μC/GUI在NiosⅡ嵌入式平臺上的移植研究

汪廷華，夏 斌，楊文璐，秦振華

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 200135）

便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠帧１銛y式設(shè)備是由硬件與軟件緊湊組合的一個(gè)單元模塊，是一種體積小、智能化程度高、功能全、使用靈活、操作方便的便攜機(jī)，適合家庭使用、外出攜帶等用途。為了使便攜式心電監(jiān)護(hù)儀實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互和更加方便的顯示，這里提出一種GUI界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就是在基于NiosⅡ處理器的嵌入式平臺上實(shí)現(xiàn)μC/GUI的移植，使之實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

1 μC/GUI的系統(tǒng)移植

1.1 μC/GUI簡介及可移植性分析

μC/GUI是Micrium公司開發(fā)的通用的嵌入式圖形用戶界面軟件，其中圖形用戶接口GUI（Graphical User Interface）。該界面軟件被設(shè)計(jì)用于為任何使用一個(gè)圖形LCD的應(yīng)用提供一個(gè)有效的不依賴于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口。它能工作于單任務(wù)或多任務(wù)的系統(tǒng)環(huán)境下。μC/GUI適用于使用任何LCD控制器和CPU的任何尺寸的物理和虛擬顯示，具有源代碼開放及模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

μC/GUI的代碼全部用ANSI的C語言編寫的，具有很強(qiáng)的移植性。由于μC/GUI采用分層結(jié)構(gòu)，即具有驅(qū)動接口層和應(yīng)用層，因此可方便地移植到各種CPU下使用。μC/GUI對各類圖像LCD顯示器具有良好的支持，并且有常見的2D圖形庫和窗口管理功能，而且消耗較少的系統(tǒng)資源，占用RAM和ROM的空間很小。在典型的應(yīng)用中，μG/GUI需要的資源如表1所示。由表1可見，運(yùn)行μC/GUI需要的系統(tǒng)資源不是很多，并支持幾乎所有類型的CPU與大多數(shù)的LCD模塊，μC/GUI的源代碼規(guī)模適中，移植過程中可將不需要的代碼進(jìn)行剔除，而且結(jié)構(gòu)層次清晰，因此適合用于嵌入式系統(tǒng)中[1]。

1.2 μC/GUI移植原理

嵌入式用戶圖形界面系統(tǒng)μC/GUI與嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ都是美國Micrium公司產(chǎn)品，μC/GUI能更輕易地在μC/OS-Ⅱ上應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)與μC/OS-Ⅱ的無縫結(jié)合。在NiosⅡ嵌入式系統(tǒng)中，Altera公司已經(jīng)將μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植成功并且提供使用，所做的工作是將μC/GUI移植到NiosⅡ嵌入式平臺之上，使其能與μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)結(jié)合使用，采用μC/GUI 3.98版本的源代碼進(jìn)行移植。

表1 μC/GUI所需資源情況Tab.1 Resource requirements of μC/GUI

μC/GUI的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，μC/GUI函數(shù)庫為用戶程序提供GUI接口，包含的函數(shù)有文本、數(shù)值、二維圖形、輸入設(shè)備以及各種窗口對象。其中，輸入設(shè)備可以是鍵盤、鼠標(biāo)或觸摸屏;二維圖形包括圖片、直線、多邊形、圓、橢圓、圓弧等;窗口對象包括按鈕、編輯框、進(jìn)度條、復(fù)選框等。

μC/GUI函數(shù)庫可以通過GUIConf.h文件進(jìn)行配置，包括內(nèi)存設(shè)備，窗口管理器，支持操作系統(tǒng)、觸摸屏，以及配置動態(tài)內(nèi)存的大小等。在移植中，需要根據(jù)系統(tǒng)需要以外設(shè)所支持的功能對GUIConf.h文件進(jìn)行配置。

在LCDConf.h文件中定義了與硬件有關(guān)的各種屬性，如液晶的大小、顏色以及與液晶的接口函數(shù)。而LCD驅(qū)動文件則負(fù)責(zé)把μC/GUI的各種函數(shù)解釋成LCDConf.h文件定義的液晶接口函數(shù)，這個(gè)文件與具體的硬件連接無關(guān)。在移植時(shí)，需要對LCDConf.h文件進(jìn)行配置，并針對LCD控制器編寫相應(yīng)的LCD驅(qū)動文件。

2 μC/GUI在NiosⅡ上的移植設(shè)計(jì)

2.1 TFT LCD IP核結(jié)構(gòu)

μC/GUI的移植是基于IP核的移植，編寫TFT LCD控制器，所以移植時(shí)，在底層配置文件，參數(shù)的配置要和TFT LCD IP的相關(guān)參數(shù)相匹配，否則不可能移植成功，該IP核的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

液晶屏采用臺灣統(tǒng)寶公司的TRDB_LCM 3.6寸屏，該屏的分辨率是320×240，支持24位色，也就是RGB888模式，但是由于Avalon總線支持傳輸數(shù)據(jù)寬度的差異，因此只用16位色，即RGB為565的模式。由于DE2-70有2個(gè)32 MB的SDRAM，所以拿使用其中一塊作為數(shù)據(jù)的存儲器，NiosⅡ處理器將圖像數(shù)據(jù)寫入該SDRAM中，在NiosⅡIDE中用軟件控制緩沖器的開啟，當(dāng)開啟緩沖器之后，該BUFFER會源源不斷地讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)，為避免讀數(shù)據(jù)和NiosⅡ處理器向其中寫入數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生沖突，Avalon總線自動在二者之間加入了一個(gè)Arbitrator仲裁模塊來決定執(zhí)行哪個(gè)操作。

配置LCD采用3線串行總線配置LCD，緩沖器以Avalon存儲器映像主機(jī)的方式從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)，然后以Avalon Streaming Source的方式把這些數(shù)據(jù)傳送到LCD控制器上，LCD控制器是以Avalon Streaming Sink[2-5]的方式接收從緩沖器傳來的數(shù)據(jù)，LCD控制器生成時(shí)序，在適當(dāng)時(shí)候?qū)?shù)據(jù)送出到TFT LCD屏上顯示。

2.2 移植過程

2.2.1 μC/GUI的文件組織結(jié)構(gòu)

μC/GUI是以 ANSI C源碼包的形式提供的。源碼包由配置文件目錄（Config）和庫函數(shù)目錄（GUI）2個(gè)文件目錄組成。在Config目錄中包含了LCDConf.h、GUITouchConf.h、GUIConf.h 3個(gè)配置文件，這3個(gè)文件分別用于LCD底層接口的配置、觸摸屏底層接口的配置以及μC/GUI自身的配置。在GUI目錄中的庫函數(shù)文件按照不同功能又分成若干子目錄如圖3所示，各子目錄所實(shí)現(xiàn)的功能如表2所示。

表2 各目錄文件所實(shí)現(xiàn)的功能Tab.2 Functions achieved by catalog files

2.2.2 移植過程

首先建立一個(gè)硬件系統(tǒng)，采用Altera公司的QuartusⅡ9.0版本[6]的配套軟件，硬件系統(tǒng)在QuartusⅡ集成的SOPC Builder系統(tǒng)開發(fā)工具中建立，添加NiosⅡ處理、JTAG調(diào)試模塊、添加定時(shí)器SDRAM控制器、BUFFER IP、TFT LCD IP以及其他部分組件，最后生成一個(gè)硬件系統(tǒng)。然后在NiosⅡIDE環(huán)境下針對該系統(tǒng)建立一個(gè)TFT LCD軟件工程，并且將μC/GUI有關(guān)的源代碼拷貝到工程目錄下，修改LCDConf.h、GUIConf.h、LCDLin32.c以及 GUI_X_uCOS.c文件，使之與LCD控制相匹配，在該系統(tǒng)中，LCD采用16位數(shù)據(jù)總線，而CPU是32位的NiosⅡ軟核處理器，先查看一下μC/GUI所支持的數(shù)據(jù)寬度信息，其數(shù)據(jù)寬度和NiosⅡ處理器所支持的寬度基本吻合，只要在改動代碼時(shí)注意就可以。以下是具體的代碼實(shí)現(xiàn)情況：

因?yàn)檫@里是基于TFT LCD IP核的移植，所以要定義LCD 的讀寫函數(shù)，即 LCD_READ_MEM（Off）和 LCD_WRITE_MEM（Off，data）以及顯示緩存區(qū)的起始位置，讀寫函數(shù)中的Off和data都是32位的無符號數(shù)，而操作函數(shù)IORD_32DIRECT（）以及 IOWR_32DIRECT（）都是一次執(zhí)行 32位數(shù)的操作，剛好和NiosⅡ處理器的數(shù)據(jù)寬度相匹配。由于支持μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，所以要對GUI_X_uCOS.c文件進(jìn)行修改，增加系統(tǒng)延時(shí)函數(shù)OSTimeDly（1），使之能與μC/OSⅡ操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫銜接，以及3個(gè)子函數(shù)，void GUI_X_Log（const char*s）{GUI_USE_PARA （s）;}；void GUI_X_Warn（const char*s）{GUI_USE_PARA（s）;}；void GUI_X_ErrorOut（const char*s）{GUI_USE_PARA（s）;}；LCDLin32.c 是 對 應(yīng)3200型號控制器的驅(qū)動文件，由于在LCDConf.h中已經(jīng)對用到的參量進(jìn)行設(shè)置，所以無需修改，剩下的工作就是把不用的文件進(jìn)行剔除，以減少編譯時(shí)產(chǎn)生多余的代碼量。

3 移植驗(yàn)證

在NiosⅡIDE環(huán)境下修改配置文件以及驅(qū)動文件，然后編譯該系統(tǒng)，系統(tǒng)編譯成功，編譯成功之后還有MICRIUM公司的聯(lián)系方式，這個(gè)是提醒用戶該系列軟件如果要用于商業(yè)目的是需要買license的，用于研究目的是免費(fèi)的。

圖片驗(yàn)證是采用μC/GUI自帶的位圖轉(zhuǎn)換工具uC-GUIBitmapConvert.exe，該工具可以將.bmp格式圖片轉(zhuǎn)換成指定的C語言數(shù)組的形式保存，例如將蘭博基尼跑車標(biāo)志的圖片轉(zhuǎn)換成RGB565的格式進(jìn)行保存，加入工程，編譯工程，然后下載驗(yàn)證，如圖4所示。窗口管理組件驗(yàn)證采用代碼包中自帶的一個(gè)測試代碼，其效果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，移植是成功的。

4 結(jié) 論

本文介紹了μC/GUI界面系統(tǒng)，以及NiosⅡ嵌入式系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了移植的過程，以及最終實(shí)現(xiàn)移植。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在嵌入式系統(tǒng)中使用μC/GUI進(jìn)行人機(jī)界面的開發(fā)，不但移植簡單、使用靈活，而且功能強(qiáng)大，穩(wěn)定高效，大大降低了在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)圖形人機(jī)界面的復(fù)雜程度，而且μC/GUI還提供了幾個(gè)非常實(shí)用的工具軟件，其中包括一個(gè)仿真器，它使得在進(jìn)行移植工作的同時(shí)，就可以在仿真器上進(jìn)行軟件界面部分的程序編寫，加快了整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度。還有位圖轉(zhuǎn)換工具，可以輕松地將圖片轉(zhuǎn)換成C語言數(shù)組的形式保存，方便界面開發(fā)。μC/GUI還支持其他PS2鼠標(biāo)、PS2鍵盤、觸摸屏，包含豐富的繪圖庫、動畫顯示優(yōu)化、還可以自己加入中文字體，通過使用μC/GUI的各項(xiàng)功能，相信可以在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)出功能強(qiáng)大的人機(jī)界面，而且在嵌入式系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。

[1]Micrium Corporation.μC/GUI embedded graphical user interface.[EB/OL].（2009-08-16）[2010-03-16].http://micrium.com/page/products/rtos/gui.

[2]張磊，江海河，儲焰南.基于 μC/OS-Ⅱ的嵌入式GUI研究與應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008（17）：50-52.ZHANG Lei，JIANG Hai-he，CHU Yan-nan.Research and implementation of embedded GUI system based on μC/OSⅡ[J].Micro Computer Information，2008（17）:50-52.

[3]Altera Corporation.Avalon interface specifications datasheet.[EB/OL].（2009-04-01）[2010-03-16].http://www.altera.com/literature/manual/mnl_avalon_spec.pdf.

[4]王剛，張瀲.基于FPGA的SOPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與典型實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]趙威威，黃榮志.LCD控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（3-2）:294-295.ZHAO Wei-wei，HUANG Rong-zhi.The design and realization of LCD controller[J].Micro Computer Information，2007，23（3-2）:294-295.

[6]Altera Corporation.NiosⅡprocessor reference handbook datasheet[EB/OL].（2009-04-01）[2010-03-16].http://www.altera.com/literature/hb/nios2/n2cpu_nⅡ5v1.pdf.