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1 引言 嵌入式產品如 PDA、機頂盒、WAP 手機等迅速地普及，給廣大的非專業用戶帶來了極大方便。同時，這些產品都需要有高性能、穩定可靠的GUI（圖形用戶界面）來提供支持。 因此，在嵌入式產品的開發過程中，關鍵的一步就是嵌入式圖形用戶界面開發平臺的設計。本文介紹了一種基于ARM、Linux 及MiniGUI 的圖形用戶界面系統開發平臺的設計過程。 2 硬件平臺設計及開發環境的搭建 2.1 硬件平臺設計 硬件平臺ARM221 為自行研發的基于AT91RM9200 處理器芯片的ARM 板，其核心板結構圖如圖1 所示。AT91RM9200 處理器是一款基于ARM920T 內核的高性價比、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、靜態存儲器、Burst Flash、CompactFlash、SmartMedia 以及NAND Flash，還集成了USB 控制器、以太網控制器、RTC、SPI、I2C 等豐富的外圍設備。AT91RM9200 處理器內部沒有集成LCD控制器，因而需要配備專用的顯示控制器，才能實現LCD 顯示。 系統選用了一款應用比較廣泛的LCD 控制器S1D13506，它是EPSON 大規模顯示控制器家族中較新的一款。它的輸出可以驅動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320×240-16bpp TFT-LCD。S1D13506 的PC 卡總線接口可以很方便地與AT91RM920 相連，其與總線接口信號相關的信號為：數據總線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與基于ARM器件的內置控制存儲器之間實現正確數據傳輸。靜態存儲器、SDRAM 及Burst Flash 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 個外設的數據傳輸；數據通過8 位或者16 位數據總線進行傳輸；地址總線高達26 位。在16 位總線寬度下，EBI 與顯示控制器相關的總線接口信號有：數據總線DB[15：0]、地址總線AB[21:1]、片選信號NCS2(對應的地址為0x30000000)、使能高字節讀與寫操作信號NWR1、使能字節或半字節讀/寫信號NRD/NWR0 及復位信號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的交叉編譯環境,社區的開發者和一些芯片廠商已經編譯出了常用體系結構的工具鏈，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）、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，可查找相關資料。 3 嵌入式Linux系統移植及相關驅動程序開發 3.1 嵌入式Linux系統移植 移植嵌入式Linux系統是實現嵌入式系統圖形用戶界面的系統軟件核心。嵌入式Linux系統包括引導程序(Bootloader)、內核(kernel)和根文件系統三個部分。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前期準備包括從*****上下載嵌入式Linux的源碼包、搭建交叉編譯開發環境、配置主機的開發環境等；②配置Bootloader，并將其燒寫到目標平臺的Flash上，使其能正常的啟動內核；③配置和編譯Linux內核，首先要對源碼進行一定的修改, 并將其移植到目標平臺上，然后再根據自己的硬件資源進行裁減,使內核達到最優；④制作RAMDISK來掛接Linux的根文件系統,并在RAMDISK上添加自己的應用程序；⑤部署Linux系統使目標板脫離交叉開發環境，直接在目標機上本地啟動運行。由于篇幅所限，關于Linux的具體移植過程將不做詳細介紹。 3.2 相關設備驅動的開發 設備驅動在Linux 內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一個定義良好的內部編程接口，這些接口完全隱藏了設備的工作細節。用戶的操作通過一組標準化的調用執行，而這些調用獨立于特定的驅動程序。Linux 系統的設備分為字符、塊和網絡設備三種。字符設備是指存取時沒有緩存的設備。塊設備的讀寫都有緩存來支持，并且塊設備必須能夠隨機存取。網絡設備在Linux 里做專門的處理。 3.2.1 LCD控制器S1D13506驅動程序的開發 ① 幀緩沖區驅動程序接口 LCD控制器的功能就是產生驅動信號，進而驅動LCD。用戶只需要讀寫一系列寄存器，就可以配置和顯示驅動，在配置LCD控制器中最重要的一步是幀緩沖區的指定。幀緩沖區為圖像硬件設備提供了一種抽象化處理，它代表了一些視頻硬件設備，允許應用軟件通過定義明確的界面來訪問圖像硬件設備。用戶程序只要與幀緩沖區驅動程序抽象出來的接口打交道，就可以把要顯示的內容從緩沖區中讀出，從而顯示到屏幕上。 在Framebuffer（幀緩沖）驅動程序里最核心的結構體是struct fb_info,它記錄了當前Framebuffer硬件設備的狀態，其定義在Linux的include/linux/fb.h中，其中主要的結構體有  1)struct fb_fix_screeninfo:定義了顯示設備自身的屬性，如屏幕緩沖區的物理地址和長度等。(2)struct fb_var_screeninfo:記錄了楨緩沖區設備和指定顯示模式的可修改信息，主要包括屏幕的分辨率、顏色數和一些時序變量。實際的編程中，通過賦值來設置這兩個結構體的相關參數。 ② LCD初始化 Linux下驅動程序的入口是module_init(),因此初始化通過調用module_init(13506fb_init)函數來實現。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，它不能發光，只能依靠控制透射或反射周圍環境的光達到顯示目的，因此必須通過寫寄存器，實現背光燈的點亮。⑵本系統在13506.h頭文件里用了一個數組對寄存器的設置作了一個預定義，然后再初始化函數里利用兩個實際參數寫入，從而設定寄存器的值。寄存器設置的值為： static 13506_REGSas1dregs[]={ …{0x0032,0x27},{0x0038,0xEF},{0x0039,0x0}…}。其中數組里每個元素的第一個值代表寄存器的名稱，第二個值代表要設定的值。這里32h設置LCD顯示的水平象素值320；38h,39h分別設置成0xEF和0x0，即設置垂直象素值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。 ③ LCD驅動“文件層-驅動層”函數的實現 幀緩沖設備屬于字符設備，要實現“文件層-驅動層”接口的方式來對LCD進行驅動就必須對file_operation數據結構fb_ops進行填充，并實現其對應的成員函數。本系統移植的Linux下include/linux/fb.h中定義了幀緩沖區的文件操作結構體struct fb_ops。該結構中的每一個字段都必須指向驅動程序中實現特定操作的函數，對于不支持的操作字段可以置為NULL，或留到后續開發時添加。針對本系統的LCD，需要特定的操作成員函數如下： 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的驅動程序框架已完成，所剩工作就是把一些調用的函數寫完整，編寫好驅動程序后用arm-linux-gcc交叉編譯工具編譯驅動模塊，之后動態加載或靜態編譯進內核。 3.2.2 USB驅動程序開發 通用串行總線（USB）是一種外部總線結構，特點是接口統一、易于使用、方便擴展、支持熱插拔（hot plug）和PNP(Plug-and-Play)，簡化了計算機與不同類型外設間的連接，一經推出就得到計算機外設硬件制造商的廣泛采用。Linux作為一個占有相當市場份額的開源操作系統，自2.2.18版本內核以來，就加入了對USB的支持。 USB 是一種分層總線結構，USB 設備和主機之間的信息傳輸通過USB 控制器實現。USB控制器的驅動分為三層，由底至上為：USB 主控制器驅動、USB 驅動和USB 設備類驅動。 處于最底層 USB 主機控制器驅動（HCD）是USB 主機直接與硬件交互的軟件模塊。Linux-2.4 內核中的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）。主控制器驅動為上層提供統一的接口，屏蔽掉硬件的具體細節。具體實現的功能有：主控制器硬件初始化；為USBD 層提供相應的接口函數；提供集線器設備配置、控制功能；完成4 種數據傳輸類型。USB 驅動（USBD）部分是整個USB 主機驅動的核心，主要負責USB 總線的管理、USB總線設備、USB 總線帶寬管理、為USB 設備驅動提供相關的接口、提供應用程序訪問的USB 系統的文件接口。 USB 設備類驅動是最終與應用程序交互的軟件模塊，主要為訪問特定的USB 設備和應用程序提供接口。Linux 內核支持的USB 設備類有：USB 打印機設備類、通信設備類、存儲設備類、語音設備類等。由于AT91RM9200 的USB HOST 控制器符合OHCI 標準，而系統所選擇的Linux 內核又對OHCI 規范提供了模塊支持，因此使得開發工作相對簡單。開發目標板所需的USB 驅動程序時，只需對原Linux 內核驅動針對目標板稍做修改即可。具體修改部分如下：①調整初始化地址。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 有關的代碼刪除；③修改HUB 下端口數目。目標板ARM221 設有兩個USB HUB 端口，用于鍵盤和鼠標接口。故在/usb/usb-ochi.c 中把HUB 的下行端口數目從默認值改為2。代碼修改之后，重新編譯、加載到內核。 4 MiniGUI在ARM221目標板上的移植 4.1 MiniGUI的體系結構 MiniGUI是一種針對嵌入式設備的、跨操作系統的、輕量級的圖形用戶界面支持系統。從整體結構上看，MiniGUI是分層設計的。在最底層，圖形抽象層（GAL:Graphic AbstractLayer）和輸入抽象層(IAL:Input Abstract Layer)提供底層圖形設備接口GDI(GDI:GraphicDevice Interface)及輸入設備驅動, Pthread（POSIX標準線程）用于提供內核級線程支持的C函數庫；中間層是MiniGUI的核心層，包括窗口系統必不可少的各個模塊；最頂層是應用編程接口（API:Application Programing Interface）。MiniGUI的這種分層體系結構，大大方便了其在目標系統上的移植。 4.2 MiniGUI 的移植 移植MiniGUI 主要是根據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，對于目標板ARM221 來說，顯示設備為LCD，相應的驅動程序已開發完成，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、鍵盤引及部分觸摸屏引擎。 對于目標板ARM221 來說，其軟硬件方面都已支持USB 鼠標、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、應用程序，并制作根文件系統下載到目標板系統上運行。移植完成后，板載MiniGUI 的運行情況如圖3。 5 總結 本文介紹了一種基于ARM&Linux 的圖形用戶界面平臺的設計過程。實驗表明，該平臺運行穩定可靠，在應用系統中只需根據實際需求做上層應用軟件實現即可。 本文作者創新點：從整體角度,對嵌入式GUI開發平臺進行分析研究，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，完成了系統的軟硬件設計。 |
