基于嵌入式輕量級(jí)GUI設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) GUI設(shè)計(jì)原理

1引言

大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)，僅提供幾個(gè)按鍵和像素點(diǎn)較少的LCD，同時(shí)處理器運(yùn)算能力有限(如8/16位單片機(jī))，不宜運(yùn)行商用的GUI圖形庫(kù)(如uC/GUI、miniGUI、QT等)，但仍然得為用戶提供GUI功能。一個(gè)具有代表的硬件平臺(tái)如下，提供6個(gè)輸入按鍵：上移、下移、左移、右移、確定和取消;有一LCD，不限制物理尺寸與像素點(diǎn)數(shù)。本文描述一種基于上述硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的GUI設(shè)計(jì)原理，它提供窗口系統(tǒng)因此具備較好地顯示效果。

2硬件設(shè)計(jì)

一般LCD顯示模塊包括三部分：控制器、驅(qū)動(dòng)器和液晶顯示屏，同時(shí)提供外部引腳供嵌入式處理器連接。以TRULY公司LCD顯示模塊MST-G320240DBSW-75W-E為例，它的控制器為RA8835，模塊的引腳定義如下表1。[1]

表1 LCD引腳示例

硬件設(shè)計(jì)需要將LCD模塊引腳正確連接到處理器控制引腳上。對(duì)于大部分單片機(jī)來(lái)說(shuō)，將LCD模塊引腳連接到普通I/O口是比較好的選擇，如圖1顯示了AT89S52微處理器連接20引腳的LCD模塊的原理圖。

圖1 MCU的I/O連接LCD模塊

另一種高級(jí)接線方式是將它連接到Asynchronous Memory接口(如果處理器具備)，這樣一來(lái)操作LCD就像訪問(wèn)普通的存儲(chǔ)器(如FLASH)一樣，極大提供便利性，如圖2所示。

圖2 ASYNC MEMORY連接LCD模塊

3 LCD驅(qū)動(dòng)

LCD控制器是LCD模塊的核心，驅(qū)動(dòng)一個(gè)LCD模塊本質(zhì)就是對(duì)LCD控制器寫(xiě)一系列指令的過(guò)程。[2]

圖3總線時(shí)序

圖3是LCD控制器RA8835的總線時(shí)序。對(duì)于普通I/O口連接LCD的方式，驅(qū)動(dòng)程序需要對(duì)相應(yīng)引腳按順序產(chǎn)生高低電平，如下代碼所示：(省略對(duì)引腳宏定義的語(yǔ)句)

void lcd_cmdwrite(unsigned char cmd)

{

LCD_CS = 0; /* Enable access LCD */

LCD_CD = 1; /* 0=Data; 1=Command */

LCD_WR = 0; /* Enable write */

LCD_RD = 1; /* Insure read signal is invalid */

LCM_DATA = cmd; /* Put command value into port */

LCD_WR = 1; /* Disable Write */

LCD_CS = 1; /* Disable access LCD */

}

如果嵌入式處理器的Asynchronous Memory接口連接到LCD總線，需要設(shè)置該接口的延時(shí)時(shí)間，以便于符合圖3中LCD的總線時(shí)序，然后驅(qū)動(dòng)將會(huì)簡(jiǎn)化成寫(xiě)外設(shè)內(nèi)存。針對(duì)圖2中接線，寫(xiě)LCD命令寄存器的驅(qū)動(dòng)代碼如下：

#define LCD_START_ADDR 0x20100000 /* BANK1 */

#define LCD_DATA_ADDR (LCD_START_ADDR) /* Data */

#define LCD_REG_ADDR (LCD_START_ADDR+2) /* CMD */

#define p_wLcdDataAddr ((REG16*)LCD_DATA_ADDR)

#define p_wLcdRegAddr ((REG16*)LCD_REG_ADDR)

#define WR_LCD_REG(wRegVal) *p_wLcdRegAddr = wRegVal;

LCD控制器指令一般組織成寄存器格式：寄存器名+數(shù)值。仍以上例為參考，控制器RA8835設(shè)置光標(biāo)地址的指令為：寄存器名(CSRW)0x46，數(shù)值為2個(gè)字節(jié)(光標(biāo)位置)。其中寄存器名寫(xiě)入指令輸入緩沖器內(nèi)(即A0=1)，數(shù)值寫(xiě)入數(shù)據(jù)輸入緩沖器內(nèi)(即A0=0)。

在一個(gè)LCD上繪制任何圖形或文件的基礎(chǔ)是繪制像素點(diǎn)，因此首先需要實(shí)現(xiàn)的功能是操作像素點(diǎn)。操作一個(gè)像素點(diǎn)的接口是：X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和動(dòng)作(點(diǎn)亮或擦除)，算法如下：

1. 根據(jù)X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)組合成LCD光標(biāo)值并寫(xiě)入LCD控制器;

2. 從LCD控制器中讀取當(dāng)前光標(biāo)下RAM數(shù)值;

3. 根據(jù)動(dòng)作(點(diǎn)亮或擦除)修改RAM數(shù)值對(duì)應(yīng)像素BIT值;

4. 再次將光標(biāo)值寫(xiě)入LCD控制器(讀RAM導(dǎo)致該光標(biāo)已移動(dòng));

5. 將修改后數(shù)值寫(xiě)入LCD控制器的RAM區(qū)。

一旦完成像素操作就可以施展一些高級(jí)繪制動(dòng)作：文字、圖片、幾何圖形等。

4 GUI軟件框架

圖4顯示了本GUI設(shè)計(jì)的軟件層次，引入分層會(huì)帶來(lái)很多好處：[3]

降低復(fù)雜度每一層只專注自己需要實(shí)現(xiàn)的功能，實(shí)現(xiàn)高內(nèi)聚;

提高可移植性不管更換處理器還是LCD只需要修改底層部分;

改善性能使用高效算法來(lái)優(yōu)化性能只需要修改一處。

圖4 GUI軟件層次

對(duì)于輕量級(jí)嵌入式GUI來(lái)說(shuō)，窗口是十分重要的圖形載體，嵌入式GUI一般一個(gè)屏幕僅容納一個(gè)窗口，當(dāng)前正在顯示的窗口即為活躍窗口，其它均為睡眠窗口。因此窗口有2種狀態(tài)：

活躍期：處理消息，響應(yīng)動(dòng)作，如獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并刷新屏幕等;

睡眠期：不響應(yīng)外部消息，釋放資源，如硬件和軟件實(shí)體等;

從邏輯上把窗口系統(tǒng)分成2層：窗口服務(wù)器和客戶端，如圖5所示。外部消息(用戶按鍵、數(shù)據(jù)更新等)首先傳遞給窗口服務(wù)器，然后服務(wù)器把消息傳發(fā)給當(dāng)前活躍窗口，活躍窗口根據(jù)消息類別進(jìn)行相應(yīng)處理;另外，活躍窗口也可以向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，如切換窗口等。

圖5窗口服務(wù)器與客戶端

在GUI設(shè)計(jì)中消息是各種對(duì)象通信的重要機(jī)制，窗口之間通信的種類繁多，如果對(duì)消息進(jìn)行編碼呢?圖6顯示了一種參考方式。消息本質(zhì)上就是一個(gè)32位整數(shù)，其實(shí)很多RTOS消息傳遞也是這個(gè)類型。取低8位為事件編碼，高24位為類型編碼。[4]

任一類型最大支持256個(gè)事件，類型編碼僅能一位為1，否則將引起事件判斷錯(cuò)誤。當(dāng)編碼正確時(shí)，類型一定是2的整冪次，因此可以使用檢查整冪次方的算法來(lái)檢測(cè)消息正確性。

設(shè)uMsg是消息數(shù)值，則有：

uTemp = uMsg & 0xFFFFFF00UL; /*取類型編碼值*/

if (0 == (uTemp & (uTemp - 1)))編碼正確

else 編碼錯(cuò)誤

圖6消息編碼

5窗口系統(tǒng)與交互

用面向?qū)ο蟮姆绞絹?lái)設(shè)計(jì)窗口如圖7所示，每個(gè)窗口都有自己的ID，同時(shí)有其周?chē)従哟翱诘腎D值用于窗口切換;私有數(shù)據(jù)空間用于窗口的個(gè)性化定值。窗口對(duì)象包含3個(gè)方法：Init()用于繪制窗口和初始化窗口資源;ProcMsg()處理所有傳遞到本窗口的消息;Close()關(guān)閉窗口同時(shí)釋放資源。

圖7窗口對(duì)象設(shè)計(jì)

把多個(gè)窗口的指針組織成數(shù)組就形成了圖8所示的窗口對(duì)象群，這樣一來(lái)方便窗口的尋址。

圖8窗口對(duì)象群

圖9顯示了窗口與鄰居窗口的關(guān)系，如果當(dāng)前活躍窗口為11，響應(yīng)用戶按鍵上/下/左/右來(lái)切換窗口時(shí)，可以直接取對(duì)應(yīng)鄰居窗口的ID，這樣操作帶來(lái)極大的便捷性。

圖9窗口與鄰居窗口尋址

6 狀態(tài)欄實(shí)現(xiàn)

狀態(tài)欄一般位于窗口的最底部，它的典型結(jié)構(gòu)如圖10所示。它一般提供如下方法：

Init()：初始化狀態(tài)欄對(duì)象;

Visible()：顯示狀態(tài)欄對(duì)象，實(shí)時(shí)響應(yīng)外部消息;

Invisible()：不再顯示狀態(tài)欄對(duì)象，忽略外部消息;

ChangeLinkStat()：更新聯(lián)機(jī)/脫機(jī)狀態(tài);

UpdateDate()：更新當(dāng)前日期

UpdateTIme()：更新當(dāng)前時(shí)間

私有顯示空間是提供給窗口進(jìn)行個(gè)性化定制，它的原則是：無(wú)論哪個(gè)窗口使用，都是“誰(shuí)分配，誰(shuí)回收”，即當(dāng)該窗口關(guān)閉時(shí)需要清除它在私有顯示空間的所有顯示內(nèi)容。

圖10 狀態(tài)欄

7 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的輕量級(jí)嵌入式GUI已經(jīng)在某工業(yè)控制產(chǎn)品中穩(wěn)定使用多年，該產(chǎn)品選用TRULY公司320x240像素的LCD。采用分層與面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)，使軟件系統(tǒng)容易移植和開(kāi)發(fā);簡(jiǎn)單化的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)異常穩(wěn)定;另外占用資源很少，這是商業(yè)GUI無(wú)法比擬的。在此基礎(chǔ)上還能擴(kuò)展更高級(jí)的圖形控件功能，可以參見(jiàn)姊妹篇《輕量級(jí)嵌入式GUI高級(jí)功能實(shí)現(xiàn)》。