如何去设计图形用户界面开发平台？

　　1 引言
　　嵌入式产品如 PDA、机顶盒、WAP 手机等迅速地普及，给广大的非专业用户带来了极大方便。同时，这些产品都需要有高性能、稳定可靠的GUI（图形用户界面）来提供支持。
　　因此，在嵌入式产品的开发过程中，关键的一步就是嵌入式图形用户界面开发平台的设计。本文介绍了一种基于ARM、Linux 及MiniGUI 的图形用户界面系统开发平台的设计过程。
　　2 硬件平台设计及开发环境的搭建
　　2.1 硬件平台设计
　　硬件平台ARM221 为自行研发的基于AT91RM9200 处理器芯片的ARM 板，其核心板结构图如图1 所示。AT91RM9200 处理器是一款基于ARM920T 内核的高性价比、低功耗、32 位的ARM 芯片，时钟频率为180Mhz，运算速度可达到200MIPS。AT91RM9200 具有存储器管理单元（MMU）、16KB 的SRAM 和128KB 的ROM 以及外部总线接口（EBI），支持SDRAM、静态存储器、Burst Flash、CompactFlash、SmartMedia 以及NAND Flash，还集成了USB 控制器、以太网控制器、RTC、SPI、I2C 等丰富的外围设备。AT91RM9200 处理器内部没有集成LCD控制器，因而需要配备专用的显示控制器，才能实现LCD 显示。
　　
　　系统选用了一款应用比较广泛的LCD 控制器S1D13506，它是EPSON 大规模显示控制器家族中较新的一款。它的输出可以驱动VGA 显示或者最大为800×600 的点阵LCD 显示屏，可以灵活地对各种不同的显示方式进行设置，功能非常强大，可以和目前市场上流行的多种CPU 总线兼容。另外显示器选用了一款东华的320×240-16bpp TFT-LCD。S1D13506 的PC 卡总线接口可以很方便地与AT91RM920 相连，其与总线接口信号相关的信号为：数据总线DB［15:0］、地址总线AB［21:1］、片选信号CS、高位读写信号WE1、写使能信号WE0、输出读使能命令信号RD、选择读写显存还是读写S1D13506 寄存器信号M/R。
　　AT91RM9200 的EBI 总线接口用以确保多个外设与基于ARM器件的内置控制存储器之间实现正确数据传输。静态存储器、SDRAM 及Burst Flash 控制器均可作为EBI 上的外部存储控制器。EBI 拥有8 个片选信号（NCS［7:0］），可处理多达8 个外设的数据传输；数据通过8 位或者16 位数据总线进行传输；地址总线高达26 位。在16 位总线宽度下，EBI 与显示控制器相关的总线接口信号有：数据总线DB［15：0］、地址总线AB［21:1］、片选信号NCS2（对应的地址为0x30000000）、使能高字节读与写操作信号NWR1、使能字节或半字节读/写信号NRD/NWR0 及复位信号NRST。由上述接口信号的定义分析得出，S1D13506 与AT91RM9200 的总线连接图如上图2 所示。
　　
　　2.2 交叉编译环境的搭建
　　移植Linux前，需要在宿主机上建立ARM-Linux的交叉编译环境，社区的开发者和一些芯片厂商已经编译出了常用体系结构的工具链，安装简单，使用这些工具链，可以大大减少工作量。针对移植的Linux内核版本2.4.26，选用cross-2.95.3.tar.bz2工具链。另外，MiniGUI 的交叉编译，还需要一些字体、图形等库文件的支持，这些库文件包括：zlib-1.2.3.tar.gz（该库是后面几个库编译的基础）、libpng-1.0.10rc1.tar.gz（ png 图形）、jpegsrc.v6b.tar.gz（jpeg 图形）、freetype-1.3.1.tar.gz（TrueType 字体）等，在进行MiniGUI交叉编译之前，需要把这些库安装到交叉编译器中去。安装过程比较简单，可查找相关资料。
　　3 嵌入式Linux系统移植及相关驱动程序开发
　　3.1 嵌入式Linux系统移植
　　移植嵌入式Linux系统是实现嵌入式系统图形用户界面的系统软件核心。嵌入式Linux系统包括引导程序（Bootloader）、内核（kernel）和根文件系统三个部分。嵌入式Linux移植到特定的硬件平台上，一般需要以下五个步骤：①前期准备包括从*****上下载嵌入式Linux的源码包、搭建交叉编译开发环境、配置主机的开发环境等；②配置Bootloader，并将其烧写到目标平台的Flash上，使其能正常的启动内核；③配置和编译Linux内核，首先要对源码进行一定的修改， 并将其移植到目标平台上，然后再根据自己的硬件资源进行裁减，使内核达到最优；④制作RAMDISK来挂接Linux的根文件系统，并在RAMDISK上添加自己的应用程序；⑤部署Linux系统使目标板脱离交叉开发环境，直接在目标机上本地启动运行。由于篇幅所限，关于Linux的具体移植过程将不做详细介绍。
　　3.2 相关设备驱动的开发
　　设备驱动在Linux 内核中扮演着特殊的角色。它们是一个个独立的“黑盒子”，使某个特定硬件响应一个定义良好的内部编程接口，这些接口完全隐藏了设备的工作细节。用户的操作通过一组标准化的调用执行，而这些调用独立于特定的驱动程序。Linux 系统的设备分为字符、块和网络设备三种。字符设备是指存取时没有缓存的设备。块设备的读写都有缓存来支持，并且块设备必须能够随机存取。网络设备在Linux 里做专门的处理。
　　3.2.1 LCD控制器S1D13506驱动程序的开发
　　① 帧缓冲区驱动程序接口
　　LCD控制器的功能就是产生驱动信号，进而驱动LCD。用户只需要读写一系列寄存器，就可以配置和显示驱动，在配置LCD控制器中最重要的一步是帧缓冲区的指定。帧缓冲区为图像硬件设备提供了一种抽象化处理，它代表了一些视频硬件设备，允许应用软件通过定义明确的界面来访问图像硬件设备。用户程序只要与帧缓冲区驱动程序抽象出来的接口打交道，就可以把要显示的内容从缓冲区中读出，从而显示到屏幕上。
　　在Framebuffer（帧缓冲）驱动程序里最核心的结构体是struct fb_info，它记录了当前Framebuffer硬件设备的状态，其定义在Linux的include/linux/fb.h中，其中主要的结构体有1）struct fb_fix_screeninfo：定义了显示设备自身的属性，如屏幕缓冲区的物理地址和长度等。（2）struct fb_var_screeninfo：记录了桢缓冲区设备和指定显示模式的可修改信息，主要包括屏幕的分辨率、颜色数和一些时序变量。实际的编程中，通过赋值来设置这两个结构体的相关参数。
　　② LCD初始化
　　Linux下驱动程序的入口是module_init（），因此初始化通过调用module_init（13506fb_init）函数来实现。13506fb_init初始化的部分代码主要完成以下工作：⑴对LCD的背光灯进行点亮。LCD显示是一种被动显示模式，它不能发光，只能依靠控制透射或反射周围环境的光达到显示目的，因此必须通过写寄存器，实现背光灯的点亮。⑵本系统在13506.h头文件里用了一个数组对寄存器的设置作了一个预定义，然后再初始化函数里利用两个实际参数写入，从而设定寄存器的值。寄存器设置的值为： static 13506_REGSas1dregs［］={ …{0x0032，0x27}，{0x0038，0xEF}，{0x0039，0x0}…}。其中数组里每个元素的第一个值代表寄存器的名称，第二个值代表要设定的值。这里32h设置LCD显示的水平象素值320；38h，39h分别设置成0xEF和0x0，即设置垂直象素值240。除了这三个寄存器外，34h和3Ah这两个寄存器也会对分辨率有影响。
　　③ LCD驱动“文件层-驱动层”函数的实现
　　帧缓冲设备属于字符设备，要实现“文件层-驱动层”接口的方式来对LCD进行驱动就必须对file_operation数据结构fb_ops进行填充，并实现其对应的成员函数。本系统移植的Linux下include/linux/fb.h中定义了帧缓冲区的文件操作结构体struct fb_ops。该结构中的每一个字段都必须指向驱动程序中实现特定操作的函数，对于不支持的操作字段可以置为NULL，或留到后续开发时添加。针对本系统的LCD，需要特定的操作成员函数如下：
　　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的驱动程序框架已完成，所剩工作就是把一些调用的函数写完整，编写好驱动程序后用arm-linux-gcc交叉编译工具编译驱动模块，之后动态加载或静态编译进内核。
　　3.2.2 USB驱动程序开发
　　通用串行总线（USB）是一种外部总线结构，特点是接口统一、易于使用、方便扩展、支持热插拔（hot plug）和PNP（Plug-and-Play），简化了计算机与不同类型外设间的连接，一经推出就得到计算机外设硬件制造商的广泛采用。Linux作为一个占有相当市场份额的开源操作系统，自2.2.18版本内核以来，就加入了对USB的支持。
　　USB 是一种分层总线结构，USB 设备和主机之间的信息传输通过USB 控制器实现。USB控制器的驱动分为三层，由底至上为：USB 主控制器驱动、USB 驱动和USB 设备类驱动。
　　处于最底层 USB 主机控制器驱动（HCD）是USB 主机直接与硬件交互的软件模块。Linux-2.4 内核中的USB 支持2 种主控制器接口：通用主控制器接口（UHCI）和开放控制器接口（OHCI）。主控制器驱动为上层提供统一的接口，屏蔽掉硬件的具体细节。具体实现的功能有：主控制器硬件初始化；为USBD 层提供相应的接口函数；提供集线器设备配置、控制功能；完成4 种数据传输类型。USB 驱动（USBD）部分是整个USB 主机驱动的核心，主要负责USB 总线的管理、USB总线设备、USB 总线带宽管理、为USB 设备驱动提供相关的接口、提供应用程序访问的USB 系统的文件接口。
　　USB 设备类驱动是最终与应用程序交互的软件模块，主要为访问特定的USB 设备和应用程序提供接口。Linux 内核支持的USB 设备类有：USB 打印机设备类、通信设备类、存储设备类、语音设备类等。由于AT91RM9200 的USB HOST 控制器符合OHCI 标准，而系统所选择的Linux 内核又对OHCI 规范提供了模块支持，因此使得开发工作相对简单。开发目标板所需的USB 驱动程序时，只需对原Linux 内核驱动针对目标板稍做修改即可。具体修改部分如下：①调整初始化地址。在/u***/u***-ochi.c 中，使用板载起始地址（0x40700000）来初始化；②删除PCI接口的处理代码。在目标板ARM221 平台上，USB 主机控制器不包含PCI 接口，故把/u***/u***-ochi.c 中与PCI 有关的代码删除；③修改HUB 下端口数目。目标板ARM221 设有两个USB HUB 端口，用于键盘和鼠标接口。故在/u***/u***-ochi.c 中把HUB 的下行端口数目从默认值改为2。代码修改之后，重新编译、加载到内核。
　　4 MiniGUI在ARM221目标板上的移植
　　4.1 MiniGUI的体系结构
　　MiniGUI是一种针对嵌入式设备的、跨操作系统的、轻量级的图形用户界面支持系统。从整体结构上看，MiniGUI是分层设计的。在最底层，图形抽象层（GAL:Graphic AbstractLayer）和输入抽象层（IAL:Input Abstract Layer）提供底层图形设备接口GDI（GDI:GraphicDevice Interface）及输入设备驱动， Pthread（POSIX标准线程）用于提供内核级线程支持的C函数库；中间层是MiniGUI的核心层，包括窗口系统必不可少的各个模块；最顶层是应用编程接口（API:Application Programing Interface）。MiniGUI的这种分层体系结构，大大方便了其在目标系统上的移植。
　　4.2 MiniGUI 的移植
　　移植MiniGUI 主要是根据具体的硬件平台定制或移植GAL 引擎和IAL 引擎，主要包括以下三个方面的工作。①GAL 引擎的移植。MiniGUI 可支持多种GAL 引擎，包括对Framebuffer 引擎的支持。因此，对于目标板ARM221 来说，显示设备为LCD，相应的驱动程序已开发完成，这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 可支持多种IAL 引擎，包括USB 鼠标、键盘引及部分触摸屏引擎。
　　对于目标板ARM221 来说，其软硬件方面都已支持USB 鼠标、键盘，故这里只需在配置文件MiniGUI.cfg 中修改ial_engine=console、mdev=/dev/PS2 即可。③交叉编译MiniGUI 的库文件、资源文件、应用程序，并制作根文件系统下载到目标板系统上运行。
　　5 总结
　　本文介绍了一种基于ARM&Linux 的图形用户界面平台的设计过程。实验表明，该平台运行稳定可靠，在应用系统中只需根据实际需求做上层应用软件实现即可。
　　本文作者创新点：从整体角度，对嵌入式GUI开发平台进行分析研究，选用了性能可靠的ARM、开放源代码的Linux及轻型嵌入式GUI支持库MiniGUI，完成了系统的软硬件设计。