ARM裸机开发——简易嵌入式游戏开发-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了ARM裸机开发——简易嵌入式游戏开发。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

1. 项目任务

利用LCD屏，实现简易的图片展示，展示个人信息
利用图片显示与按键功能实现简易的游戏设计，需要包含动画连贯展示

2. 项目方案设计

本实验主要为具体游戏设计，主要包含游戏架构设计、底层硬件设计、具体代码实现四部分，设计了本项目方案的架构图如图2.1所示。
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图2.1 游戏设计整体思路图2.1包含本报告整体思路以及本项目设计的整体流程，本项目以经典的水果忍者游戏作为实现目标。

3. 游戏架构设计

本项目参照Halfbrick Studios公司出品的手机游戏——水果忍者，尝试实现嵌入式系统中的游戏设计，游戏架构设计分为了游戏基本元素、游戏运行逻辑和整体代码逻辑三部分。

3.1 游戏基本元素

本游戏将游戏内部对象分为了切割物、游戏界面、游戏引擎三部分。

切割物：为游戏交互的主要角色，其中具体分为了水果与炸弹，切割水果可以得分，作为本游戏主要的奖励方式，而切割炸弹则会触发惩罚，切割物图像如图3.1所示，其结构体代码对象如下：

struct Fruit
{
    char type;      // 切割物种类
    char flag;      // 对象当前状态
    int Cx;         // 对象中心x位置
    int Cy;         // 对象中心y位置
    unsigned int radius;     // 对象圈半径大小
    int Vx;         // 对象x轴速度，水平速度不变
    int Vy;         // 对象y轴速度，受引擎影响
};

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图3.1 切割物元素种类

游戏界面：本游戏主要包含了开始界面、游戏运行界面、结束界面三个界面，其中开始界面用于选择游戏运行的规则模式，游戏运行界面则为游戏运行时的交互界面，结束界面则是在游戏结束后的统计界面，如图3.2所示。

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图3.2 游戏界面

游戏引擎：用于计算游戏运行对象当前时刻下的状态，如当前速度的计算，速度方向的改变。引擎规定了游戏内的加速度（随着得分改变）、游戏内的边界，游戏内的参考坐标系等参考信息，代码对象定义如下：

#define XHIGH   480         // x轴上边界
#define YHIGH   272         // y轴上边界
int GameAcc=2;
int randsend=0;
int countsend=0;

3.2 游戏运行逻辑

由于本游戏较为简单，整体逻辑清晰，结构简单，主要分为了界面切换逻辑、游戏交互逻辑、游戏对象运行规则三个部分，图3.3绘制了整体游戏运行逻辑。
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图3.3游戏整体运行逻辑

3.2.1 界面切换逻辑

界面切换较为简单，本项目采用了状态机的实现思想，通过改变界面标志位的数值，实现游戏界面的切换，该逻辑较为简单，不作详细说明。

3.2.2 游戏交互逻辑

本游戏主要人机交互为触摸屏的使用、按键的使用，其中游戏运行主要记录笔尖划过的轨迹以实现游戏交互，具体来看游戏交互逻辑如图3.4所示。

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图3.4 游戏交互逻辑

笔尖落下响应TS中断，此时触摸屏触发了笔尖落下中断，转换到AD自动记录坐标模式，记录了当前的坐标为起点，并且触发等待笔尖抬起中断，并通过软件中断持续记录笔尖当前坐标。
持续记录笔尖当前位置作为终点，直到笔尖抬起。
计算起点与终点的位置并连成线段，并与当前存在的所有切割物的垂线进行比较相交，换句话说，本游戏中暂时不承认竖切水果，由于大部分切割操作均为横切，所以该方案对于游戏体验影响较小；且为每个切割物添加一条横线，即可提高准确度，但意义不大。
如果切割操作成功，则记录被切割物的编号，检索该编号切割物的种类，实现不同的奖惩机制。
以上便是游戏主体的交互逻辑，而按键控制主要控制本游戏的游戏进程，实现暂停、退出等操作。

3.2.3 游戏运行流程

该规则规定了游戏中切割物对象如何产生、对象状态如何更新、如何删除当前对象，具体逻辑如图3.5所示，其中规定每次主循环重新开始，为游戏进程开始。

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图3.5 游戏运行流程整体流程框架代码如主循环内的函数代码，如图3.6所示。

    while(1)
    {
        if(gameflag==0)
        {
            StartMenu();
            gameflag=1;
        }

        while(gameflag==1)
        {
            flag=0;
            if(runflag==1)
            {
                if(BoomCount<3)
                {
                    if(Count_GameCutting()<3)
                        Create_GameCutting();
                    Display_GameCutting();      // 显示对象
                    imagedelay(2000);
                    INTMSK |= BIT_ADC;          // 关闭ADC总中断
                    Delete_GameCutting();
                    INTMSK &= ~BIT_ADC;          // 开启ADC总中断
                    imagedelay(1);
                    Update_GameCutting_Status();        // 更新对象状态
                }
            }
            else
            {
                Display_Background();
                imagedelay(1);
                Update_Score();
                Display_GameCutting();
                while(flag==0 && gameflag==1)
                {
                    imagedelay(100);
                    flag = runflag;
                }
            }
            randsend++;
            if(randsend>=9000)
                randsend=0;
        }
    }

图3.6 主循环代码游戏运行流程

3.3 整体代码逻辑

基于上述的游戏架构设计，设计了具体的代码实现逻辑，如图3.7所示。

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图3.7 代码实现流程由于本次代码较为复杂，用到了多个中断以及一些图片显示算法，具体代码实现需要以后续的底层硬件设计与具体代码实现（调试过程）为主，图3.7仅作为本游戏代码的整体逻辑流程图。

4. 底层硬件设计

对于寄存器的使用不作为本次实验的重点，本实验运用大部分硬件开发技术，均在前三次实验中有所涉及，底层硬件设计主要描述在较大代码存储需求情况下的内存空间分配，以及触摸屏中断的处理逻辑。

4.1 内存空间分配

与之前的实验相比，由于本游戏中运用到了大量的游戏图片素材，所以整体的存储空间需求较大，为此需要合理地分配内存空间以保证代码的正常运行。
经过简单的统计，本游戏运用到的图片游戏素材共占3M，代码大约占1M左右，整体共占4M内存空间大小，但为了确保后续游戏的扩展性，本项目在SRAM中划分了16M的虚拟内存空间分配，而规定了中断栈指针的地址为0x32000000，规定系统模式栈指针地址为0x34000000，这完全可以保证32M大小的游戏设计，符合本项目的全部需求。

4.2 数模转换器与触摸屏接口

由于AD数模转换在此前的实验中未接触，为此简单讲解触摸屏的简单原理，根据游戏交互逻辑，硬件设计需要明晰如何记录笔尖位置。

AD数模转换器：即将模拟电压信号转换为数字电平信号，从而CPU处理相应信号。
触摸屏：实际为电阻屏，通过触摸屏幕中某些位置，实现电路中电阻阻值改变，从而输出不同的模拟电压信号。
但由于在S3C2440中触摸屏与AD均为同一设备下的两种模式，运用触摸屏需要运用同一中断下的子中断切换，绘制了图4.1整体的中断实现流程以明晰硬件设计。

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图4.1 触摸屏中断处理流程其中，第一次笔尖落下是通过硬件中断响应，而当笔尖未抬起时，通过持续地软件中断设置，以达到持续的坐标记录，在游戏中用户切割水果，难以做到时刻的直线切割，可能是通过不同曲线路径切割水果的，所以需要通过软件中断时刻记录笔尖落下后的当前位置，记录笔尖一段时间内划过的轨迹，并判断是否与切割物相交，从而实现游戏的实时交互，具体代码实现如后文触摸屏调试过程。

5. 具体代码实现

本项目的代码原理并不困难，也没有过多的寄存器原理知识，更多只是游戏思路的设计以及一些代码调试过程的实现，所以主要内容为具体代码的讲解，而主要调试主要是，图片显示与动画实现，触摸屏交互实现，随机数的产生。

5.1 图片显示与动画实现

5.1.1 区域图片显示

在单片机基础课程中，LED点阵的显示、数码管的显示均是点亮对应位置的LED灯，实现显示不同的数字或字符。同样地，将LCD的每个像素点假设为一个LED灯，但是不同的是该LED灯可以通过32位的字符进行控制灯的颜色与亮度，从而实现图片显示效果，所以图片显示原理即通过给予对应像素位点的控制寄存器32位颜色，从而实现彩色显示。
根据计算机图形学的相关理论，将任意颜色可以拆分为红（red），绿（green），蓝（blue）三种颜色的组合，从而实现颜色的编码，除此之外为了实现3D效果显示，对应原色中均添加了透明度的设置，从而实现透视效果，所以整体来看图片像素位点寄存器中的32位被设置为了0xAARRGGBB的形式，高十六位为透明度，低十六位为RGB编码。
清楚图片显示原理后，显示区域内的图片显示，只需要明确图片大小长宽即可，再利用putpixel函数即可，以背景图片显示为例，如图5.1所示

void Display_Background(void)
{
    volatile unsigned int a = 0x00;
    volatile unsigned int b = 0x00;
    volatile unsigned int c = 0x0000;
    unsigned int x = 0;
    unsigned int y = 0;
    for(y=0;y<YHIGH;y++)
        for(x=0;x<XHIGH;x++)
        {
            a = gImage_Background[(y*XHIGH+x)*2];
            b = gImage_Background[(y*XHIGH+x)*2+1];
            c = (a<<8) | b;
            // a = 0xbb;
            // b = 0xbb;
            PutPixel(x, y, c);
        }
}

图5.1 区域图片显示由于Image2Lcd软件，在输出图片颜色矩阵时，单个像素利用了两个数组元素表示，所以需要将两个数组元素结合起来，再传值给PutPixel函数，即可完成区域图片显示。

5.1.2 不规则图片显示

在动画制作的过程中，小区域的动画显示可以大幅减少清屏时间，提高显示效率，如何显示不规则的图片。
首先，对于三角形、矩形等规则图片，可以规定其边长、角度从而计算出各点的颜色，但是由于无法使用C语言标准库，如何获得近似的数学函数则是需要解决的。

绘制圆形：绘制圆形需要利用平方根函数，在计算机近似计算平方根函数时，采用了牛顿迭代法（凸函数求解局部最优解的方法），具体代码如下：

// 画圆函数
void Circle(unsigned int x, unsigned int y, int r)
{
    int i, j;
    unsigned int a=x, b=y;
    unsigned int d=1;

    for(j=0;j<2*r;j++)
    {
        b = y - r + j;
        d = mysqrt((r*r-(r-j)*(r-j)));
        for(i=0;i<2*d;i++)
        {
            a = x- d + i;
            PutPixel(a, b, 0x000f);
        }
    }
}

不规则形状：例如切割物对象中的草莓图5.2所示，其形状完全无规则，则需要框出草莓所在区域部分矩形，将对象的背景设为与对象颜色对比度较强的颜色，如白色，在显示该区域图像时，默认白色不显示即可，具体代码如图5.3所示。

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图5.2 草莓

    else if(type==1)            // 草莓
    {
        for(j=0;j<50;j++)
        {
            for(i=0;i<47;i++)
            {
                a = gImage_strawberry[(j*47+i)*2];
                b = gImage_strawberry[(j*47+i)*2+1];
                c = (a<<8) | b;
                if(b <= 0xfa && a<=0xf6 && (x-24+i>=0 && x-24+i<480))
                    PutPixel(x-24+i, y-25+j, c);
            }
        }
    }

图5.3 显示水果代码

5.1.3 动画显示

动画显示原理则和走马灯原理类似，利用视觉暂留效果，将图片显示一段时间后清屏，再显示状态改变后的图片即可。

5.2 触摸屏交互实现

触摸屏交互在游戏交互逻辑中思路已经详细说明，具体实现过程中如何实现软件中断与如何判断两线段相交，是调试中的主要问题。

5.2.1 软件中断实现

软件中断实现的思路较为简单，只需要在笔尖落下中断函数结束时，重新对于ADC中断源寄存器赋值，实现软件中断即可，但是如何确定当前笔尖状态，以及同时需要等待笔尖抬起中断。
所以解决该问题，即在笔尖落下后，ADC转换完第一次坐标数据后，延时大概1ms在该时间内等待笔尖抬起中断；若笔尖尚未抬起，则进入AD数据转换模式。时序逻辑如图5.4.

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图5.4 触摸屏中断逻辑具体代码如图5.5所示。


static void Isr_Adc(void)
{
    unsigned int y = ADCDAT0;
    unsigned int x = ADCDAT1;
    int cutflag=-1;
    y = TcYData(y);
    x = TcXData(x);
    if((x > 10 && x < 470) || (y > 10 && y < 260))
    {
        // printf("ydata = %4d, xdata = %4d\r\n", y, x);
        TcxyData[TcTail][0] = x;
        TcxyData[TcTail][1] = y;
        cutflag = JudgeCutting(TcxyData[Tchead][0], TcxyData[Tchead][1], TcxyData[TcTail][0], TcxyData[TcTail][1]);

        TcTail++;
    }

    wait_up_int();      /* 进入"等待中断模式"，等待触摸屏被松开 */
    ADCDAT1 |= 0x8000;

    // 清INT_ADC中断
    SUBSRCPND |= BIT_SUB_ADC;
    SRCPND    |= BIT_ADC;
    INTPND    |= BIT_ADC;
    if((ADCDAT1 & 0x8000) == 0x0000)
    {
        wait(10000);
        mode_auto_xy();     /* 进入自动(连续) X/Y轴坐标转换模式 */
        ADCCON |= ADC_START;
    }

}

图5.5 触摸屏中断实现

5.2.2 线段相交

如何判断两个线段相交，根据线性代数的理论知识，判断两直线相交，即直线不平行，只需进行两直线叉乘，即可判断直线相交，但是我们需要解决线段相交问题，需要通过快速排斥实验和跨立实验。
快速排斥实验，假设两线段均在同一直角坐标系，线段l_1的最大x坐标，与线段l_2的最小x坐标相比，如果投影不存在相交部分，那么线段则一定不相交。
跨立实验，先看一个老马饮水问题，如果点A和点B构成的线段与x轴相交，那么点A和点B的y轴坐标相乘一定为负的，同理与y轴相交，则意味着x轴坐标相乘一定为负。所以，假设线段l_1为参考线段，则线段l_2的A点和B点分别与l_1进行叉乘，后相乘，如果为负，则意味着点A和点B在参考线段的两边。
具体代码实现如下：

// 叉乘
int cross(int x1, int y1, int x2, int y2)
{
    return x1*y2-x2*y1;
}

// 判断线段相交
char JudgeSect(int x1, int y1, int x2, int y2, int x, int y, int l)
{
    if((x1<x&&x2<x) || (x1>x&&x2>x))
        return 0;

    if(cross(x-x1, y-y1, x2-x1, y2-y1)*cross(x-x1, y+l-y1, x2-x1, y2-y1) < 0)
        return 1;
    else
        return 0;
}

5.3 随机数的产生

游戏过程中，水果的产生需要随机产生，同时需要更具当前得分而有所改变，为此需要得到合适的随机数才能得到合适的游戏效果。
一个简单的方法是根据当前时钟时间，得到一个伪随机数，所以利用RTC时钟得到一个秒时间的伪随机数，但是这存在随机数的周期太短，每隔60秒随机数即重复产生；随机数时间改变太慢，需要每隔1秒钟，随机数才会改变，RTC实现代码如下：

void RTC_Init(void)
{
    RTCCON |= (0x1);
    RTCALM |= (0x1<<0 | 0x1<<1 | 0x1<<6);
}

// 读RTC实时时钟秒
int ReadSecRTC(void)
{
    volatile unsigned char RTCdata = BCDSEC;
    unsigned char data1 = ((RTCdata & 0x70)>>4);
    unsigned char data2 = RTCdata & 0x0f;
    return data1*10+data2;
}

int ReadMinRTC(void)
{
    volatile unsigned char RTCdata = BCDMIN;
    unsigned char data1 = ((RTCdata & 0x70)>>4);
    unsigned char data2 = RTCdata & 0x0f;
    return data1*10+data2;
}

// 随机数函数，从0-9
int rand(void)
{
    return ReadSecRTC()%10;
}

为改进上述问题，引入了一个时间进程随机数种子，每隔一个主循环改变，该种子便实现自加1，主循环大约10ms一次，则就意味着随机数会10ms改变一次，这样大致满足了当前游戏的随机数产生的需求。
但是在实际的概率事件中，相同事件发生往往会出现聚集性，而人们在实际生活中往往认为随机数会均匀分布，如当硬币重复投出10次正面后，人们更愿意相信下次硬币为反面。所以，游戏中设计的随机数，应尽量避免数字重复产生的情况，为此在产生随机数函数中添加了一个随机数计数种子，保证每次进入随机数函数，该计数种子均会加1，以保证即使在相同时间内进入随机数函数，亦会产生不同的随机数，最终随机产生代码：


// 双时间叠加随机函数 0-100
int Readsend(void)
{
    countsend = countsend+(randsend%10)*rand()+1+CreateCutting;
    return (countsend%100+randsend%100+rand()*11)/3;
}

以上是本游戏开发中遇到的主要问题以及解决方法，附上本次项目的全部文件如图5.6所示。

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图5.6 所有文件罗列本次实验代码较长，将在后续放置开源仓库。 # 6. 实验总结 ## 6.1 实验结果本游戏整体上基本满意，但是其实还是希望添加更多的动画，例如水果裂开、落下，炸弹爆炸等，还希望添加一些更为有趣的模式，而非只局限于经典模式。但是受限于该嵌入式系统的晶振频率，以及LCD刷新速率，S3C2440的LCD无法做到高速刷新，还是属于中低速的外部设备，在动画显示也可以明显看到刷屏的痕迹。同时会出现在刷屏过程中被中断打断而出现显示错误的情况，这些都较为难以解决。同时LCD屏只支持水平切屏和垂直切屏，很难做到从中心向外扩散改变的效果。

本次实验，整体较为满意，符合设计游戏的最初目标，同时深刻意识到了硬件是软件的基础与上线。嵌入式系统开发从始至终，都需要保证硬件与算法的相统一，才能开发出好的嵌入式系统产品。
游戏的最终结果利用视频呈现，实验游戏最终效果如

嵌入式游戏设计——水果忍者文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-742178.html

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