來源：微計算機信息 作者：袁亞莉，馬立玲，王軍政

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(yè)用戶帶來了極大方便。同時，這些產品都需要有高性能、穩(wěn)定可靠的GUI（圖形用戶界面）來提供支持。

因此，在嵌入式產品的開發(fā)過程中，關鍵的一步就是嵌入式圖形用戶界面開發(fā)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(tǒng)開發(fā)平臺的設計過程。

2 硬件平臺設計及開發(fā)環(huán)境的搭建

2.1 硬件平臺設計

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(tài)存儲器、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(xiàn)LCD 顯示。

系統(tǒng)選用了一款應用比較廣泛的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(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與基于ARM器件的內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(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(tǒng)移植及相關驅動程序開發(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)包括引導程序（Bootloader）、內核（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(jù)自己的硬件資源進行裁減，使內核達到最優(yōu)；④制作RAMDISK來掛接Linux的根文件系統(tǒng)，并在RAMDISK上添加自己的應用程序；⑤部署Linux系統(tǒng)使目標板脫離交叉開發(fā)環(huán)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(fā)

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(jié)。用戶的操作通過一組標準化的調用執(zhí)行，而這些調用獨立于特定的驅動程序。Linux 系統(tǒng)的設備分為字符、塊和網(wǎng)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(wǎng)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(fā)

① 幀緩沖區(qū)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(qū)的指定。幀緩沖區(qū)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(qū)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(qū)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(tài)，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(qū)的物理地址和長度等。（2）struct fb_var_screeninfo：記錄了楨緩沖區(qū)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(shù)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(shù)。

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(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)組對寄存器的設置作了一個預定義，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(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(shù)的實現(xiàn)

幀緩沖設備屬于字符設備，要實現(xiàn)“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(shù)據(jù)結構fb_ops進行填充，并實現(xiàn)其對應的成員函數(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(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：

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(shù)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(tài)加載或靜態(tài)編譯進內核。

3.2.2 USB驅動程序開發(fā)

通用串行總線（USB）是一種外部總線結構，特點是接口統(tǒng)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(tǒng)，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(xiàn)。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(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 層提供相應的接口函數(shù)；提供集線器設備配置、控制功能；完成4 種數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)所選擇的Linux 內核又對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(shù)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(shù)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(tǒng)的、輕量級的圖形用戶界面支持系統(tǒng)。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(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(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(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、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(tǒng)下載到目標板系統(tǒng)上運行。移植完成后，板載MiniGUI 的運行情況如圖3。

5 總結

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(wěn)定可靠，在應用系統(tǒng)中只需根據(jù)實際需求做上層應用軟件實現(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)的軟硬件設計。

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