1引言
嵌入式產(chǎn)品如PDA,、機(jī)頂盒,、WAP手機(jī)等迅速地普及，給廣大的非專業(yè)用戶帶來了極大方便,。同時(shí),，這些產(chǎn)品都需要有高性能、穩(wěn)定可靠的GUI（圖形用戶界面）來提供支持,。
因此，在嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)過程中,，關(guān)鍵的一步就是嵌入式圖形用戶界面開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì),。本文介紹了一種基于ARM、Linux及MiniGUI的圖形用戶界面系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程,。
2硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)及開發(fā)環(huán)境的搭建
2,。1硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)
ARM221為自行研發(fā)的基于AT91RM9200處理器芯片的ARM板，其核心板結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。AT91RM9200處理器是一款基于ARM920T內(nèi)核的高性價(jià)比,、低功耗、32位的ARM芯片,，時(shí)鐘頻率為180Mhz,，運(yùn)算速度可達(dá)到200MIPS。AT91RM9200具有存儲(chǔ)器管理單元(MMU),、16KB的SRAM和128KB的ROM以及外部總線接口(EBI),，支持SDRAM、靜態(tài)存儲(chǔ)器,、BurstFlash,、CompactFlash、SmartMedia以及NANDFlash,，還集成了USB控制器,、以太網(wǎng)控制器、RTC,、SPI,、I2C等豐富的外圍設(shè)備。AT91RM9200處理器內(nèi)部沒有集成LCD控制器，因而需要配備專用的顯示控制器,，才能實(shí)現(xiàn)LCD顯示,。
系統(tǒng)選用了一款應(yīng)用比較廣泛的LCD控制器S1D13506，它是EPSON大規(guī)模顯示控制器家族中較新的一款,。它的輸出可以驅(qū)動(dòng)VGA顯示或者最大為800×600的點(diǎn)陣LCD顯示屏,，可以靈活地對(duì)各種不同的顯示方式進(jìn)行設(shè)置，功能非常強(qiáng)大,，可以和目前市場(chǎng)上流行的多種CPU總線兼容,。另外顯示器選用了一款東華的320×240-16bppTFT-LCD。S1D13506的PC卡總線接口可以很方便地與AT91RM920相連,，其與總線接口信號(hào)相關(guān)的信號(hào)為：數(shù)據(jù)總線DB[15：0],、地址總線AB[21：1]、片選信號(hào)CS,、高位讀寫信號(hào)WE1,、寫使能信號(hào)WE0、輸出讀使能命令信號(hào)RD,、選擇讀寫顯存還是讀寫S1D13506寄存器信號(hào)M/R,。
AT91RM9200的EBI總線接口用以確保多個(gè)外設(shè)與基于ARM器件的內(nèi)置控制存儲(chǔ)器之間實(shí)現(xiàn)正確數(shù)據(jù)傳輸。靜態(tài)存儲(chǔ)器,、SDRAM及BurstFlash控制器均可作為EBI上的外部存儲(chǔ)控制器,。EBI擁有8個(gè)片選信號(hào)(NCS[7：0])，可處理多達(dá)8個(gè)外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸,；數(shù)據(jù)通過8位或者16位數(shù)據(jù)總線進(jìn)行傳輸,；地址總線高達(dá)26位。在16位總線寬度下,，EBI與顯示控制器相關(guān)的總線接口信號(hào)有：數(shù)據(jù)總線DB[15：0],、地址總線AB[21：1]、片選信號(hào)NCS2(對(duì)應(yīng)的地址為0x30000000),、使能高字節(jié)讀與寫操作信號(hào)NWR1,、使能字節(jié)或半字節(jié)讀/寫信號(hào)NRD/NWR0及復(fù)位信號(hào)NRST。由上述接口信號(hào)的定義分析得出,，S1D13506與AT91RM9200的總線連接圖如上圖2所示,。
2。2交叉編譯環(huán)境的搭建
移植Linux前,，需要在宿主機(jī)上建立ARM-Linux的交叉編譯環(huán)境,，社區(qū)的開發(fā)者和一些芯片廠商已經(jīng)編譯出了常用體系結(jié)構(gòu)的工具鏈，安裝簡(jiǎn)單,，使用這些工具鏈,，可以大大減少工作量。針對(duì)移植的Linux內(nèi)核版本2。4,。26,，選用cross-2。95,。3,。tar。bz2工具鏈,。另外,，MiniGUI的交叉編譯，還需要一些字體,、圖形等庫文件的支持,，這些庫文件包括：zlib-1。2,。3,。tar。gz（該庫是后面幾個(gè)庫編譯的基礎(chǔ)）,、libpng-1,。0。10rc1,。tar。gz（png圖形）,、jpegsrc,。v6b。tar,。gz（jpeg圖形）,、freetype-1。3,。1,。tar。gz（TrueType字體）等,，在進(jìn)行MiniGUI交叉編譯之前,，需要把這些庫安裝到交叉編譯器中去。安裝過程比較簡(jiǎn)單,，可查找相關(guān)資料,。
3嵌入式Linux系統(tǒng)移植及相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)
3。1嵌入式Linux系統(tǒng)移植移植
嵌入式Linux系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)圖形用戶界面的系統(tǒng)軟件核心,。嵌入式Linux系統(tǒng)包括引導(dǎo)程序(Bootloader),、內(nèi)核(kernel)和根文件系統(tǒng)三個(gè)部分。嵌入式Linux移植到特定的硬件平臺(tái)上，一般需要以下五個(gè)步驟：①前期準(zhǔn)備包括從上下載嵌入式Linux的源碼包,、搭建交叉編譯開發(fā)環(huán)境,、配置主機(jī)的開發(fā)環(huán)境等；②配置Bootloader,，并將其燒寫到目標(biāo)平臺(tái)的Flash上,，使其能正常的啟動(dòng)內(nèi)核；③配置和編譯Linux內(nèi)核,，首先要對(duì)源碼進(jìn)行一定的修改,，并將其移植到目標(biāo)平臺(tái)上，然后再根據(jù)自己的硬件資源進(jìn)行裁減,，使內(nèi)核達(dá)到最優(yōu),；④制作RAMDISK來掛接Linux的根文件系統(tǒng)，并在RAMDISK上添加自己的應(yīng)用程序,；⑤部署Linux系統(tǒng)使目標(biāo)板脫離交叉開發(fā)環(huán)境,，直接在目標(biāo)機(jī)上本地啟動(dòng)運(yùn)行。由于篇幅所限,，關(guān)于Linux的具體移植過程將不做詳細(xì)介紹,。
3。2相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)
設(shè)備驅(qū)動(dòng)在Linux內(nèi)核中扮演著特殊的角色,。它們是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“黑盒子”,，使某個(gè)特定硬件響應(yīng)一個(gè)定義良好的內(nèi)部編程接口，這些接口完全隱藏了設(shè)備的工作細(xì)節(jié),。用戶的操作通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用執(zhí)行,，而這些調(diào)用獨(dú)立于特定的驅(qū)動(dòng)程序。Linux系統(tǒng)的設(shè)備分為字符,、塊和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三種,。字符設(shè)備是指存取時(shí)沒有緩存的設(shè)備。塊設(shè)備的讀寫都有緩存來支持,，并且塊設(shè)備必須能夠隨機(jī)存取,。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在Linux里做專門的處理。
3,。2,。1LCD控制器S1D13506驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)
①幀緩沖區(qū)驅(qū)動(dòng)程序接口LCD控制器的功能就是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)LCD,。用戶只需要讀寫一系列寄存器,，就可以配置和顯示驅(qū)動(dòng)，在配置LCD控制器中最重要的一步是幀緩沖區(qū)的指定,。幀緩沖區(qū)為圖像硬件設(shè)備提供了一種抽象化處理,，它代表了一些視頻硬件設(shè)備,，允許應(yīng)用軟件通過定義明確的界面來訪問圖像硬件設(shè)備。用戶程序只要與幀緩沖區(qū)驅(qū)動(dòng)程序抽象出來的接口打交道,，就可以把要顯示的內(nèi)容從緩沖區(qū)中讀出,，從而顯示到屏幕上。
在Framebuffer（幀緩沖）驅(qū)動(dòng)程序里最核心的結(jié)構(gòu)體是structfb_info,，它記錄了當(dāng)前Framebuffer硬件設(shè)備的狀態(tài),，其定義在Linux的include/linux/fb。h中,，其中主要的結(jié)構(gòu)體有：(1)structfb_fix_screeninfo：定義了顯示設(shè)備自身的屬性,，如屏幕緩沖區(qū)的物理地址和長(zhǎng)度等。(2)structfb_var_screeninfo：記錄了楨緩沖區(qū)設(shè)備和指定顯示模式的可修改信息,，主要包括屏幕的分辨率,、顏色數(shù)和一些時(shí)序變量。實(shí)際的編程中,，通過賦值來設(shè)置這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體的相關(guān)參數(shù),。
②LCD初始化Linux下驅(qū)動(dòng)程序的入口是module_init()，因此初始化通過調(diào)用module_init(13506fb_init)函數(shù)來實(shí)現(xiàn),。13506fb_init初始化的部分代碼主要完成以下工作：⑴對(duì)LCD的背光燈進(jìn)行點(diǎn)亮,。LCD顯示是一種被動(dòng)顯示模式，它不能發(fā)光,，只能依靠控制透射或反射周圍環(huán)境的光達(dá)到顯示目的,，因此必須通過寫寄存器，實(shí)現(xiàn)背光燈的點(diǎn)亮,。⑵本系統(tǒng)在13506,。h頭文件里用了一個(gè)數(shù)組對(duì)寄存器的設(shè)置作了一個(gè)預(yù)定義，然后再初始化函數(shù)里利用兩個(gè)實(shí)際參數(shù)寫入,，從而設(shè)定寄存器的值,。寄存器設(shè)置的值為：static13506_REGSas1dregs[]={…{0x0032,，0x27},，{0x0038，0xEF},，{0x0039,，0x0}…}。其中數(shù)組里每個(gè)元素的第一個(gè)值代表寄存器的名稱,，第二個(gè)值代表要設(shè)定的值,。這里32h設(shè)置LCD顯示的水平象素值320；38h,，39h分別設(shè)置成0xEF和0x0,，即設(shè)置垂直象素值240,。除了這三個(gè)寄存器外，34h和3Ah這兩個(gè)寄存器也會(huì)對(duì)分辨率有影響,。
③LCD驅(qū)動(dòng)“文件層-驅(qū)動(dòng)層”函數(shù)的實(shí)現(xiàn)幀緩沖設(shè)備屬于字符設(shè)備,，要實(shí)現(xiàn)“文件層-驅(qū)動(dòng)層”接口的方式來對(duì)LCD進(jìn)行驅(qū)動(dòng)就必須對(duì)file_operation數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)fb_ops進(jìn)行填充，并實(shí)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)的成員函數(shù),。本系統(tǒng)移植的Linux下include/linux/fb,。h中定義了幀緩沖區(qū)的文件操作結(jié)構(gòu)體structfb_ops。該結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)字段都必須指向驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)特定操作的函數(shù),，對(duì)于不支持的操作字段可以置為NULL,，或留到后續(xù)開發(fā)時(shí)添加。針對(duì)本系統(tǒng)的LCD,，需要特定的操作成員函數(shù)如下：staticstructfb_ops13506fb_ops={owner：THIS_MODULE,，fb_open：13506fb_open，fb_get_fix：13506fb_get_fix,，fb_get_var：13506fb_get_var,，fb_set_var：13506fb_set_var，fb_get_cmap：13506fb_get_cmap,，fb_set_cmap：13506fb_set_cmap,，fb_mmap：13506_mmap，};至此,，LCD的驅(qū)動(dòng)程序框架已完成,，所剩工作就是把一些調(diào)用的函數(shù)寫完整，編寫好驅(qū)動(dòng)程序后用arm-linux-gcc交叉編譯工具編譯驅(qū)動(dòng)模塊,，之后動(dòng)態(tài)加載或靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核,。
3。2,。2USB驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)通用串行總線（USB）是一種外部總線結(jié)構(gòu),，特點(diǎn)是接口統(tǒng)一、易于使用,、方便擴(kuò)展,、支持熱插拔（hotplug）和PNP(Plug-and-Play)，簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)與不同類型外設(shè)間的連接,，一經(jīng)推出就得到計(jì)算機(jī)外設(shè)硬件制造商的廣泛采用,。Linux作為一個(gè)占有相當(dāng)市場(chǎng)份額的開源操作系統(tǒng)，自2,。2,。18版本內(nèi)核以來，就加入了對(duì)USB的支持,。
USB是一種分層總線結(jié)構(gòu),，USB設(shè)備和主機(jī)之間的信息傳輸通過USB控制器實(shí)現(xiàn),。USB控制器的驅(qū)動(dòng)分為三層，由底至上為：USB主控制器驅(qū)動(dòng),、USB驅(qū)動(dòng)和USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng),。
處于最底層USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)（HCD）是USB主機(jī)直接與硬件交互的軟件模塊。Linux-2,。4內(nèi)核中的USB支持2種主控制器接口：通用主控制器接口（UHCI）和開放控制器接口（OHCI）,。主控制器驅(qū)動(dòng)為上層提供統(tǒng)一的接口，屏蔽掉硬件的具體細(xì)節(jié),。具體實(shí)現(xiàn)的功能有：主控制器硬件初始化,；為USBD層提供相應(yīng)的接口函數(shù)；提供集線器設(shè)備配置,、控制功能,；完成4種數(shù)據(jù)傳輸類型。USB驅(qū)動(dòng)（USBD）部分是整個(gè)USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心,，主要負(fù)責(zé)USB總線的管理,、USB總線設(shè)備、USB總線帶寬管理,、為USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供相關(guān)的接口,、提供應(yīng)用程序訪問的USB系統(tǒng)的文件接口。
USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)是最終與應(yīng)用程序交互的軟件模塊,，主要為訪問特定的USB設(shè)備和應(yīng)用程序提供接口,。Linux內(nèi)核支持的USB設(shè)備類有：USB打印機(jī)設(shè)備類、通信設(shè)備類,、存儲(chǔ)設(shè)備類,、語音設(shè)備類等。由于AT91RM9200的USBHOST控制器符合OHCI標(biāo)準(zhǔn),，而系統(tǒng)所選擇的Linux內(nèi)核又對(duì)OHCI規(guī)范提供了模塊支持,，因此使得開發(fā)工作相對(duì)簡(jiǎn)單。開發(fā)目標(biāo)板所需的USB驅(qū)動(dòng)程序時(shí),，只需對(duì)原Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)針對(duì)目標(biāo)板稍做修改即可,。具體修改部分如下：①調(diào)整初始化地址。在/usb/usb-ochi,。c中,，使用板載起始地址（0x40700000）來初始化,；②刪除PCI接口的處理代碼,。在目標(biāo)板ARM221平臺(tái)上，USB主機(jī)控制器不包含PCI接口,，故把/usb/usb-ochi,。c中與PCI有關(guān)的代碼刪除,；③修改HUB下端口數(shù)目。目標(biāo)板ARM221設(shè)有兩個(gè)USBHUB端口,，用于鍵盤和鼠標(biāo)接口,。故在/usb/usb-ochi。c中把HUB的下行端口數(shù)目從默認(rèn)值改為2,。代碼修改之后,，重新編譯、加載到內(nèi)核,。
4MiniGUI在ARM221目標(biāo)板上的移植
4,。1MiniGUI的體系結(jié)構(gòu)
MiniGUI是一種針對(duì)嵌入式設(shè)備的、跨操作系統(tǒng)的,、輕量級(jí)的圖形用戶界面支持系統(tǒng),。從整體結(jié)構(gòu)上看，MiniGUI是分層設(shè)計(jì)的,。在最底層,，圖形抽象層（GAL：GraphicAbstractLayer）和輸入抽象層(IAL：InputAbstractLayer)提供底層圖形設(shè)備接口GDI(GDI：GraphicDeviceInterface)及輸入設(shè)備驅(qū)動(dòng)，Pthread（POSIX標(biāo)準(zhǔn)線程）用于提供內(nèi)核級(jí)線程支持的C函數(shù)庫,；中間層是MiniGUI的核心層,，包括窗口系統(tǒng)必不可少的各個(gè)模塊；最頂層是應(yīng)用編程接口（API：ApplicationProgramingInterface）,。MiniGUI的這種分層體系結(jié)構(gòu),，大大方便了其在目標(biāo)系統(tǒng)上的移植。
4,。2MiniGUI的移植移植
MiniGUI主要是根據(jù)具體的硬件平臺(tái)定制或移植GAL引擎和IAL引擎,，主要包括以下三個(gè)方面的工作。①GAL引擎的移植,。MiniGUI可支持多種GAL引擎,，包括對(duì)Framebuffer引擎的支持。因此,，對(duì)于目標(biāo)板ARM221來說,，顯示設(shè)備為L(zhǎng)CD，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序已開發(fā)完成,，這里只需要在配置文件MiniGUI,。cfg中修改gal_engine=fbcon即可。②IAL引擎的移植,。MiniGUI可支持多種IAL引擎,，包括USB鼠標(biāo)、鍵盤引及部分觸摸屏引擎,。
對(duì)于目標(biāo)板ARM221來說,，其軟硬件方面都已支持USB鼠標(biāo),、鍵盤，故這里只需在配置文件MiniGUI,。cfg中修改ial_engine=console,、mdev=/dev/PS2即可。③交叉編譯MiniGUI的庫文件,、資源文件,、應(yīng)用程序，并制作根文件系統(tǒng)下載到目標(biāo)板系統(tǒng)上運(yùn)行,。移植完成后,，板載MiniGUI的運(yùn)行情況如圖3。
5總結(jié)
本文介紹了一種基于ARM&Linux的圖形用戶界面平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程,。實(shí)驗(yàn)表明,，該平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在應(yīng)用系統(tǒng)中只需根據(jù)實(shí)際需求做上層應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)即可,。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：從整體角度,，對(duì)嵌入式GUI開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行分析研究，選用了性能可靠的ARM,、開放源代碼的Linux及輕型嵌入式GUI支持庫MiniGUI,，完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。