基于STM32的μC／OS＿II與μC／GUI整合移植與顯示優(yōu)化

楊立身，張安偉，王 磊，劉 康

（河南理工大學 計算機科學與技術(shù)學院，河南 焦作 454000）

1 引 言

隨著計算機與電子信息技術(shù)的快速發(fā)展、嵌入式MCU的價格越來越低性能越來越強大，嵌入式系統(tǒng)應用與研究不斷深入，已遍及通訊、汽車電子、醫(yī)學、導航、工業(yè)控制等眾多領(lǐng)域。基于Cortex－M3內(nèi)核的STM32系列MCU作為其中的一個代表，以其低廉的價格、優(yōu)異的性能，在各個領(lǐng)域也得到了廣泛的應用［1］。同時，嵌入式產(chǎn)品向著智能化、集成化、人性化發(fā)展，圖形化界面的人機接口以及并發(fā)的多任務顯得越來越重要，嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS＿II及嵌入式圖形軟件μC／GUI以其占用資源少、高性能、高可靠性等優(yōu)點在嵌入式圖形開發(fā)中應用的也越來越多，液晶顯示系統(tǒng)作為嵌入式的主要直觀交互設(shè)備有著非常重要的作用。因此，通過移植整合μC／OS＿II與μC／GUI配合液晶顯示設(shè)備來進行多任務、可視化的軟件開發(fā)會在以后的開發(fā)過程中扮演著重要角色。

文章主要研究了μC／OS＿II與μC／GUI在ILI9320LCD、STM32F103X系列處理器基礎(chǔ)上的整合移植方法，同時針對μC／GUI對中文支持欠缺的不足增加了對中文的支持，并對μC／GUI的底層顯示接口函數(shù)進行了優(yōu)化，提升了性能。

2 μC／OS＿II、μC／GUI簡介

μC／OS＿II是一個完整的、可移植、裁剪的搶占式實時多任務內(nèi)核，并以其實時性強、高效而小巧等優(yōu)點得到了比較廣泛的應用［2－3］。其絕大部分代碼用C語言編寫而成，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良等特點，可以運行在目前絕大多數(shù)的微處理器上。μC／OS＿II提供了包含任務管理、時間管理、內(nèi)存管理、信號量管理等在內(nèi)的基本功能，具有很高的安全性與穩(wěn)定性，并且得到了FAA的認證，在世界范圍內(nèi)被廣泛使用。

μC／GUI是Micrium公司出品的一種專用于嵌入式應用的圖形支持軟件［4］，它能為任何使用一個圖形LCD提供一個不依賴于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口。μC／GU采用了模塊化設(shè)計，由在不同模塊中的不同層組成，適用于任何LCD控制器和CPU的任何尺寸的物理和虛擬顯示，它采用標準C代碼編寫，適用于任何CPU。μC／GUI具有適用于嵌入式系統(tǒng)的高性能、高可靠性、可移植、可配置等特點，可根據(jù)實際要求對μC／GUI進行組件裁剪，其最小系統(tǒng)只需要很小的內(nèi)存空間即可運行［5－6］。

3 系統(tǒng)環(huán)境

3.1 硬件環(huán)境

硬件平臺核心芯片選用STM32F10RBT6，該芯片集成20KSRAM、128KB FLASH、2個SPI接口、3個USART異步串行總線接口、2個12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器、通過內(nèi)置的向量中斷控制器NVIC，支持43個可屏蔽中斷請求，且具有很低的中斷延時［7－8］。

LCD模塊選用顯尚光電的DST2001PH TFT－LCD，控制IC型號為ILI9320，采用26萬色的TFT－LCD屏，分辨率為320×240，同時該模塊自帶4導線制XPT2046觸摸屏控制芯片，內(nèi)含12位分辨率125kHz轉(zhuǎn)換速率逐步逼近型AD轉(zhuǎn)換器［9－11］，支持觸摸操作。

3.2 軟件環(huán)境

軟件平臺采用 Keil uVision v4.10集成開發(fā)環(huán)境，提供了包含C編譯器、庫管理、和功能強大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，采用STM32 V3.5固件庫開發(fā)，避免了直接操作寄存器，便于學習與開發(fā)。μC／OS＿II選用的版本為μC／OS＿II V2.86，μC／GUI所選版本為μC／GUI V3.90。

4 μC／OS＿II移植

要使μC／OS＿II正常工作則處理器的C編譯器必須支持數(shù)據(jù)存儲硬件堆棧、能產(chǎn)生定時中斷為系統(tǒng)提供時鐘，并且處理器需包含從CPU寄存器存取數(shù)據(jù)的指令。由圖1μC／OS＿II組織結(jié)構(gòu)圖可知，移植所需修改的主要是與CPU相關(guān)的文件，主要有：os＿cpu＿a.asm、os＿cpu＿c.c等。

圖1 μC／OS＿II組織結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart ofμC／GUI

4.1 OS＿CPU＿A.ASM 文件

OS＿CPU＿A.ASM主要包含了任務切換、中斷斷點的保存、進出臨界區(qū)方法的實現(xiàn)等于CPU密切相關(guān)的程序，主要函數(shù)有：OSCtrSw（）、OSIntCtrSw（）、PendSV＿Handler（）、OS＿CPU＿SR＿Save（）、OS＿CPU＿SR＿Restore（）等。其中 OSC－trSw（）和OSIntCtrSw（）函數(shù)分別為任務級別任務切換函數(shù)和中斷級別任務切換函數(shù)，PendSV＿Handler（）為PendSV中斷服務程序，OS＿CPU＿SR＿Save（）和OS＿CPU＿SR＿Restore（）為用方法3進入臨界區(qū)的實現(xiàn)函數(shù)。以上函數(shù)需要用匯編語言實現(xiàn)，此部分是移植過程的重點和難點。需要注意的是，任務級任務切換和中斷級別任務切換實則都是通過觸發(fā)PendSV中斷來實現(xiàn)的，PendSV＿Handler（）函數(shù)部分代碼如下：

4.2 OS＿CPU＿C.C文件

OS＿CPU＿C.C文件在系統(tǒng)移植的時候需要寫10個函數(shù)，其中唯一必要的函數(shù)是OSTaskStkInit（），其他9個函數(shù)必須聲明，但并不一定要包含任務代碼。操作系統(tǒng)創(chuàng)建任務函數(shù)通過調(diào)用OSTaskStkInit（），初始化任務的棧結(jié)構(gòu)，使得堆?？雌饋砭拖裰袛鄤偘l(fā)生過一樣，所有寄存器都保存在堆棧中。OSTaskStkInit（）函數(shù)部分代碼如下：

4.3 μC／OS＿II時鐘

μC／OS＿II需要一個周期性的信號源自身提供所需時鐘。本文利用STM32F103RBT6自帶的Systick定時器為系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的周期為10ms的信號源，需要注意的是必須在多任務系統(tǒng)開啟以后再開啟時鐘節(jié)拍器。中斷服務函數(shù)Systick＿Handler代碼如下：

5 μC／GUI的移植

μC／GUI移植涉及3個模塊：μC／GUI配置模塊、μC／OS＿II配置模塊、LCD觸摸顯示模塊，如圖2所示。

圖2 μC／GUI體系結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Organization chart ofμC／GUI

5.1 μC／GUI配置模塊

此模塊修改主要涉及到GUIConf.h文件，該文件的功能主要為按照實際的實驗環(huán)境配置μC／GUI的相關(guān)支持功能。根據(jù)本實驗室要求，開啟多任務、觸摸、支持UNICODE碼、窗口支持、抗鋸齒等功能，其他功能可根據(jù)實際情況選擇開啟或關(guān)閉，相關(guān)代碼如下：

5.2 μC／GUI配置模塊

本文的 μC／GUI移植基于 μC／OS＿II，μC／OS＿II的移植第三部分已經(jīng)詳細介紹。在μC／OS＿II下使用μC／GUI的關(guān)鍵是需要內(nèi)核接口函數(shù)來實現(xiàn)多任務之間的同步，通過任務調(diào)度使任務之間能協(xié)調(diào)工作，修改主要集中在GUI＿X＿uCOS.c文件，需要對 GUI＿X＿Execldle、GUI＿X＿Lock、GUI＿X＿Unlock等系統(tǒng)級函數(shù)針對硬件和μC／OS＿II進行修改，并添加3個簡單的函數(shù)，部分函數(shù)代碼如下：

5.3 LCD觸摸顯示模塊

LCD觸摸顯示模塊的移植是整個μC／GUI移植中的難點，μC／GUI提供了一個現(xiàn)成的硬件接口通過調(diào)用底層的LCD驅(qū)動函數(shù)從而實現(xiàn)μC／GUI的圖像功能，同時也提供了觸摸驅(qū)動的硬件接口，此時需要針對實際的觸摸層實現(xiàn)進行相應的修改。

5.3.1 LCD驅(qū)動

LCD的顯示屏的顯示原理是逐行掃描的掃描方式［12－13］。使用 LCD之前，需要根據(jù)其控制IC的DataSheet對屏幕顯示方向、GRAM更新方向、色彩位數(shù)、行列GRAM地址位置設(shè)置等基礎(chǔ)設(shè)置進行初始化，并且需編寫讀寫寄存器函數(shù)、讀寫數(shù)據(jù)函數(shù)、設(shè)置坐標函數(shù)等重要函數(shù)。部分初始化函數(shù)與重要函數(shù)代碼如下：

5.3.2 μC／GUI硬件接口移植

μC／GUI在LCDDriver文件夾中提供了3種LCD 驅(qū) 動 模 板：LCDDummy.c 、LCDWin.c、LCDNull.c，可以任選其中一個與自己的LCD驅(qū)動進行鏈接，本文選擇了LCDDummy.c，涉及到需修改的文件主要有：LCDConf.h、LCDDummy.c。

該文件為μC／GUI的底層配置文件［14］，通過宏定義描述了LCD硬件特性，需根據(jù)所選用的LCD屏做相應修改，相關(guān)代碼如下：

μC／GUI是通過最基礎(chǔ)的畫點函數(shù)來實現(xiàn)畫線、畫圓、位圖等函數(shù)的，因此讀寫像素點函數(shù)是驅(qū)動程序最為重要的函數(shù)。μC／GUI里的讀寫像素點函數(shù)分別為LCDDummy.c文件中的LCD＿L0＿GetPixelIndex（）和LCD＿L0＿SetPixelIndex（）兩個函數(shù)，這兩個函數(shù)只是一個框架，μC／GUI在這兩個函數(shù)中為真正實現(xiàn)讀寫像素點的函數(shù)預留了空間，方便針對各類LCD的移植。本文真正實現(xiàn)讀寫像素點的是底層LCD驅(qū)動的LCD＿Read－Point（）函數(shù)和ili9320＿SetPoint（）函數(shù)，這兩個函數(shù)需要根據(jù)所選用的LCD屏編寫實現(xiàn)，部分代碼如下：

5.3.3 觸摸驅(qū)動

本文所選LCD屏內(nèi)含XPT2046觸控芯片，支持觸摸。觸摸模塊的修改主要集中在GUITouchConf.h、GUI＿X＿Touch.c文件中。

（1）GUITouchConf.h文件

需要對 GUI＿TOUCH＿AD＿LEFT、GUI＿TOUCH＿AD＿RIGHT、GUI＿TOUCH＿TOP、GUI＿TOUCH＿BOTTOM、GUI＿TOUCH＿SWAP＿XY幾個宏定義進行重新賦值，其中前四個宏定義分別表示觸摸屏幕四個邊緣所時得到的AD轉(zhuǎn)換值，需要注意的是這些值并非所對應的坐標值。屏幕的四個邊緣所對應的AD值需要單獨寫程序?qū)崿F(xiàn)，具體實現(xiàn)過程不再贅述，GUI＿TOUCH＿SWAP＿XY宏表示的是是否支持XY切換。本文的相關(guān)設(shè)置如下：

在μC／GUI中實現(xiàn)觸摸功能需要在該文件中實現(xiàn)最為重要的是兩個觸摸屏ADC采樣函數(shù)GUI＿TOUCH＿X＿MeasureX（）和 GUI＿TOUCH＿X＿MeasureY（），μC／GUI給出了這兩個函數(shù)的框架，具體內(nèi)容的實現(xiàn)需要自己調(diào)用底層的觸摸驅(qū)動。本文分別調(diào)用Read＿ADS2＿X（）和Read＿ADS2＿Y（）兩個獲取XY坐標AD采樣值的底層驅(qū)動函數(shù)來實現(xiàn)ADC采樣，這兩個函數(shù)的實現(xiàn)需要根據(jù)所選用的觸摸芯片來重新編寫，部分代碼如下：

6 顯示優(yōu)化與測試

6.1 μC／GUI中文優(yōu)化

6.1.1 μC／GUI字體類型

μC／GUI提供兩種類型的字體，等寬字體（Monospacde Font）和均衡字體（Proportional Font）。等寬字體的寬度和高度都是相同的，所有的點陣數(shù)據(jù)都存放在一個數(shù)組中。而對于均衡字體，由于每個字都有獨自的寬度和高度，則需要通過定義單獨的數(shù)組來實現(xiàn)每個字，對于既支持中文和英文的顯示，一般選用的是均衡字體。

老婆忙問：能看出來他氣管里長什么了嗎？段主任說：這哪看的出來？他這種情況，必須住院做個氣管鏡，取出一塊組織，再做個病理，才能知道是什么。一聽要做病理，老婆頓時蒙了，眼圈兒霎時紅潤。王姐忙替老婆問：他這病不重吧？

6.1.2 μC／GUI中文顯示實現(xiàn)

μC／GUI默認只支持英文顯示，不支持中文，通過增加漢字字庫，修改相應的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)漢字的顯示。對于等寬字體和均衡字體，兩種字體類型都通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)GUI＿FONT來記錄字體的屬性及相關(guān)的驅(qū)動函數(shù)等，GUI＿FONT結(jié)構(gòu)體定義了字體大小和GUI＿FONT＿PROP結(jié)構(gòu)體的入口地址。等寬字體對應的字模數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要是GUI＿FONT＿MONO，均衡字體相對應的結(jié)構(gòu)體為GUI＿FONT＿PROP，并且由于每個字都是單獨的數(shù)組來表示，所以還需要GUI＿CHARINFO來存儲相應的字符信息。GUI＿FONT＿PROP中包含了字母在字庫中的編碼、字母對應的GUI＿CHARINFO結(jié)構(gòu)體入口地址，同時pNext字段指針指向下一個GUI＿FONT＿PROP結(jié)構(gòu)體，這樣所有的結(jié)構(gòu)體就形成一個單項鏈表，很好的解決了字模數(shù)據(jù)連續(xù)存儲的問題，整體的字庫結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 字庫結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Organization chart of font library

由于傳統(tǒng)漢字字庫占用存儲空間太大，和單片機內(nèi)部寶貴的存儲空間矛盾，文章選擇了自定義字庫。自定義字庫選擇字母和工程中使用常用到的漢字，這就避免浪費過多的單片機內(nèi)部存儲空間。了解字體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識之后，就可以利用μC／GUI字庫生成器生成指定字體矢量中文的字庫文件了，同時需要在GUI.h文件中聲明所添加的字庫，即 extern GUI＿FLASH const GUI＿FONT GUI＿FontHZ＿hpu＿font，之后就可以調(diào)用μC／GUI顯示函數(shù)在液晶屏上顯示相應的字符了。

6.2 μC／GUI接口函數(shù)優(yōu)化

μC／GUI最為重要且基礎(chǔ)的功能就是畫線、畫圖、矩形填充，對應的函數(shù)分別為：LCD＿L0＿DrawLine函數(shù)、DrawBitLine16BPP函數(shù)和LCD＿L0＿FillRect函數(shù)，則對這些函數(shù)的優(yōu)化就顯得尤為重要。μC／GUI中這3個函數(shù)都是最終調(diào)用畫點函數(shù)來實現(xiàn)其功能，然后設(shè)置一個點坐標填充一個像素點，大量的系統(tǒng)時間浪費在設(shè)置坐標上。通常LCD都有自帶的GRAM，在進行像素填充的時候設(shè)置好繪圖區(qū)，地址指針就會自動增加，而不用填充一個像素點設(shè)置一個坐標，這樣就省去了每個像素都要設(shè)置坐標的時間。本文利用LCD屏地址指針自動增加的特點對以上幾個函數(shù)進行了改寫，并在畫豎線時動態(tài)調(diào)整R3寄存器的值，使得GRAM內(nèi)部地址自動增加的方向和畫線方向一致，從而大大提高了屏幕的刷新率。

6.3 性能測試及分析

圖4 實驗結(jié)果對比圖Fig.4 Figure of experimental results contrast

本文建立了4個任務用以測試μC／OS＿II與μC／GUI協(xié)同工作是否正常，同時檢測對中文的支持情況及優(yōu)化后性能是否提升。任務led1＿task和led2＿task為led燈任務，控制紅、藍led燈閃爍；touch＿task為觸摸任務，用以在LCD上顯示觸摸點的坐標并同時在觸摸位置上顯示鼠標箭頭；gui＿task為刷屏任務，用以顯示漢字并在屏幕上半部分以一定的時間間隔填充不同的顏色，用以測試LCD的像素填充率。由圖4的實驗結(jié)果對比圖可知，4個任務正常切換，說明μC／OS＿II和μC／GUI正常工作，同時像素填充率Piexls／sec提升了大約63%。

7 結(jié) 論

文章實現(xiàn)了在STM32F103VCT6上對μC／OS＿II和μC／GUI的整合移植并針對μC／GUI中文支持不足和屏幕刷新率過低的問題做出優(yōu)化，實驗結(jié)果表明μC／OS＿II與μC／GUI移植整合成功，兩者協(xié)同工作正常，中文顯示正常，同時像素填充率由之前的996080／s上升到優(yōu)化后的1629060／s，提升了大約63%，說明優(yōu)化帶來了性能的提升。通過將 μC／OS＿II、μC／GUI與STM32相結(jié)合，初步建立起一個支持多任務的嵌入式圖形應用開發(fā)平臺，使得基于STM32的嵌入式應用開發(fā)工作更為方便、快捷和直觀。

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