1引言
嵌入式產(chǎn)品如PDA,、機頂盒、WAP手機等迅速地普及,，給廣大的非專業(yè)用戶帶來了極大方便,。同時，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)平臺的設(shè)計,。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)平臺的設(shè)計過程,。
2硬件平臺設(shè)計及開發(fā)環(huán)境的搭建
2,。1硬件平臺設(shè)計硬件平臺
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)核的高性價比,、低功耗、32位的ARM芯片,，時鐘頻率為180Mhz,，運算速度可達到200MIPS。AT91RM9200具有存儲器管理單元(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VGA顯示或者最大為800×600的點陣LCD顯示屏,，可以靈活地對各種不同的顯示方式進行設(shè)置，功能非常強大,，可以和目前市場上流行的多種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,，其與總線接口信號相關(guān)的信號為：數(shù)據(jù)總線DB[15：0],、地址總線AB[21：1]、片選信號CS,、高位讀寫信號WE1,、寫使能信號WE0、輸出讀使能命令信號RD,、選擇讀寫顯存還是讀寫S1D13506寄存器信號M/R,。
AT91RM9200的EBI總線接口用以確保多個外設(shè)與基于ARM器件的內(nèi)置控制存儲器之間實現(xiàn)正確數(shù)據(jù)傳輸。靜態(tài)存儲器,、SDRAM及BurstFlash控制器均可作為EBI上的外部存儲控制器,。EBI擁有8個片選信號(NCS[7：0])，可處理多達8個外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸,；數(shù)據(jù)通過8位或者16位數(shù)據(jù)總線進行傳輸,；地址總線高達26位。在16位總線寬度下,，EBI與顯示控制器相關(guān)的總線接口信號有：數(shù)據(jù)總線DB[15：0],、地址總線AB[21：1]、片選信號NCS2(對應(yīng)的地址為0x30000000),、使能高字節(jié)讀與寫操作信號NWR1,、使能字節(jié)或半字節(jié)讀/寫信號NRD/NWR0及復(fù)位信號NRST。由上述接口信號的定義分析得出,，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,，安裝簡單，使用這些工具鏈,，可以大大減少工作量,。針對移植的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)三個部分,。嵌入式Linux移植到特定的硬件平臺上，一般需要以下五個步驟：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,、配置主機的開發(fā)環(huán)境等；②配置Bootloader,，并將其燒寫到目標(biāo)平臺的Flash上,，使其能正常的啟動內(nèi)核；③配置和編譯Linux內(nèi)核,，首先要對源碼進行一定的修改,，并將其移植到目標(biāo)平臺上，然后再根據(jù)自己的硬件資源進行裁減,，使內(nèi)核達到最優(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)機上本地啟動運行。由于篇幅所限,，關(guān)于Linux的具體移植過程將不做詳細介紹,。
3。2相關(guān)設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)
設(shè)備驅(qū)動在Linux內(nèi)核中扮演著特殊的角色,。它們是一個個獨立的“黑盒子”,，使某個特定硬件響應(yīng)一個定義良好的內(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)用獨立于特定的驅(qū)動程序。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)動程序的開發(fā)
①幀緩沖區(qū)驅(qū)動程序接口LCD控制器的功能就是產(chǎn)生驅(qū)動信號,，進而驅(qū)動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,，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)和一些時序變量。實際的編程中,，通過賦值來設(shè)置這兩個結(jié)構(gòu)體的相關(guān)參數(shù),。
②LCD初始化Linux下驅(qū)動程序的入口是module_init(),，因此初始化通過調(diào)用module_init(13506fb_init)函數(shù)來實現(xiàn),。13506fb_init初始化的部分代碼主要完成以下工作：⑴對LCD的背光燈進行點亮。LCD顯示是一種被動顯示模式,，它不能發(fā)光,，只能依靠控制透射或反射周圍環(huán)境的光達到顯示目的，因此必須通過寫寄存器,，實現(xiàn)背光燈的點亮,。⑵本系統(tǒng)在13506。h頭文件里用了一個數(shù)組對寄存器的設(shè)置作了一個預(yù)定義,，然后再初始化函數(shù)里利用兩個實際參數(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)組里每個元素的第一個值代表寄存器的名稱，第二個值代表要設(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,。除了這三個寄存器外，34h和3Ah這兩個寄存器也會對分辨率有影響,。
③LCD驅(qū)動“文件層-驅(qū)動層”函數(shù)的實現(xiàn)幀緩沖設(shè)備屬于字符設(shè)備,，要實現(xiàn)“文件層-驅(qū)動層”接口的方式來對LCD進行驅(qū)動就必須對file_operation數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)fb_ops進行填充，并實現(xiàn)其對應(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)中的每一個字段都必須指向驅(qū)動程序中實現(xiàn)特定操作的函數(shù),，對于不支持的操作字段可以置為NULL,，或留到后續(xù)開發(fā)時添加。針對本系統(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)動程序后用arm-linux-gcc交叉編譯工具編譯驅(qū)動模塊,，之后動態(tài)加載或靜態(tài)編譯進內(nèi)核,。
3。2,。2USB驅(qū)動程序開發(fā)通用串行總線（USB）是一種外部總線結(jié)構(gòu),，特點是接口統(tǒng)一、易于使用,、方便擴展,、支持熱插拔（hotplug）和PNP(Plug-and-Play)，簡化了計算機與不同類型外設(shè)間的連接，一經(jīng)推出就得到計算機外設(shè)硬件制造商的廣泛采用,。Linux作為一個占有相當(dāng)市場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USB的支持。
USB是一種分層總線結(jié)構(gòu),，USB設(shè)備和主機之間的信息傳輸通過USB控制器實現(xiàn),。USB控制器的驅(qū)動分為三層，由底至上為：USB主控制器驅(qū)動,、USB驅(qū)動和USB設(shè)備類驅(qū)動,。
處于最底層USB主機控制器驅(qū)動（HCD）是USB主機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)動為上層提供統(tǒng)一的接口，屏蔽掉硬件的具體細節(jié),。具體實現(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（USBD）部分是整個USB主機驅(qū)動的核心,，主要負責(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打印機設(shè)備類,、通信設(shè)備類,、存儲設(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OHCI規(guī)范提供了模塊支持，因此使得開發(fā)工作相對簡單,。開發(fā)目標(biāo)板所需的USB驅(qū)動程序時,，只需對原Linux內(nèi)核驅(qū)動針對目標(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平臺上,，USB主機控制器不包含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是一種針對嵌入式設(shè)備的、跨操作系統(tǒng)的,、輕量級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，Pthread（POSIX標(biāo)準(zhǔn)線程）用于提供內(nèi)核級線程支持的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)具體的硬件平臺定制或移植GAL引擎和IAL引擎,，主要包括以下三個方面的工作。①GAL引擎的移植,。MiniGUI可支持多種GAL引擎,，包括對Framebuffer引擎的支持。因此,，對于目標(biāo)板ARM221來說,，顯示設(shè)備為LCD，相應(yīng)的驅(qū)動程序已開發(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)上運行,。移植完成后,，板載MiniGUI的運行情況如圖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的設(shè)計過程,。實驗表明,，該平臺運行穩(wěn)定可靠，在應(yīng)用系統(tǒng)中只需根據(jù)實際需求做上層應(yīng)用軟件實現(xiàn)即可,。
本文作者創(chuàng)新點：從整體角度,，對嵌入式GUI開發(fā)平臺進行分析研究，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。