基于嵌入式Linux的圖形界面顯示系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：本文詳細(xì)描述了基于uClinux嵌入式操作系統(tǒng)的圖形界面顯示系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并對uClinux下Framebuffer驅(qū)動程序編寫進(jìn)行了專門探討。
關(guān)鍵詞：uClinux ，Microwindow，F(xiàn)ramebuffer 驅(qū)動程序

1前言
在嵌入式系統(tǒng)這個IT產(chǎn)業(yè)的新領(lǐng)域，Linux以其所具備的穩(wěn)定、高效、易定制、易裁減、硬件支持廣泛的特點，結(jié)合其免費、源碼開放的特征。使得Linux在嵌入式操作系統(tǒng)中的地位越來越重要。越來越多的嵌入式系統(tǒng)，包括 PDA、機(jī)頂盒、WAP 手機(jī)等等系統(tǒng)均要求提供全功能的 Web 瀏覽器。這包括 HTML 的支持、JavaScript 的支持，甚至包括 Java 虛擬機(jī)的支持。而這一切都要求有一個高性能、高可靠的 GUI 的支持。這些系統(tǒng)一般不希望建立在龐大累贅的、非常消耗系統(tǒng)資源的操作系統(tǒng)和 GUI 之上，比如 Windows 或 X Window。但是，在出現(xiàn) Linux 系統(tǒng)之后 GUI 仍然是一個問題。關(guān)鍵是 X Window 太過龐大和臃腫。uClinux是專為無存儲器管理單元的處理器定制的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。其內(nèi)嵌的Microwindow為嵌入式系統(tǒng)圖形界面提供了良好的支持。

2系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)
基于uClinux的嵌入式圖形界面顯示系統(tǒng)分為軟件和硬件兩大部分。軟件由uClinux、Framebuffer驅(qū)動程序和Microwindow三部分組成。Motorola嵌入式CPU 5272、EPSON的13506 LCD 控制器和TRULY公司的MCT-G320240DNCW液晶顯示屏組成圖形界面顯示硬件系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

硬件設(shè)計環(huán)境：開發(fā)板是Motorola 5272C3，uClinux內(nèi)核版本號是2.4.17。

3 Microwindow的架構(gòu)

Microwindow是一種輕量級的GUI，具有輕型、占用資源少、高可靠性的特點。Microwindow 是一個非常適合于工業(yè)控制實時系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)的可定制的、小巧的圖形用戶界面支持系統(tǒng)。Microwindow是一種分層設(shè)計的架構(gòu)。最底層是一組屏幕、鼠標(biāo)/觸摸屏、鍵盤的抽象接口，不依賴任何特殊的硬件。中間層是可移植的圖形引擎。最高層是各種API，供圖形應(yīng)用程序調(diào)用。目前有兩種API，一種是ECMA APIW，第二種是NANO-X APIS.。這些API與win32和x window系統(tǒng)基本上兼容，使應(yīng)用程序移植非常容易。

在uClinux下Microwindow最底層的SCREEN 抽象接口建立在linux framebuffer 設(shè)備基礎(chǔ)上。Framebuffer device 是對圖形顯示硬件設(shè)備的抽象，它代表視頻硬件的幀緩存。本文將重點討論uClinux下針對具體硬件環(huán)境如何設(shè)計其Framebuffer設(shè)備驅(qū)動程序。

4 Framebuffer設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計
Linux下設(shè)備分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口三大類。那么Framebuffer設(shè)備屬于哪一類呢？剛開始設(shè)計時容易使人困惑。其實對使用者而言，幀緩沖設(shè)備也就是Framebuffer device和目錄/dev下的其他設(shè)備沒有區(qū)別。它是一個字符設(shè)備，使用主設(shè)備號29，次設(shè)備號用于幀緩沖設(shè)備之間的區(qū)分。
例如：
0＝/dev/fb0 First frame buffer
1=/dev/fb1 Second frame buffer
…
31=/dev/fb31 32nd frame buffer
0~31就是次設(shè)備號
幀緩沖驅(qū)動程序主要依靠四個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)定義在 include/linux/fb.h程序內(nèi)。它們分別是fb_info、fb_var_screeninfo、fb_fix_screeninfo和fb_monospecs。后三個結(jié)構(gòu)可以在用戶空間訪問，結(jié)構(gòu) fb_info只能在內(nèi)核空間訪問。
結(jié)構(gòu) fb_fix_screeninfo定義了視頻板卡硬件的某些固定的特性。這些特性在硬件初始化時就被定義了以后不得修改。在這個結(jié)構(gòu)體中最重要的成員是smem_len和line_length。前者指示顯存的大小，后者提供了一個顯示行的byte統(tǒng)計數(shù)，使顯存指針很方便的移到下一顯示行。
結(jié)構(gòu)fb_var_screeninfo定義了視頻硬件一些可變的特性。這些特性在程序運行期間可以由應(yīng)用程序動態(tài)改變。由于篇幅有限在此只對這個結(jié)構(gòu)體中主要的成員作出解釋，詳細(xì)解釋請參見fb.h。成員變量xres 和 yres定義在顯示屏上真實顯示的分辨率。而xres_virtual和yres_virtual是虛擬分辨率，它們定義的是顯存分辨率。比如顯示屏垂直分辨率是400，而虛擬分辨率是800。這就意味著在顯存中存儲著800行顯示行，但是每次只能顯示400行。但是顯示哪400行呢？這就需要另外一個成員變量yoffset，當(dāng)yoffset＝0時，從顯存0行開始顯示400行，如果yoffset＝30，就從顯存31行開始顯示400行。
在這四個結(jié)構(gòu)中最重要的結(jié)構(gòu)就是fb_info，它只能在內(nèi)核空間訪問。其內(nèi)部定義了struct fb_ops， 結(jié)構(gòu)fb_ops成員就是由一系列Framebuffer 操作函數(shù)組成。
結(jié)構(gòu)fb_monospecs在2.5.x內(nèi)核下才會被采用，在目前內(nèi)核下不使用。
如前所述就使用者而言，幀緩沖設(shè)備和一般的字符設(shè)備沒有區(qū)別。因此寫視頻硬件的設(shè)備驅(qū)動程序就有兩種選擇，一種是把視頻硬件抽象成一般的字符設(shè)備，驅(qū)動程序的寫法和一般的字符設(shè)備驅(qū)動類似。第二種就是幀緩沖設(shè)備的驅(qū)動程序的編寫。第一種方法不規(guī)范，而且實現(xiàn)功能有限，故不提倡。下面用與字符驅(qū)動程序類比的方法介紹如何編寫幀緩沖驅(qū)動程序。
字符驅(qū)動程序用函數(shù)register_chrdev向內(nèi)核注冊設(shè)備。register_chrdev需要三個參數(shù)，參數(shù)一是主設(shè)備號，參數(shù)二是對應(yīng)與參數(shù)一主設(shè)備號的驅(qū)動程序名；參數(shù)三用來登記驅(qū)動程序?qū)嶋H執(zhí)行操作的函數(shù)指針，它指向struct file_operation。編寫字符驅(qū)動程序的主要工作就是編寫各個子函數(shù)并填寫file_operation各個域。當(dāng)用戶進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用對設(shè)備文件進(jìn)行操作時，系統(tǒng)通過設(shè)備文件的主設(shè)備號找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。然后讀取這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的操作函數(shù)指針，接著就把控制權(quán)交給這個函數(shù)。這就是linux驅(qū)動程序工作原理。
幀緩沖設(shè)備驅(qū)動程序與此類似，其調(diào)用register_framebuffer注冊一個framebuffer設(shè)備。它只有一個參數(shù)就是前面介紹的struct fb_info， 其內(nèi)部定義了結(jié)構(gòu)成員fb_ops。編寫幀緩沖驅(qū)動程序主要就是編寫fb_ops各個成員函數(shù)。與字符驅(qū)動設(shè)備不同的是幀緩沖驅(qū)動程序并不實現(xiàn)ioctl調(diào)用。幀緩沖驅(qū)動程序的初始化函數(shù)在linux/drivers/video/fbmem.c中登記。所有的幀緩沖驅(qū)動程序的ioct調(diào)用由fbmem.c統(tǒng)一實現(xiàn)。由fbmem.c根據(jù)當(dāng)前正在工作的幀緩沖設(shè)備提供ioctl調(diào)用。

5 硬件電路的設(shè)計
5272是Motorola公司Coldfire系列嵌入式CPU，在Motorola公司嵌入式CPU中屬于中低檔產(chǎn)品。低檔不等于低效，在主頻66M時可以達(dá)到63MIPS，接近MPC860的MIPS。并且外圍電路接口豐富，在Coldfire系列中集成度最高。
5272總線是一種32位同步數(shù)據(jù)地址總線，總線傳輸終止支持同步終止和異步終止。在5272與外圍器件總線傳輸周期中，利用TA信號可以在總線傳輸周期插入等待時鐘周期。實現(xiàn)總線傳輸?shù)漠惒浇K止。5272總線接口使用BS0~BS3四個信號顯示當(dāng)前總線周期數(shù)據(jù)總線寬度。5272的I/O空間是內(nèi)存映射的，所以沒有專門的I/O地址空間。因為5272沒有MMU單元，所以5272的內(nèi)存空間是物理地址直接尋址。
液晶屏控制器是EPSON公司的13506。這是一款LCD/CRT/TV圖形控制器。CPU接口廣泛。擁有16bit寬度的EDO顯存接口，顯存最大可達(dá)2Mbytes。在16bpp的情況下最大分辨率可達(dá)640480。支持虛擬顯示，即顯示圖像尺寸可以大于屏幕實際尺寸。

下圖是Coldfire 5272 CPU 與 EPSON13506之間的接口電路示意圖。

EPSON13506的CPU接口數(shù)據(jù)總線寬度是16位。5272是大印第安字節(jié)序，當(dāng)總線寬度是16位時，數(shù)據(jù)總線高16位有效。EPSON13506 M/R#管腳用來控制當(dāng)前讀寫是對顯存的讀寫還是對13506 I/O寄存器的讀寫，5272地址線A21對其進(jìn)行控制。這樣在5272 CS6的地址空間中，地址21位是1就是顯存的地址，為0就是13506 I/O寄存器的地址。5272地址總線A0并未接到EPSON13506 AB0管腳上，這是由于在EPSON13506 CPU接口模式 Generic1情況下，EPSON13506 AB0管腳必須接高電平。這樣就無法實現(xiàn)對字節(jié)的尋址。為了實現(xiàn)對字節(jié)的尋址，可以通過一片CPLD進(jìn)行邏輯運算實現(xiàn)對相應(yīng)管腳的選擇，實現(xiàn)字節(jié)尋址。
整個電路設(shè)計的重點難點在于對EPSON13506 CPU接口類型的深入理解，顯存和LCD液晶屏的連接比較簡單，在這里就不再贅述。

6結(jié)束語
目前越來越多嵌入式系統(tǒng)要求圖形顯示界面，特別是在一些工業(yè)控制領(lǐng)域。本系統(tǒng)已經(jīng)成功運用于色譜儀工作站上。其友好的人機(jī)界面大大降低了儀表操作難度，簡化了操作流程，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：
[1]Allessandro Rubin,Linux Device Drivers O’ReillyAssocates、Inc、1998
[2]陳莉君,Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析[M].北京，人民郵電出版社，2000