基于嵌入式轻量级GUI设计实现 GUI设计原理

　　1引言

　　大多数嵌入式系统，仅提供几个按键和像素点较少的LCD，同时处理器运算能力有限(如8/16位单片机)，不宜运行商用的GUI图形库(如uC/GUI、miniGUI、QT等)，但仍然得为用户提供GUI功能。一个具有代表的硬件平台如下，提供6个输入按键：上移、下移、左移、右移、确定和取消;有一LCD，不限制物理尺寸与像素点数。本文描述一种基于上述硬件平台的实现简单的GUI设计原理，它提供窗口系统因此具备较好地显示效果。

　　2硬件设计

　　一般LCD显示模块包括三部分：控制器、驱动器和液晶显示屏，同时提供外部引脚供嵌入式处理器连接。以TRULY公司LCD显示模块MST-G320240DBSW-75W-E为例，它的控制器为RA8835，模块的引脚定义如下表1。[1]

　　表1 LCD引脚示例

　　硬件设计需要将LCD模块引脚正确连接到处理器控制引脚上。对于大部分单片机来说，将LCD模块引脚连接到普通I/O口是比较好的选择，如图1显示了AT89S52微处理器连接20引脚的LCD模块的原理图。

　　图1 MCU的I/O连接LCD模块

　　另一种高级接线方式是将它连接到Asynchronous Memory接口(如果处理器具备)，这样一来操作LCD就像访问普通的存储器(如FLASH)一样，极大提供便利性，如图2所示。

　　图2 ASYNC MEMORY连接LCD模块

　　3 LCD驱动

　　LCD控制器是LCD模块的核心，驱动一个LCD模块本质就是对LCD控制器写一系列指令的过程。[2]

　　图3总线时序

　　图3是LCD控制器RA8835的总线时序。对于普通I/O口连接LCD的方式，驱动程序需要对相应引脚按顺序产生高低电平，如下代码所示：(省略对引脚宏定义的语句)

　　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 */

　　}

　　如果嵌入式处理器的Asynchronous Memory接口连接到LCD总线，需要设置该接口的延时时间，以便于符合图3中LCD的总线时序，然后驱动将会简化成写外设内存。针对图2中接线，写LCD命令寄存器的驱动代码如下：

　　#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控制器指令一般组织成寄存器格式：寄存器名+数值。仍以上例为参考，控制器RA8835设置光标地址的指令为：寄存器名(CSRW)0x46，数值为2个字节(光标位置)。其中寄存器名写入指令输入缓冲器内(即A0=1)，数值写入数据输入缓冲器内(即A0=0)。

　　在一个LCD上绘制任何图形或文件的基础是绘制像素点，因此首先需要实现的功能是操作像素点。操作一个像素点的接口是：X坐标、Y坐标和动作(点亮或擦除)，算法如下：

　　1. 根据X坐标和Y坐标组合成LCD光标值并写入LCD控制器;

　　2. 从LCD控制器中读取当前光标下RAM数值;

　　3. 根据动作(点亮或擦除)修改RAM数值对应像素BIT值;

　　4. 再次将光标值写入LCD控制器(读RAM导致该光标已移动);

　　5. 将修改后数值写入LCD控制器的RAM区。

　　一旦完成像素操作就可以施展一些高级绘制动作：文字、图片、几何图形等。

　　4 GUI软件框架

　　图4显示了本GUI设计的软件层次，引入分层会带来很多好处：[3]

　　降低复杂度每一层只专注自己需要实现的功能，实现高内聚;

　　提高可移植性不管更换处理器还是LCD只需要修改底层部分;

　　改善性能使用高效算法来优化性能只需要修改一处。

　　图4 GUI软件层次

　　对于轻量级嵌入式GUI来说，窗口是十分重要的图形载体，嵌入式GUI一般一个屏幕仅容纳一个窗口，当前正在显示的窗口即为活跃窗口，其它均为睡眠窗口。因此窗口有2种状态：

　　活跃期：处理消息，响应动作，如获取实时数据并刷新屏幕等;

　　睡眠期：不响应外部消息，释放资源，如硬件和软件实体等;

　　从逻辑上把窗口系统分成2层：窗口服务器和客户端，如图5所示。外部消息(用户按键、数据更新等)首先传递给窗口服务器，然后服务器把消息传发给当前活跃窗口，活跃窗口根据消息类别进行相应处理;另外，活跃窗口也可以向服务器发出请求，如切换窗口等。

　　图5窗口服务器与客户端

　　在GUI设计中消息是各种对象通信的重要机制，窗口之间通信的种类繁多，如果对消息进行编码呢?图6显示了一种参考方式。消息本质上就是一个32位整数，其实很多RTOS消息传递也是这个类型。取低8位为事件编码，高24位为类型编码。[4]

　　任一类型最大支持256个事件，类型编码仅能一位为1，否则将引起事件判断错误。当编码正确时，类型一定是2的整幂次，因此可以使用检查整幂次方的算法来检测消息正确性。

　　设uMsg是消息数值，则有：

　　uTemp = uMsg & 0xFFFFFF00UL; /*取类型编码值*/

　　if (0 == (uTemp & (uTemp - 1)))编码正确

　　else 编码错误

　　图6消息编码

　　5窗口系统与交互

　　用面向对象的方式来设计窗口如图7所示，每个窗口都有自己的ID，同时有其周围邻居窗口的ID值用于窗口切换;私有数据空间用于窗口的个性化定值。窗口对象包含3个方法：Init()用于绘制窗口和初始化窗口资源;ProcMsg()处理所有传递到本窗口的消息;Close()关闭窗口同时释放资源。

　　图7窗口对象设计

　　把多个窗口的指针组织成数组就形成了图8所示的窗口对象群，这样一来方便窗口的寻址。

　　图8窗口对象群

　　图9显示了窗口与邻居窗口的关系，如果当前活跃窗口为11，响应用户按键上/下/左/右来切换窗口时，可以直接取对应邻居窗口的ID，这样操作带来极大的便捷性。

　　图9窗口与邻居窗口寻址

　　6 状态栏实现

　　状态栏一般位于窗口的最底部，它的典型结构如图10所示。它一般提供如下方法：

　　Init()：初始化状态栏对象;

　　Visible()：显示状态栏对象，实时响应外部消息;

　　Invisible()：不再显示状态栏对象，忽略外部消息;

　　ChangeLinkStat()：更新联机/脱机状态;

　　UpdateDate()：更新当前日期

　　UpdateTIme()：更新当前时间

　　私有显示空间是提供给窗口进行个性化定制，它的原则是：无论哪个窗口使用，都是“谁分配，谁回收”，即当该窗口关闭时需要清除它在私有显示空间的所有显示内容。

　　图10 状态栏

　　7 结束语

　　本文设计的轻量级嵌入式GUI已经在某工业控制产品中稳定使用多年，该产品选用TRULY公司320x240像素的LCD。采用分层与面向对象的设计，使软件系统容易移植和开发;简单化的设计使系统异常稳定;另外占用资源很少，这是商业GUI无法比拟的。在此基础上还能扩展更高级的图形控件功能，可以参见姊妹篇《轻量级嵌入式GUI高级功能实现》。