基于嵌入式輕量級GUI設計實現(xiàn) GUI設計原理

1引言

大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)，僅提供幾個按鍵和像素點較少的LCD，同時處理器運算能力有限(如8/16位單片機)，不宜運行商用的GUI圖形庫(如uC/GUI、miniGUI、QT等)，但仍然得為用戶提供GUI功能。一個具有代表的硬件平臺如下，提供6個輸入按鍵：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數(shù)。本文描述一種基于上述硬件平臺的實現(xiàn)簡單的GUI設計原理，它提供窗口系統(tǒng)因此具備較好地顯示效果。

2硬件設計

一般LCD顯示模塊包括三部分：控制器、驅動器和液晶顯示屏，同時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

硬件設計需要將LCD模塊引腳正確連接到處理器控制引腳上。對于大部分單片機來說，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驅動

LCD控制器是LCD模塊的核心，驅動一個LCD模塊本質就是對LCD控制器寫一系列指令的過程。[2]

圖3總線時序

圖3是LCD控制器RA8835的總線時序。對于普通I/O口連接LCD的方式，驅動程序需要對相應引腳按順序產(chǎn)生高低電平，如下代碼所示：(省略對引腳宏定義的語句)

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，需要設置該接口的延時時間，以便于符合圖3中LCD的總線時序，然后驅動將會簡化成寫外設內存。針對圖2中接線，寫LCD命令寄存器的驅動代碼如下：

#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設置光標地址的指令為：寄存器名(CSRW)0x46，數(shù)值為2個字節(jié)(光標位置)。其中寄存器名寫入指令輸入緩沖器內(即A0=1)，數(shù)值寫入數(shù)據(jù)輸入緩沖器內(即A0=0)。

在一個LCD上繪制任何圖形或文件的基礎是繪制像素點，因此首先需要實現(xiàn)的功能是操作像素點。操作一個像素點的接口是：X坐標、Y坐標和動作(點亮或擦除)，算法如下：

1. 根據(jù)X坐標和Y坐標組合成LCD光標值并寫入LCD控制器;

2. 從LCD控制器中讀取當前光標下RAM數(shù)值;

3. 根據(jù)動作(點亮或擦除)修改RAM數(shù)值對應像素BIT值;

4. 再次將光標值寫入LCD控制器(讀RAM導致該光標已移動);

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繪制動作：文字、圖片、幾何圖形等。

4 GUI軟件框架

圖4顯示了本GUI設計的軟件層次，引入分層會帶來很多好處：[3]

降低復雜度每一層只專注自己需要實現(xiàn)的功能，實現(xiàn)高內聚;

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

對于輕量級嵌入式GUI來說，窗口是十分重要的圖形載體，嵌入式GUI一般一個屏幕僅容納一個窗口，當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，響應動作，如獲取實時數(shù)據(jù)并刷新屏幕等;

睡眠期：不響應外部消息，釋放資源，如硬件和軟件實體等;

從邏輯上把窗口系統(tǒng)分成2層：窗口服務器和客戶端，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器，然后服務器把消息傳發(fā)給當前活躍窗口，活躍窗口根據(jù)消息類別進行相應處理;另外，活躍窗口也可以向服務器發(fā)出請求，如切換窗口等。

圖5窗口服務器與客戶端

在GUI設計中消息是各種對象通信的重要機制，窗口之間通信的種類繁多，如果對消息進行編碼呢?圖6顯示了一種參考方式。消息本質上就是一個32位整數(shù)，其實很多RTOS消息傳遞也是這個類型。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個事件，類型編碼僅能一位為1，否則將引起事件判斷錯誤。當編碼正確時，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消息正確性。

設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 編碼錯誤

圖6消息編碼

5窗口系統(tǒng)與交互

用面向對象的方式來設計窗口如圖7所示，每個窗口都有自己的ID，同時有其周圍鄰居窗口的ID值用于窗口切換;私有數(shù)據(jù)空間用于窗口的個性化定值。窗口對象包含3個方法：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()關閉窗口同時釋放資源。

圖7窗口對象設計

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

圖8窗口對象群

圖9顯示了窗口與鄰居窗口的關系，如果當前活躍窗口為11，響應用戶按鍵上/下/左/右來切換窗口時，可以直接取對應鄰居窗口的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)欄實現(xiàn)

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

Init()：初始化狀態(tài)欄對象;

Visible()：顯示狀態(tài)欄對象，實時響應外部消息;

Invisible()：不再顯示狀態(tài)欄對象，忽略外部消息;

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

UpdateDate()：更新當前日期

UpdateTIme()：更新當前時間

私有顯示空間是提供給窗口進行個性化定制，它的原則是：無論哪個窗口使用，都是“誰分配，誰回收”，即當該窗口關閉時需要清除它在私有顯示空間的所有顯示內容。

圖10 狀態(tài)欄

7 結束語

本文設計的輕量級嵌入式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。采用分層與面向對象的設計，使軟件系統(tǒng)容易移植和開發(fā);簡單化的設計使系統(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。在此基礎上還能擴展更高級的圖形控件功能，可以參見姊妹篇《輕量級嵌入式GUI高級功能實現(xiàn)》。