來(lái)源：微計(jì)算機(jī)信息 作者：袁亞莉，馬立玲，王軍政

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(lái)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(lái)提供支持。

因此，在嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，關(guān)鍵的一步就是嵌入式圖形用戶界面開(kāi)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(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)及開(kāi)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、Burst Flash、CompactFlash、SmartMedia 以及NAND Flash，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(méi)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320×240-16bpp TFT-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(xiě)信號(hào)WE1、寫(xiě)使能信號(hào)WE0、輸出讀使能命令信號(hào)RD、選擇讀寫(xiě)顯存還是讀寫(xiě)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Burst Flash 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(guò)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(xiě)操作信號(hào)NWR1、使能字節(jié)或半字節(jié)讀/寫(xiě)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(kāi)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(kù)文件的支持，這些庫(kù)文件包括：zlib-1.2.3.tar.gz（該庫(kù)是后面幾個(gè)庫(kù)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(kù)安裝到交叉編譯器中去。安裝過(guò)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(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境、配置主機(jī)的開(kāi)發(fā)環(huán)境等；②配置Bootloader，并將其燒寫(xiě)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(lái)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(kāi)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(guò)程將不做詳細(xì)介紹。

3.2 相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)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(guò)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(méi)有緩存的設(shè)備。塊設(shè)備的讀寫(xiě)都有緩存來(lái)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(mén)的處理。

3.2.1 LCD控制器S1D13506驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)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(xiě)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(guò)定義明確的界面來(lái)訪問(wèn)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(lái)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struct fb_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）struct fb_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）struct fb_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(guò)賦值來(lái)設(shè)置這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體的相關(guān)參數(shù)。

② LCD初始化

Linux下驅(qū)動(dòng)程序的入口是module_init（），因此初始化通過(guò)調(diào)用module_init（13506fb_init）函數(shù)來(lái)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(guò)寫(xiě)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(xiě)入，從而設(shè)定寄存器的值。寄存器設(shè)置的值為： static 13506_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。

③ LCD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(lái)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struct fb_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(kāi)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：

static struct fb_ops 13506fb_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(xiě)完整，編寫(xiě)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。

3.2.2 USB驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)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（hot plug）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(kāi)源操作系統(tǒng)，自2.2.18版本內(nèi)核以來(lái)，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(guò)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(kāi)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(wèn)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(wèn)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(yǔ)音設(shè)備類等。由于AT91RM9200 的USB HOST 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(kāi)發(fā)工作相對(duì)簡(jiǎn)單。開(kāi)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(lái)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)USB HUB 端口，用于鍵盤(pán)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。

4 MiniGUI在ARM221目標(biāo)板上的移植

4.1 MiniGUI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:Graphic AbstractLayer）和輸入抽象層（IAL:Input Abstract Layer）提供底層圖形設(shè)備接口GDI（GDI:GraphicDevice Interface）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(kù)；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:Application Programing Interface）。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。

4.2 MiniGUI 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(lái)說(shuō)，顯示設(shè)備為L(zhǎng)CD，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序已開(kāi)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(pán)引及部分觸摸屏引擎。

對(duì)于目標(biāo)板ARM221 來(lái)說(shuō)，其軟硬件方面都已支持USB 鼠標(biāo)、鍵盤(pán)，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(kù)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(guò)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(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行分析研究，選用了性能可靠的ARM、開(kāi)放源代碼的Linux及輕型嵌入式GUI支持庫(kù)MiniGUI，完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

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