性。另外，结合国内实情，当前国家对自主操作系统的大力支持，也为源码开放的Linux推广提供广阔的发展前景。再者，对上层应用开发者而言，嵌入式系统需要的是一套高度简练，界面友善，质量可靠，应用广泛，易开发、多任务，并且价格低廉的操作系统。基于以上情况，采用嵌入式Linux操作系统作为开发的软件平台。 2 交叉编译工具链 在嵌入式系统软件的开发过程中，交叉编译工具链是极为重要的一环，设计并制作良好的交叉编译工具链是顺利实现软件开发的重要保障。 2．1 ARM-Linux的gcc交叉工具链 设计采用的Linux操作系统是经过修改与裁剪的ARM-Linux；使用的开发工具是非图形开发工具gcc。gcc交叉编译工具一般情况下需自行制作，制作方法较为简单，这里不做详细介绍。制作一条比较完整的ARM-Linux gcc交叉工具链主要用到如下软件包： binutils工具包(ftp：／／ftp．gnu．org／gnu／binutils)； gcc编译器(ftp：／／ftp．gnu．org／gnu／gcc)； glibc函数库(ftp：／／ftp．gnu．org／gnu／glibc)； glibc-linuxthreads包(ftp：／／ftp．gnu．org／gnu／glibe)； linux内核(ftp：／／ftp．kernle．org／pub／linux／kernel)。 如果Linux内核低于2．6版本，还应下载相应的内核补丁。(ftp：／／ftp．arm．linux．org．uk／pub／linux／arm／kernel／v2．4／) 2．2 SDL图形库 为使程序运行的界面更加友好和美观，在设计中要使用到图形函数接口，这就意味着要向前面的工具链(采用gcc工具链版本为3．3．2)添加第三方的图形函数库。设计中采用的SDL(Simple DirectMedia Layer)图形库为免费的跨平台多媒体应用编程接口，具有丰富的函数库，便于开发者使用。 2．2．1 SDL常用到的开发包 (1)SDL_Image：提供显示多种格式的图像显示接口，它支持bmp，png，jpeg，gif，tiff等； (2)SDL_Draw：提供画点线圆等几何图形的接口(SDL_gfx也含有这样的功能http：／／www．ferzkopp．net／joomla／content／view／19／14／)； (3)SDL_ttf：提供显示TTF文字的接口； (4)SDL_mixer：提供播放各种声音文件的接口。 把SDL编译到工具链用的并非PC机本身带的gcc编译器，而是要用到第2．1节已经做好了的交叉编译工具链。其中使用的pkg-Config工具版本要在0．15．0版本或以上。 SDL以及与SDL安装相关或有依赖关系的软件有：alsa-lib-1．0．15，audiofile-0．2．6，esound-0．2．38，freetype-2．1．9，jpegsrc．v6b，libid3tag-0．15．1b，libmad-0．15．1b，libpng-1．2．22，madplay-0．15．2b，SDL-1．2．12，SDL_draw-1．2．11，SDL_gfx-2．0．15，SDL_image-1．2．6，sdl_mad-0．1，SDL_mixer-1．2．8，SDL_ttf-2．0．9，tiff-3．8．2，tslib-1． 3，zlib-1．2．3。 2．2．2 交叉编译的主要步骤 主要步骤为： (1)设定环境变量：PREFIX为安装目录；CROSS为ARM-Linux-；PKG_CONFIG_PATH为pkgcon-fig的路径；ARCH在这里设成ARM；HOST注意要是ARM-Linux，而不是i386-linux(这与前面做ARM-Linux-gcc不一样)；BUILD设置为i386-linux。编译时一定要指定CC，NM，AR等变量，让它们跟交叉编译器对应的工具关联起来，否则编译时将会采用PC机Linux的gcc编译器进行编译，不能达到交叉编译的目的。 (2)按顺序依次编译如下软件： zlib编译命令行： ．／configure—shared—prefix=$PREFIX；make；make install。 freetype编译命令行： ．／configure—host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$PREFIX；make；make install。 libpng编译命令行： ．／configure —host=$(HOST)—build=$(BUILD)--prefix=$PREFIX；make；make install。 li^iff编译命令行： ．／configure—host=$(HOST)—build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)／usr--without-x --enable-zlib --with-zlib-include-dir=$(PREFIX)／include—with-zlib-lib-dir=$(PREFIX)／lib--with-jpeg-include-dir=$(PREFIX)／include —with-jpeg-lib-dir=$(PREFIX)／lib；make；make install。 tslib编译命令行： ．／configure—host=$(HOST)—build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)--cache-file=$(ARCH)-linux．cache --sysconfdir=$(PREFIX}／etc--enable-static ＆＆；make；make install。 Libmad编译命令行： ．／configure—host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)；make；make install libid3tag编译命令行： ．／configure—host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)；make make install madplay编译命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)；make；make install alsa编译命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)--disable-esd--disable-video-di-rectfb；make；make install。 audiofile编译命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)--disable-esd--disable-video-di-rectfb；make；make install。 esound编译命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build=$(BUILD)-prefix=$(PREFIX)--disable-esd--disable-video-di-rectfb；make；make install。 SDL编译命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)--with-esd-exec-prefix=$(PREFIX)--disable-video-directfb；make；make install。 sdl_image编译命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)--with-sdl-exec-prefix=$(PREFIX)--enable-sdhest；make；make install。 sdl_tff编译命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)--with-freetype-exec-prefix=$(PREFIX)；make；make install。 sdl_draw编译命令行： ．／configure-host=$(HOST)--build=$(BUILD)prefix=$(PREFIX)--with-sdl-exec-prefix=$(PREFIX)；make；make installsdl_mixer编译命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build=$(BUIUD)--prefix=$(PREFIX)--with-sdl-exec-prefix=$(PRE FIX)；make；make install sdl_mad编译命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)--with-sdl-exec-prefix=$(PREFIX)；make；make install 至此，整个工具链就制作完成，打包并做好备份。这个工具链并不限于只用于制作该工具的Linux操作系统上使用，同样可用于别的Linux环境。 3开发环境设置 嵌入式系统通常为一个资源受限的系统，直接在嵌入式系统的硬件平台上编写软件比较困难，有时甚至是不可能的。一般嵌入式软件开发采用的办法是先在通用计算机上编写程序，然后通过交叉编译，生成目标平台上可运行的二进制代码格式，最后下载到目标平台上的特定位置上运行。 仅安装好Linux系统和开发工具，还没有真正完成设计所需要的开发环境。SDL只是一个图形的函数库，它向上提供图形函数接口，向下调用系统图形引擎来画图。它支持的图形引擎有很多，这里采用Linux内核自带的FrameBuffer，代码简洁，十分适用于嵌入式软件开发。 如果在开发板上的Linux的／dev／目录及其子目录下没有找到fb0或fb1或其他类似名称的设备时，则很有可能正在使用的内核没有FrameBuffer驱动。此时只能重新定制内核，选择对FrameBuffer支持和相关的驱动，再进行内核编译。 4主要解决问题 对于一个人机对弈的嵌入式五子棋游戏来说，主要应解决图形显示、人工智能算法、键盘事件处理3个问题。 4．1 图形显示 图形显示问题包括如何设计友好的人机交互界面；如何将光标和棋子显示在正确的位置上；如何在棋盘移动光标时去掉旧位置上的光标痕迹；如何在光标与棋子叠加时去除光标痕迹；如何进行下棋后的图像处理问题；如何从方形图片得到圆形棋子；如何进行汉字的显示问题等。 由于采用的开发板LCD规格为640×480像素，根据这个规格设计所使用的背景图片、黑棋子、白棋子、光标。为了使界面更加友好，采用图片字体显示，而不使用SDL_ttf中的字体。 棋盘与棋子采用3D效果，黑、白棋子与光标三者的图片大小一致，都是25×25像素，且背景色的色度空间都选用RGB(255，0，255)，也就是粉红色。通过调用SDL函数库中的SDL_SetColorKey函数把粉红色作为过滤色。因此在显示这些图片时，看不到粉红色的背景，看起来就像图片做了切割一样。 光标在新的位置重画后，即使使用SDL_UpdateRect函数把整个屏幕都刷新，原来的位置仍然还有光标的图像存在，一直到程序的退出。解决这个问题采用的办法是当光标要在某个位置显示时，先把这个位置上与光标图片大小一样的区域记录起来，再显示光标，当光标移动时，把记录起来的图片重新画回到原来的位置，然后在画光标之前记录新的目标区域，如此重复。 用上面的方法解决光标的重画还存在一些问题，也就是当下棋时，光标离开这个位置时，使用下棋之前所记录的图片来重画了这个位置，结果就是当光标离开时，这个位置的棋子突然消失。一个简单而又实用的方法就是在选择下棋时，同时把棋子画到棋盘还有先前记录区域的图片上。这样就算棋盘上的棋子擦掉了，还可以从记录区域的图片上将它重新画出来。 4．2 对弈算法 对于一个对弈游戏来说，算法的智能性是非常重要的，但高智能的算法往往意味着要花费更多的CPU资源和更多的内存资源，而这两项对嵌入式系统来说，往往都是非常缺乏的。 由于嵌入式硬件资源的限制，使用了一个较简单的算法。利用一个15×15的二维全局数组来记录下棋的情况，1表示是人下的棋子；2表示是机器下的棋子，0表示是空位。当机器下棋时，使用4个函数linex，liney，line45，linel35从水平、垂直、45°角、135°角4个方向搜索，遇到对手的棋子就把分数加10。记录每个方向上可下棋位置的分数，选择分数高的位置下棋子。 4．3键盘事件处理 键盘事件响应问题包含如何及时响应键盘敲击，如何得到键值，如何作出正确的响应。考虑到软件的可移植性，没有直接使用Linux系统的事件处理函数来处理键盘事件，而是采用SDL本身的键盘响应事件函数，代码简洁清晰。 5五子棋游戏设计与实现 main主函数主要调用初始化函数InitGraph()与控制函数GameControl()，这两个都是全局函数，返回类型都是void。InitGraph()主要进行程序初始化和图片装载；GameControl()是主要的游戏控制函数。 5．1 InitGraph()函数 InitGraph()先调用SDL_Init(SDL_INIT_AUDI-O∣SDI_INIT_VIDEO)初始化一个终端屏幕，再使用SDL_SetVideoMode(640，480，16，SDL_SWSUR-FACE)把它设置成合适的模式。其中的“640，480”表示这是个640×480像素的屏幕；16代表的是色深。 SDL中使用SDI_Surface结构来记录屏幕区域或图片，过程用到的所有图片都使用这个结构来存取。 SDL_CreateRGBSurface函数用来创建一个SDL_Surface实例，而IMG_Load函数则可以把一张图片装载到一个SDI_Surface中去，接着使用SDL_SetColor-Key函数来设置透明色，这里把RGB(255，0，255)设置成透明色。因此，显示出来的图片中颜色为RGB(255，0，255)的区域都成了透明的。 SDL_BlitSurface函数用来把一个SDL_Surface的某一部分或全部画到另一个SDL_Surface上去。如果目标SDL_Surface是屏幕，那就是要在屏幕上显示此SDL_Surface，当然要使用SDL_UpdateRect把这个区域刷新一下才能看到结果。因为经常要显示图片和擦除图片，所以这也比较麻烦，再加上要光标移动时不仅要画出光标，更是要在画之前保存这块区域的图片。所以把SDL_BlitSurface包装成一个可以保存区域图片的画图函数——ShowPicture。 5．2 GameControl()函数 GameControl()是程序的主要控制模块。SDL_Event是记录事件的数据结构，通过SDL_PollEvent(＆event)可以得到键盘和鼠标事件。对event结构的判断可得到想要的按键值和按键的动作。 电脑下棋的位置主要是通过调用ComputerThink函数得到的。CornputerThink函数采用第4．2节的对弈算法，调用linex，liney，Iine45，line135对某个位置进行水平、垂直、45°角和135°角4个方向的5个棋子内的范围进行扫描。如扫描水平这条线时，先从这个点向左扫描，遇到对手下的棋子把分数加10；遇到自己下的棋子，则停止这个方向的扫描，进而扫描相反的方向。如果这条线上有空地方可以下棋，则记下它的横坐标x、纵坐标y和它的分数。水平、垂直、45°与135°四条线都扫描完后，通过比较这几个可下棋的点的分数，选择分数高的点来下棋。 5．3 ShowPicture()函数 ShowPicture函数主要用显示图片，这个函数不仅实现了将图片画到屏幕指定的位置，还可以把目标区域备份起来，并可以自动更新屏幕。 5．4运行结果 设定宿主机ARM-Linux-gcc的路径为／usr／local／arm／3．3．2／bin；sdl-config的路径为／usr／local／arm／3．3．2／ARM-Linux／bin。交叉编译之前先设置好交叉编译工具的路径，并进行交叉编译。 #PATH=／usr／local／arm／3．3．2／bin：／usr／local／arm／ARM-Linux／bin：$PATH ARM-Linux-gccsdl-config--libs--cflags-ISDL_image fivechess．c-0 fivechess 下载到开发板的运行截图如图2所示。  6结 语 开发嵌入式软件有基本固定的流程，并需要软硬件平台的相互配合。设计过程中出现的问题有可能是硬件设置的不合理引起的，也有可能是软件代码设计的不合理引起的。 在嵌入式软件开发过程中，工具链的制作扮演了十分重要的角色。一个好的开发工具可以加快软件的开发速度，提高软件的质量。反之，则不但有可能会延长整个产品的开发时间，降低产品质量，严重的话还可能导致整个项目的失败。 基于嵌入式系统的五子棋程序采用标准C语言来编写，其中使用的SDL图形库本身也是个跨平台的图形库，整个程序的可移植性比较高。游戏已经开发完成，运行比较流畅，具有一定的实用价值。 |
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