基于ARM7支持觸摸屏和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

李廣榮 宗文波 韓建超 楊 丹 于海濱 劉锏澤

摘要：本文介紹了μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和μC/GUI在ARM7處理器上的移植方法，以及如何利用嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和管理各種任務(wù)。重點(diǎn)討論了μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植方法和μC/GUI的移植技術(shù)，并提供了一種簡(jiǎn)單有效的去除觸摸屏抖動(dòng)的方法;最后通過(guò)應(yīng)用實(shí)例對(duì)任務(wù)的劃分和界面的操作進(jìn)行了說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：觸摸屏;μC/GUI;μC/OS-II;ARM7

概述

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，支持圖形界面的觸摸操作和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到航空航天、軍事、消費(fèi)類電子、通訊設(shè)備等領(lǐng)域。mC/OS-II操作系統(tǒng)是一種占先式、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，由于其內(nèi)核可拆減、可剝離性，使得它在實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。它不僅減小了因?yàn)橄到y(tǒng)硬件設(shè)計(jì)缺陷帶來(lái)的不可靠因素，而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的控制實(shí)時(shí)性，從軟件方面進(jìn)一步增強(qiáng)了ARM控制系統(tǒng)的性能。另外，新版本的mC/OS-II已經(jīng)通過(guò)了FAA認(rèn)證，很適合應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的嵌入式工業(yè)控制領(lǐng)域，如目前應(yīng)用較廣泛的軍用戰(zhàn)斗機(jī)、攻擊機(jī)和火控系統(tǒng)等。

支持圖形界面操作(mC/GUI)是一種較為流行的人機(jī)交互系統(tǒng)，它能夠提供了友好的人機(jī)交互平臺(tái)，使得微處理器成為大多數(shù)人都能夠使用和接受的工具。與PC機(jī)不同，由于mC/OS-II基本為“黑盒”式操作系統(tǒng)，對(duì)人機(jī)界面的控制與開(kāi)發(fā)需比較復(fù)雜的編程技術(shù)和時(shí)序控制技術(shù)。ARM7嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)mC/GUI的要求更高，包括輕型、占用資源少、高性能、高可靠性及可配置等。因此，如何將ARM7、mC/GUI、mC/OS-II、觸摸屏驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，在ARM7上進(jìn)行運(yùn)行并完成用戶想實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，成為在嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

mC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)的移植

mC/OS-II作為操作系統(tǒng)的內(nèi)核，主要的任務(wù)就是完成多任務(wù)之間的調(diào)度和同步，協(xié)調(diào)各個(gè)硬件源不會(huì)沖突。與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比，它具有系統(tǒng)透明、可拆減、接口簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。下面就如何在S3C44B0進(jìn)行操作系統(tǒng)移植和修改作簡(jiǎn)要的描述：

(1)重新修改OS_CPU.H文件

a)定義數(shù)據(jù)類型：mC/OS-Ⅱ不使用C語(yǔ)言中的short、int、long等與處理器類型有關(guān)的數(shù)據(jù)類型，而代之以移植性強(qiáng)的數(shù)據(jù)類型，這樣既直觀又便于移植;

b)定義堆棧增長(zhǎng)類型和ARM運(yùn)行的模式：雖然ARM處理器對(duì)堆棧向上與向下的兩種增長(zhǎng)方式都予以支持，但由于編譯器ADS僅支持堆棧從上往下，并且必須是滿遞減堆棧，所以在文件中用來(lái)定義堆棧增長(zhǎng)方式的常量OS_STK_GROWTH 的值為1;

c)需對(duì)外部函數(shù)聲明：如在mC/OS-II.h頭文件中，有些要移植的函數(shù)已經(jīng)聲明，包括：OSTaskStkInit()、OSIntCtxSw(void)、OSStartHighRdy(void) 。

(2)修改OS_CPU_C.C文件

a)任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit()：在編寫(xiě)任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit()之前，必須先根據(jù)處理器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)確定任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu);

b)鉤子函數(shù)：mC/OS-II為了用戶在系統(tǒng)函數(shù)中書(shū)寫(xiě)自己的代碼而預(yù)置了一些鉤子函數(shù)(如OSTimeTickHook)，這些函數(shù)在移植時(shí)可全為空函數(shù)，可根據(jù)用戶的需要添加。

(3)重點(diǎn)編寫(xiě)OS_CPU_A.S文件a)開(kāi)/關(guān)中斷函數(shù)：在ARM7處理器核中可利用改變程序狀態(tài)寄存器CPSR中的相應(yīng)控制位實(shí)現(xiàn);

b)OSStartHighRdy(void)：OSStart()函數(shù)調(diào)用OSStartHighRdy()來(lái)使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行;

c)OS_TASK_SW(void)：μC/OS-II通過(guò)調(diào)用OSSched()函數(shù)來(lái)完成任務(wù)調(diào)度的，OSSched()先將最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的地址裝載到OSTCBHighRdy，再通過(guò)調(diào)用OS_TASK_SW()執(zhí)行任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換，OS_TASK_SW主要完成保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，完成用于的任務(wù)，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng);

d)OSIntCtxSw(void)：OSIntExit()通過(guò)調(diào)用OSIntCtxSw()，在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行任務(wù)切換功能。

e)時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)：在本移植中，只使用了ARM的IRQ中斷。由于不同的ARM芯片的中斷系統(tǒng)并不完全一樣，因此不可能編寫(xiě)出對(duì)所有使用ARM核的處理器通用的中斷及節(jié)拍移植代碼，但是這是后續(xù)任務(wù)管理中重點(diǎn)需要操作系統(tǒng)進(jìn)行處理的，OSTickISR的實(shí)現(xiàn)代碼見(jiàn)程序清單。

程序清單 OSTickISR()

OSTickISR

STMFD SP!, {R0-R3,R12,LR}

BL OSIntEnter

BL user_function ;調(diào)用用戶

處理的中斷處理程序

BL OSIntExit

LDMFD SP!,{R0-R3,R12,LR} S3C44B0觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序編制

本文采用固定參考電壓模式，在驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要關(guān)注時(shí)鐘端、輸入端和輸出端的時(shí)序特性。首先檢測(cè)PENIRQ是否為低電平，只有觸摸屏有接觸時(shí)此位才會(huì)為低電平。利用軟件模擬DIN、DOUT和DCLK上的三線串行傳輸時(shí)序，將讀取的X或Y坐標(biāo)數(shù)值的控制字串行送人ADS7843，然后再?gòu)膶?duì)應(yīng)的函數(shù)讀出該坐標(biāo)值，獲取坐標(biāo)值的源程序如下：

int TOUCH_X_MeasureX(void)

{

X=ReadTouchXY(CHX);

return X;

}

int TOUCH_X_MeasureY(void)

{

Y=ReadTouchXY(CHY);

return Y;

}

其中，ReadTouchXY()函數(shù)通過(guò)TOUCH_X_MeasureX(void)、TOUCH_X_MeasureY(void)讀取對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的X、Y軸的電壓值，并送入主控程序進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，得出當(dāng)前觸摸屏按壓的位置。

int ReadTouchXY(unsigned char

command)

{

//根據(jù)command參數(shù)，進(jìn)行X、Y向觸摸點(diǎn)選擇、去抖、位置的計(jì)算等

return ack;//返回觸摸屏對(duì)應(yīng)位

置值;

}

mC/GUI及與操作系統(tǒng)的接口

mC/GUI是運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上的程序，它既需要與操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)，又需要與各種輸入/輸出設(shè)備協(xié)調(diào)，即通過(guò)輸入設(shè)備接收用戶請(qǐng)求，通過(guò)輸出設(shè)備發(fā)送微處理器的處理結(jié)果。因此，mC/GUI的接口主要包括兩個(gè)：與操作系統(tǒng)的接口和與輸入/輸出設(shè)備的接口，這也正是在移植mC/GUI的過(guò)程中所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。mC/GUI與mC/OS-II結(jié)合應(yīng)用時(shí)通過(guò)上鎖和解鎖來(lái)解決資源互斥的問(wèn)題，其過(guò)程是通過(guò)在關(guān)鍵區(qū)域入口設(shè)置GUI_X_Lock()以獲得專一訪問(wèn)權(quán)，用完后在出口處設(shè)置GUI_X_Unlock()讓出資源，達(dá)到多個(gè)GUI任務(wù)對(duì)同一數(shù)據(jù)在關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)訪問(wèn)的互斥。

在mC/GUI移植到mC/OS-II的過(guò)程中，需要利用操作系統(tǒng)的資源來(lái)實(shí)現(xiàn)GUI所需要的功能，即利用μC/OSII提供的時(shí)間管理、任務(wù)管理和資源共享機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)μC/GUI中相應(yīng)的功能，具體要實(shí)現(xiàn)以下函數(shù)的重新定義：

(1)時(shí)間函數(shù)

GUI_X_Delay() //延遲指定的時(shí)間段后返回

GUI_X_ExecIdle() //視窗管理器的非堵塞函數(shù)調(diào)用

GUI_X_GetTime() //返回當(dāng)前

系統(tǒng)的時(shí)間，以毫秒為單位

(2)內(nèi)核接口函數(shù)

GUI_X_InitOS() //初始化內(nèi)核

接口模塊

GUI_X_GetTaskID() //返回一個(gè)

當(dāng)前任務(wù)/線程唯一的32位標(biāo)識(shí)符

GUI_X_Lock() //給GUI上鎖

GUI_X_UnLock() //解鎖GUI

GUI_X_Log() //返回調(diào)試信息

(3)LCD底層驅(qū)動(dòng)程序要使mC/GUI能夠在目標(biāo)系統(tǒng)上運(yùn)行，首先要對(duì)mC/GUI進(jìn)行配置和修改，也就是移植。移植工作主要是指對(duì)配置頭文件中的宏定義根據(jù)具體情況進(jìn)行修改，包括LCD宏和LCD控制器宏。使用mC/GUI庫(kù)函數(shù)時(shí)，必須在主函數(shù)前調(diào)用頭文件“gui.h”，并根據(jù)需要做適當(dāng)?shù)男薷?。值得注意的是，在此文件的預(yù)定義語(yǔ)句中，必須將GUI_SUPPORT_TOUCH設(shè)為1。如果需要在屏幕上顯示中文，除了添加中文字庫(kù)到工程中外，還需要將GULDEFAULT_FONT設(shè)為&GULFontHZ12，HZ12代表使用的中文字體。如果需要在mC/GUI的控件中使用中文，也需要在控件的預(yù)定義語(yǔ)句中作相應(yīng)的修改。由于ARM7芯片S3C44B0X內(nèi)部集成了LCD控制器，LCD底層驅(qū)動(dòng)程序主要是設(shè)計(jì)與LCD屏相關(guān)的參數(shù)以及其特殊的控制寄存器，主要包括以下的參數(shù)和寄存器：

#de ne SCR_XSIZE (640)

//LCD水平尺寸

#de ne SCR_YSIZE (240)

//LCD垂直尺寸

#de ne LCD_XSIZE (640)

//LCD水平分辨率

#de ne LCD_YSIZE (240)

//LCD垂直分辨率

#define ARRAY_SIZE_COLOR (SCR_XSIZE/1*SCR_YSIZE)

//LCD水平與垂直比例

#define HOZVAL_COLOR (LCD_XSIZE*3/8-1)

//LCD水平字節(jié)尺寸

#de ne SCR_XSIZE (640)

//LCD水平尺寸

#de ne SCR_XSIZE (640)

//LCD水平尺寸寄存器的定義根據(jù)不同的微處理器和LCD顏色、尺寸等來(lái)定義，這里以S3C44B0X說(shuō)明：

rLCDCON1=(0)|(2<<5)|(MVAL_USED<<7)|(0x3<<8)|(0x3<<10)|(CLKVAL_COLOR<<12);

rLCDCON2=(LINEVAL)

|(HOZVAL_COLOR<<10)|(10<<21);

rLCDSADDR1= (0x3<<27)|(((U32)frameBuffer>>22)<<21)|M5D((U32)frameBu er>>1);

rLCDSADDR3= (LCD_XSIZE/2)|(((SCR_XSIZE-LCD_XSIZE)/2)<<9);

嵌入式操作系統(tǒng)下應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)

在嵌入式操作系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)基于ARM7的應(yīng)用程序主要是進(jìn)行任務(wù)的劃分，根據(jù)每個(gè)任務(wù)的緊急程度建立不同優(yōu)先級(jí)，下面就任務(wù)劃分的原則和實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明：

任務(wù)劃分原則

將一個(gè)軟件系統(tǒng)分解成并行任務(wù)時(shí)，主要考慮系統(tǒng)內(nèi)功能的異步性。通過(guò)分析數(shù)據(jù)流圖中的變換，確定哪些變換是并行的，哪些變換本質(zhì)上是順序執(zhí)行的。通過(guò)這種方法，一個(gè)變換對(duì)應(yīng)一個(gè)任務(wù)，或一個(gè)變換包括幾個(gè)任務(wù)，同時(shí)應(yīng)遵循如下原則：

● I/O依賴性：由于I/O速度的限制，對(duì)它操作的程序應(yīng)獨(dú)立為一個(gè)任務(wù);

● 時(shí)間關(guān)鍵性：將有時(shí)間關(guān)鍵性的功能分離出來(lái)，組成獨(dú)立的任務(wù)，賦予高優(yōu)先級(jí);

● 計(jì)算功能：計(jì)算功能要占用較多CPU時(shí)間間，應(yīng)賦予他們較低的優(yōu)先級(jí);

● 功能內(nèi)聚：將緊密相關(guān)的功能組成一個(gè)任務(wù)，使各種功能共享資源或相同事件的驅(qū)動(dòng);

● 時(shí)間內(nèi)聚：將在同一時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)，即使功能不相關(guān)，組成一個(gè)獨(dú)立的任務(wù);

● 周期執(zhí)行功能：相同周期內(nèi)執(zhí)行的各功能組成一個(gè)任務(wù)，頻率高的賦予高優(yōu)先級(jí)。

應(yīng)用實(shí)例

本文以實(shí)際項(xiàng)目為例進(jìn)行分析，在本項(xiàng)目中觸摸屏作為輸入設(shè)備、系統(tǒng)檢測(cè)輸出窗口，通過(guò)控制器嵌入mC/OS-II操作系統(tǒng)和mC/GUI配合使用實(shí)現(xiàn)完成相應(yīng)按鈕指令的功能，并在后臺(tái)的特定任務(wù)中完成各種中斷、計(jì)算、通訊等功能。因此進(jìn)行了如表1所列的任務(wù)劃分和定義。

觸摸屏的應(yīng)用程序可以根據(jù)觸摸屏的實(shí)際使用情況來(lái)編寫(xiě)，但在編寫(xiě)時(shí)應(yīng)該注意模塊化的編程思想，以便它能作為一種輸入平臺(tái)簡(jiǎn)便的移植到相關(guān)的應(yīng)用中。本文編寫(xiě)了一個(gè)泵的控制系統(tǒng)作為觸摸屏應(yīng)用設(shè)計(jì)的實(shí)例。利用圖形軟件mC/GUI編寫(xiě)的控制系統(tǒng)操作界面如圖1所示，當(dāng)用觸摸筆或者手指直接點(diǎn)擊圖中可編輯的按鈕控件(如最高壓力、設(shè)定流量和設(shè)定時(shí)間)，彈出參數(shù)輸入對(duì)話框，如圖2所示。mC/GUI的設(shè)計(jì)具有模塊化的特點(diǎn)，在不同的模塊中包含了不同的層，比如LCD驅(qū)動(dòng)包含了所有與LCD的接口。同樣，mC/GUI也提供了通用觸摸屏的應(yīng)用程序接口(API)，應(yīng)用程序可以通過(guò)將它的函數(shù)庫(kù)添加到工程中來(lái)方便的使用。

結(jié)語(yǔ)

在mC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和ARM平臺(tái)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域熱點(diǎn)，可以大大地降低軟件程序編寫(xiě)的時(shí)間和任務(wù)難度，提高了各模塊的獨(dú)立性，縮短開(kāi)發(fā)周期，并且系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性、可移植性和可維護(hù)性。本文以實(shí)際的項(xiàng)目為應(yīng)用背景，開(kāi)發(fā)的基于ARM7支持觸摸屏(mC/GUI)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(mC/OS-II)具有良好的人機(jī)交互界面，完善的驅(qū)動(dòng)、控制、顯示、檢測(cè)和計(jì)算功能，支持單機(jī)和網(wǎng)絡(luò)控制運(yùn)行。