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0 引 言 隨著近年來計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及和3C(計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子)合一的加速，微型化和專業(yè)化成為發(fā)展的新趨勢，嵌入式產(chǎn)品成為信息產(chǎn)業(yè)的主流。嵌入式系統(tǒng)被定義為以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用。而廣泛用于制造工業(yè)、過程控制、通信、儀器、儀表等，消費(fèi)類產(chǎn)品，如果獨(dú)立于應(yīng)用自行發(fā)展，則會(huì)失去市場。嵌入式處理器在功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應(yīng)用要求的制約，這些也是各個(gè)半導(dǎo)體廠商之間的競爭熱點(diǎn)。 嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。軟件要求固化存儲(chǔ)，軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性。 1 開發(fā)平臺(tái) 一個(gè)完整的嵌人式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)計(jì)中采用的硬件平臺(tái)為基于Intel Xscale架構(gòu)的PXA255開發(fā)板，CPU運(yùn)算速度為400 MHz，F(xiàn)LASH為32 MB容量的Intel Strata FLASH，SDRM容量為64 MB，USBSlave支持USB1．1，LCD支持640×480分辨率。 由圖1可以看出，一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)不僅包含有硬件平臺(tái)，還有運(yùn)行于該硬件平臺(tái)的操作系統(tǒng)和基于該操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，而嵌入式LinUX只是眾多嵌入式操作系統(tǒng)中的一個(gè)。 從20世紀(jì)80年代末開始，陸續(xù)出現(xiàn)了一些嵌入式操作系統(tǒng)，例如比較著名的有Vxwork，pSOS，Neculeus，QNX，ECOS，LYNX，Palm OS和Windows CE，這些專用操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產(chǎn)品，其高昂的價(jià)格使許多低端產(chǎn)品的小公司望而卻步；而且源代碼的封閉性也大大限制了開發(fā)者的積極性。另外，結(jié)合國內(nèi)實(shí)情，當(dāng)前國家對自主操作系統(tǒng)的大力支持，也為源碼開放的Linux推廣提供廣闊的發(fā)展前景。再者，對上層應(yīng)用開發(fā)者而言，嵌入式系統(tǒng)需要的是一套高度簡練，界面友善，質(zhì)量可靠，應(yīng)用廣泛，易開發(fā)、多任務(wù)，并且價(jià)格低廉的操作系統(tǒng)。基于以上情況，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)的軟件平臺(tái)。 2 交叉編譯工具鏈 在嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)過程中，交叉編譯工具鏈?zhǔn)菢O為重要的一環(huán)，設(shè)計(jì)并制作良好的交叉編譯工具鏈?zhǔn)琼樌麑?shí)現(xiàn)軟件開發(fā)的重要保障。 2．1 ARM-Linux的gcc交叉工具鏈 設(shè)計(jì)采用的Linux操作系統(tǒng)是經(jīng)過修改與裁剪的ARM-Linux；使用的開發(fā)工具是非圖形開發(fā)工具gcc。gcc交叉編譯工具一般情況下需自行制作，制作方法較為簡單，這里不做詳細(xì)介紹。制作一條比較完整的ARM-Linux gcc交叉工具鏈主要用到如下軟件包： binutils工具包(ftp：／／ftp．gnu．org／gnu／binutils)； gcc編譯器(ftp：／／ftp．gnu．org／gnu／gcc)； glibc函數(shù)庫(ftp：／／ftp．gnu．org／gnu／glibc)； glibc-linuxthreads包(ftp：／／ftp．gnu．org／gnu／glibe)； linux內(nèi)核(ftp：／／ftp．kernle．org／pub／linux／kernel)。 如果Linux內(nèi)核低于2．6版本，還應(yīng)下載相應(yīng)的內(nèi)核補(bǔ)丁。(ftp：／／ftp．a(chǎn)rm．linux．org．uk／pub／linux／arm／kernel／v2．4／) 2．2 SDL圖形庫 為使程序運(yùn)行的界面更加友好和美觀，在設(shè)計(jì)中要使用到圖形函數(shù)接口，這就意味著要向前面的工具鏈(采用gcc工具鏈版本為3．3．2)添加第三方的圖形函數(shù)庫。設(shè)計(jì)中采用的SDL(Simple DirectMedia Layer)圖形庫為免費(fèi)的跨平臺(tái)多媒體應(yīng)用編程接口，具有豐富的函數(shù)庫，便于開發(fā)者使用。 2．2．1 SDL常用到的開發(fā)包 (1)SDL_Image：提供顯示多種格式的圖像顯示接口，它支持bmp，png，jpeg，gif，tiff等； (2)SDL_Draw：提供畫點(diǎn)線圓等幾何圖形的接口(SDL_gfx也含有這樣的功能http：／／www．ferzkopp．net／joomla／content／view／19／14／)； (3)SDL_ttf：提供顯示TTF文字的接口； (4)SDL_mixer：提供播放各種聲音文件的接口。 把SDL編譯到工具鏈用的并非PC機(jī)本身帶的gcc編譯器，而是要用到第2．1節(jié)已經(jīng)做好了的交叉編譯工具鏈。其中使用的pkg-Config工具版本要在0．15．0版本或以上。 SDL以及與SDL安裝相關(guān)或有依賴關(guān)系的軟件有：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 交叉編譯的主要步驟 主要步驟為： (1)設(shè)定環(huán)境變量：PREFIX為安裝目錄；CROSS為ARM-Linux-；PKG_CONFIG_PATH為pkgcon-fig的路徑；ARCH在這里設(shè)成ARM；HOST注意要是ARM-Linux，而不是i386-linux(這與前面做ARM-Linux-gcc不一樣)；BUILD設(shè)置為i386-linux。編譯時(shí)一定要指定CC，NM，AR等變量，讓它們跟交叉編譯器對應(yīng)的工具關(guān)聯(lián)起來，否則編譯時(shí)將會(huì)采用PC機(jī)Linux的gcc編譯器進(jìn)行編譯，不能達(dá)到交叉編譯的目的。 (2)按順序依次編譯如下軟件： zlib編譯命令行： ．／configure—shared—prefix=$PREFIX；make；make install。 freetype編譯命令行： ．／configure—host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$PREFIX；make；make install。 libpng編譯命令行： ．／configure —host=$(HOST)—build=$(BUILD)--prefix=$PREFIX；make；make install。 li^iff編譯命令行： ．／configure—host=$(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編譯命令行： ．／configure—host=$(HOST)—build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)--cache-file=$(ARCH)-linux．cache --sysconfdir=$(PREFIX}／etc--enable-static ＆＆；make；make install。 Libmad編譯命令行： ．／configure—host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)；make；make install libid3tag編譯命令行： ．／configure—host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)；make make install madplay編譯命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)；make；make install alsa編譯命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)--disable-esd--disable-video-di-rectfb；make；make install。 audiofile編譯命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)--disable-esd--disable-video-di-rectfb；make；make install。 esound編譯命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build=$(BUILD)-prefix=$(PREFIX)--disable-esd--disable-video-di-rectfb；make；make install。 SDL編譯命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)--with-esd-exec-prefix=$(PREFIX)--disable-video-directfb；make；make install。 sdl_image編譯命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)--with-sdl-exec-prefix=$(PREFIX)--enable-sdhest；make；make install。 sdl_tff編譯命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build=$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)--with-freetype-exec-prefix=$(PREFIX)；make；make install。 sdl_draw編譯命令行： ．／configure-host=$(HOST)--build=$(BUILD)prefix=$(PREFIX)--with-sdl-exec-prefix=$(PREFIX)；make；make installsdl_mixer編譯命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build=$(BUIUD)--prefix=$(PREFIX)--with-sdl-exec-prefix=$(PRE FIX)；make；make install sdl_mad編譯命令行： ．／configure--host=$(HOST)--build$(BUILD)--prefix=$(PREFIX)--with-sdl-exec-prefix=$(PREFIX)；make；make install 至此，整個(gè)工具鏈就制作完成，打包并做好備份。這個(gè)工具鏈并不限于只用于制作該工具的Linux操作系統(tǒng)上使用，同樣可用于別的Linux環(huán)境。 3開發(fā)環(huán)境設(shè)置 嵌入式系統(tǒng)通常為一個(gè)資源受限的系統(tǒng)，直接在嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)上編寫軟件比較困難，有時(shí)甚至是不可能的。一般嵌入式軟件開發(fā)采用的辦法是先在通用計(jì)算機(jī)上編寫程序，然后通過交叉編譯，生成目標(biāo)平臺(tái)上可運(yùn)行的二進(jìn)制代碼格式，最后下載到目標(biāo)平臺(tái)上的特定位置上運(yùn)行。 僅安裝好Linux系統(tǒng)和開發(fā)工具，還沒有真正完成設(shè)計(jì)所需要的開發(fā)環(huán)境。SDL只是一個(gè)圖形的函數(shù)庫，它向上提供圖形函數(shù)接口，向下調(diào)用系統(tǒng)圖形引擎來畫圖。它支持的圖形引擎有很多，這里采用Linux內(nèi)核自帶的FrameBuffer，代碼簡潔，十分適用于嵌入式軟件開發(fā)。 如果在開發(fā)板上的Linux的／dev／目錄及其子目錄下沒有找到fb0或fb1或其他類似名稱的設(shè)備時(shí)，則很有可能正在使用的內(nèi)核沒有FrameBuffer驅(qū)動(dòng)。此時(shí)只能重新定制內(nèi)核，選擇對FrameBuffer支持和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)，再進(jìn)行內(nèi)核編譯。 4主要解決問題 對于一個(gè)人機(jī)對弈的嵌入式五子棋游戲來說，主要應(yīng)解決圖形顯示、人工智能算法、鍵盤事件處理3個(gè)問題。 4．1 圖形顯示 圖形顯示問題包括如何設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面；如何將光標(biāo)和棋子顯示在正確的位置上；如何在棋盤移動(dòng)光標(biāo)時(shí)去掉舊位置上的光標(biāo)痕跡；如何在光標(biāo)與棋子疊加時(shí)去除光標(biāo)痕跡；如何進(jìn)行下棋后的圖像處理問題；如何從方形圖片得到圓形棋子；如何進(jìn)行漢字的顯示問題等。 由于采用的開發(fā)板LCD規(guī)格為640×480像素，根據(jù)這個(gè)規(guī)格設(shè)計(jì)所使用的背景圖片、黑棋子、白棋子、光標(biāo)。為了使界面更加友好，采用圖片字體顯示，而不使用SDL_ttf中的字體。 棋盤與棋子采用3D效果，黑、白棋子與光標(biāo)三者的圖片大小一致，都是25×25像素，且背景色的色度空間都選用RGB(255，0，255)，也就是粉紅色。通過調(diào)用SDL函數(shù)庫中的SDL_SetColorKey函數(shù)把粉紅色作為過濾色。因此在顯示這些圖片時(shí)，看不到粉紅色的背景，看起來就像圖片做了切割一樣。 光標(biāo)在新的位置重畫后，即使使用SDL_UpdateRect函數(shù)把整個(gè)屏幕都刷新，原來的位置仍然還有光標(biāo)的圖像存在，一直到程序的退出。解決這個(gè)問題采用的辦法是當(dāng)光標(biāo)要在某個(gè)位置顯示時(shí)，先把這個(gè)位置上與光標(biāo)圖片大小一樣的區(qū)域記錄起來，再顯示光標(biāo)，當(dāng)光標(biāo)移動(dòng)時(shí)，把記錄起來的圖片重新畫回到原來的位置，然后在畫光標(biāo)之前記錄新的目標(biāo)區(qū)域，如此重復(fù)。 用上面的方法解決光標(biāo)的重畫還存在一些問題，也就是當(dāng)下棋時(shí)，光標(biāo)離開這個(gè)位置時(shí)，使用下棋之前所記錄的圖片來重畫了這個(gè)位置，結(jié)果就是當(dāng)光標(biāo)離開時(shí)，這個(gè)位置的棋子突然消失。一個(gè)簡單而又實(shí)用的方法就是在選擇下棋時(shí)，同時(shí)把棋子畫到棋盤還有先前記錄區(qū)域的圖片上。這樣就算棋盤上的棋子擦掉了，還可以從記錄區(qū)域的圖片上將它重新畫出來。 4．2 對弈算法 對于一個(gè)對弈游戲來說，算法的智能性是非常重要的，但高智能的算法往往意味著要花費(fèi)更多的CPU資源和更多的內(nèi)存資源，而這兩項(xiàng)對嵌入式系統(tǒng)來說，往往都是非常缺乏的。 由于嵌入式硬件資源的限制，使用了一個(gè)較簡單的算法。利用一個(gè)15×15的二維全局?jǐn)?shù)組來記錄下棋的情況，1表示是人下的棋子；2表示是機(jī)器下的棋子，0表示是空位。當(dāng)機(jī)器下棋時(shí)，使用4個(gè)函數(shù)linex，liney，line45，linel35從水平、垂直、45°角、135°角4個(gè)方向搜索，遇到對手的棋子就把分?jǐn)?shù)加10。記錄每個(gè)方向上可下棋位置的分?jǐn)?shù)，選擇分?jǐn)?shù)高的位置下棋子。 4．3鍵盤事件處理 鍵盤事件響應(yīng)問題包含如何及時(shí)響應(yīng)鍵盤敲擊，如何得到鍵值，如何作出正確的響應(yīng)。考慮到軟件的可移植性，沒有直接使用Linux系統(tǒng)的事件處理函數(shù)來處理鍵盤事件，而是采用SDL本身的鍵盤響應(yīng)事件函數(shù)，代碼簡潔清晰。 5五子棋游戲設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) main主函數(shù)主要調(diào)用初始化函數(shù)InitGraph()與控制函數(shù)GameControl()，這兩個(gè)都是全局函數(shù)，返回類型都是void。InitGraph()主要進(jìn)行程序初始化和圖片裝載；GameControl()是主要的游戲控制函數(shù)。 5．1 InitGraph()函數(shù) InitGraph()先調(diào)用SDL_Init(SDL_INIT_AUDI-O∣SDI_INIT_VIDEO)初始化一個(gè)終端屏幕，再使用SDL_SetVideoMode(640，480，16，SDL_SWSUR-FACE)把它設(shè)置成合適的模式。其中的“640，480”表示這是個(gè)640×480像素的屏幕；16代表的是色深。 SDL中使用SDI_Surface結(jié)構(gòu)來記錄屏幕區(qū)域或圖片，過程用到的所有圖片都使用這個(gè)結(jié)構(gòu)來存取。 SDL_CreateRGBSurface函數(shù)用來創(chuàng)建一個(gè)SDL_Surface實(shí)例，而IMG_Load函數(shù)則可以把一張圖片裝載到一個(gè)SDI_Surface中去，接著使用SDL_SetColor-Key函數(shù)來設(shè)置透明色，這里把RGB(255，0，255)設(shè)置成透明色。因此，顯示出來的圖片中顏色為RGB(255，0，255)的區(qū)域都成了透明的。 SDL_BlitSurface函數(shù)用來把一個(gè)SDL_Surface的某一部分或全部畫到另一個(gè)SDL_Surface上去。如果目標(biāo)SDL_Surface是屏幕，那就是要在屏幕上顯示此SDL_Surface，當(dāng)然要使用SDL_UpdateRect把這個(gè)區(qū)域刷新一下才能看到結(jié)果。因?yàn)榻?jīng)常要顯示圖片和擦除圖片，所以這也比較麻煩，再加上要光標(biāo)移動(dòng)時(shí)不僅要畫出光標(biāo)，更是要在畫之前保存這塊區(qū)域的圖片。所以把SDL_BlitSurface包裝成一個(gè)可以保存區(qū)域圖片的畫圖函數(shù)——ShowPicture。 5．2 GameControl()函數(shù) GameControl()是程序的主要控制模塊。SDL_Event是記錄事件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過SDL_PollEvent(＆event)可以得到鍵盤和鼠標(biāo)事件。對event結(jié)構(gòu)的判斷可得到想要的按鍵值和按鍵的動(dòng)作。 電腦下棋的位置主要是通過調(diào)用ComputerThink函數(shù)得到的。CornputerThink函數(shù)采用第4．2節(jié)的對弈算法，調(diào)用linex，liney，Iine45，line135對某個(gè)位置進(jìn)行水平、垂直、45°角和135°角4個(gè)方向的5個(gè)棋子內(nèi)的范圍進(jìn)行掃描。如掃描水平這條線時(shí)，先從這個(gè)點(diǎn)向左掃描，遇到對手下的棋子把分?jǐn)?shù)加10；遇到自己下的棋子，則停止這個(gè)方向的掃描，進(jìn)而掃描相反的方向。如果這條線上有空地方可以下棋，則記下它的橫坐標(biāo)x、縱坐標(biāo)y和它的分?jǐn)?shù)。水平、垂直、45°與135°四條線都掃描完后，通過比較這幾個(gè)可下棋的點(diǎn)的分?jǐn)?shù)，選擇分?jǐn)?shù)高的點(diǎn)來下棋。 5．3 ShowPicture()函數(shù) ShowPicture函數(shù)主要用顯示圖片，這個(gè)函數(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了將圖片畫到屏幕指定的位置，還可以把目標(biāo)區(qū)域備份起來，并可以自動(dòng)更新屏幕。 5．4運(yùn)行結(jié)果 設(shè)定宿主機(jī)ARM-Linux-gcc的路徑為／usr／local／arm／3．3．2／bin；sdl-config的路徑為／usr／local／arm／3．3．2／ARM-Linux／bin。交叉編譯之前先設(shè)置好交叉編譯工具的路徑，并進(jìn)行交叉編譯。 #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 下載到開發(fā)板的運(yùn)行截圖如圖2所示。 6結(jié) 語 開發(fā)嵌入式軟件有基本固定的流程，并需要軟硬件平臺(tái)的相互配合。設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題有可能是硬件設(shè)置的不合理引起的，也有可能是軟件代碼設(shè)計(jì)的不合理引起的。 在嵌入式軟件開發(fā)過程中，工具鏈的制作扮演了十分重要的角色。一個(gè)好的開發(fā)工具可以加快軟件的開發(fā)速度，提高軟件的質(zhì)量。反之，則不但有可能會(huì)延長整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，降低產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重的話還可能導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目的失敗。 基于嵌入式系統(tǒng)的五子棋程序采用標(biāo)準(zhǔn)C語言來編寫，其中使用的SDL圖形庫本身也是個(gè)跨平臺(tái)的圖形庫，整個(gè)程序的可移植性比較高。游戲已經(jīng)開發(fā)完成，運(yùn)行比較流暢，具有一定的實(shí)用價(jià)值。 |
