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(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)來說，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)，這樣一來操作LCD就像訪問普通的存儲(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控制器寫一系列指令的過程。[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)化成寫外設(shè)內(nèi)存。針對(duì)圖2中接線，寫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)。其中寄存器名寫入指令輸入緩沖器內(nèi)(即A0=1)，數(shù)值寫入數(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來說，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蟮姆绞絹碓O(shè)計(jì)窗口如圖7所示，每個(gè)窗口都有自己的ID，同時(shí)有其周圍鄰居窗口的ID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：無論哪個(gè)窗口使用，都是“誰分配，誰回收”，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

　　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，可以參見姊妹篇《輕量級(jí)嵌入式GUI高級(jí)功能實(shí)現(xiàn)》。