基于嵌入式Linux的圖形界面顯示系統的設計

摘要：本文詳細描述了基于uClinux嵌入式操作系統的圖形界面顯示系統的實(shí)現方法，并對uClinux下Framebuffer驅動(dòng)程序編寫(xiě)進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)探討。
關(guān)鍵詞：uClinux ，Microwindow，Framebuffer 驅動(dòng)程序

1前言
在嵌入式系統這個(gè)IT產(chǎn)業(yè)的新領(lǐng)域，Linux以其所具備的穩定、高效、易定制、易裁減、硬件支持廣泛的特點(diǎn)，結合其免費、源碼開(kāi)放的特征。使得Linux在嵌入式操作系統中的地位越來(lái)越重要。越來(lái)越多的嵌入式系統，包括 PDA、機頂盒、WAP 手機等等系統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 虛擬機的支持。而這一切都要求有一個(gè)高性能、高可靠的 GUI 的支持。這些系統一般不希望建立在龐大累贅的、非常消耗系統資源的操作系統和 GUI 之上，比如 Windows 或 X Window。但是，在出現 Linux 系統之后 GUI 仍然是一個(gè)問(wèn)題。關(guān)鍵是 X Window 太過(guò)龐大和臃腫。uClinux是專(zhuān)為無(wú)存儲器管理單元的處理器定制的嵌入式Linux操作系統。其內嵌的Microwindow為嵌入式系統圖形界面提供了良好的支持。

2系統的組成結構
基于uClinux的嵌入式圖形界面顯示系統分為軟件和硬件兩大部分。軟件由uClinux、Framebuffer驅動(dòng)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。結構如圖1所示。

硬件設計環(huán)境：開(kāi)發(fā)板是Motorola 5272C3，uClinux內核版本號是2.4.17。

3 Microwindow的架構

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(diǎn)。Microwindow 是一個(gè)非常適合于工業(yè)控制實(shí)時(shí)系統以及嵌入式系統的可定制的、小巧的圖形用戶(hù)界面支持系統。Microwindow是一種分層設計的架構。最底層是一組屏幕、鼠標/觸摸屏、鍵盤(pán)的抽象接口，不依賴(lài)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，供圖形應用程序調用。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系統基本上兼容，使應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 設備基礎上。Framebuffer device 是對圖形顯示硬件設備的抽象，它代表視頻硬件的幀緩存。本文將重點(diǎn)討論uClinux下針對具體硬件環(huán)境如何設計其Framebuffer設備驅動(dòng)程序。

4 Framebuffer設備驅動(dòng)程序的設計
Linux下設備分為字符設備、塊設備和網(wǎng)絡(luò )設備接口三大類(lèi)。那么Framebuffer設備屬于哪一類(lèi)呢？剛開(kāi)始設計時(shí)容易使人困惑。其實(shí)對使用者而言，幀緩沖設備也就是Framebuffer device和目錄/dev下的其他設備沒(méi)有區別。它是一個(gè)字符設備，使用主設備號29，次設備號用于幀緩沖設備之間的區分。
例如：
0＝/dev/fb0 First frame buffer
1=/dev/fb1 Second frame buffer
…
31=/dev/fb31 32nd frame buffer
0~31就是次設備號
幀緩沖驅動(dòng)程序主要依靠四個(gè)數據結構。這些結構定義在 include/linux/fb.h程序內。它們分別是fb_info、fb_var_screeninfo、fb_fix_screeninfo和fb_monospecs。后三個(gè)結構可以在用戶(hù)空間訪(fǎng)問(wèn)，結構 fb_info只能在內核空間訪(fǎng)問(wèn)。
結構 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(shí)就被定義了以后不得修改。在這個(gè)結構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(gè)顯示行的byte統計數，使顯存指針很方便的移到下一顯示行。
結構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用程序動(dòng)態(tài)改變。由于篇幅有限在此只對這個(gè)結構體中主要的成員作出解釋?zhuān)敿毥忉屨垍⒁?jiàn)fb.h。成員變量xres 和 yres定義在顯示屏上真實(shí)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(zhù)在顯存中存儲著(zhù)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(gè)成員變量yoffset，當yoffset＝0時(shí)，從顯存0行開(kāi)始顯示400行，如果yoffset＝30，就從顯存31行開(kāi)始顯示400行。
在這四個(gè)結構中最重要的結構就是fb_info，它只能在內核空間訪(fǎng)問(wèn)。其內部定義了struct fb_ops， 結構fb_ops成員就是由一系列Framebuffer 操作函數組成。
結構fb_monospecs在2.5.x內核下才會(huì )被采用，在目前內核下不使用。
如前所述就使用者而言，幀緩沖設備和一般的字符設備沒(méi)有區別。因此寫(xiě)視頻硬件的設備驅動(dòng)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備，驅動(dòng)程序的寫(xiě)法和一般的字符設備驅動(dòng)類(lèi)似。第二種就是幀緩沖設備的驅動(dòng)程序的編寫(xiě)。第一種方法不規范，而且實(shí)現功能有限，故不提倡。下面用與字符驅動(dòng)程序類(lèi)比的方法介紹如何編寫(xiě)幀緩沖驅動(dòng)程序。
字符驅動(dòng)程序用函數register_chrdev向內核注冊設備。register_chrdev需要三個(gè)參數，參數一是主設備號，參數二是對應與參數一主設備號的驅動(dòng)程序名；參數三用來(lái)登記驅動(dòng)程序實(shí)際執行操作的函數指針，它指向struct file_operation。編寫(xiě)字符驅動(dòng)程序的主要工作就是編寫(xiě)各個(gè)子函數并填寫(xiě)file_operation各個(gè)域。當用戶(hù)進(jìn)程利用系統調用對設備文件進(jìn)行操作時(shí)，系統通過(guò)設備文件的主設備號找到相應的設備驅動(dòng)程序。然后讀取這個(gè)數據結構相應的操作函數指針，接著(zhù)就把控制權交給這個(gè)函數。這就是linux驅動(dòng)程序工作原理。
幀緩沖設備驅動(dòng)程序與此類(lèi)似，其調用register_framebuffer注冊一個(gè)framebuffer設備。它只有一個(gè)參數就是前面介紹的struct fb_info， 其內部定義了結構成員fb_ops。編寫(xiě)幀緩沖驅動(dòng)程序主要就是編寫(xiě)fb_ops各個(gè)成員函數。與字符驅動(dòng)設備不同的是幀緩沖驅動(dòng)程序并不實(shí)現ioctl調用。幀緩沖驅動(dòng)程序的初始化函數在linux/drivers/video/fbmem.c中登記。所有的幀緩沖驅動(dòng)程序的ioct調用由fbmem.c統一實(shí)現。由fbmem.c根據當前正在工作的幀緩沖設備提供ioctl調用。

5 硬件電路的設計
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(shí)可以達到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(xiàn)是一種32位同步數據地址總線(xiàn)，總線(xiàn)傳輸終止支持同步終止和異步終止。在5272與外圍器件總線(xiàn)傳輸周期中，利用TA信號可以在總線(xiàn)傳輸周期插入等待時(shí)鐘周期。實(shí)現總線(xiàn)傳輸的異步終止。5272總線(xiàn)接口使用BS0~BS3四個(gè)信號顯示當前總線(xiàn)周期數據總線(xiàn)寬度。5272的I/O空間是內存映射的，所以沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的I/O地址空間。因為5272沒(méi)有MMU單元，所以5272的內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2Mbytes。在16bpp的情況下最大分辨率可達640480。支持虛擬顯示，即顯示圖像尺寸可以大于屏幕實(shí)際尺寸。

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

EPSON13506的CPU接口數據總線(xiàn)寬度是16位。5272是大印第安字節序，當總線(xiàn)寬度是16位時(shí)，數據總線(xiàn)高16位有效。EPSON13506 M/R#管腳用來(lái)控制當前讀寫(xiě)是對顯存的讀寫(xiě)還是對13506 I/O寄存器的讀寫(xiě)，5272地址線(xiàn)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(xiàn)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(wú)法實(shí)現對字節的尋址。為了實(shí)現對字節的尋址，可以通過(guò)一片CPLD進(jìn)行邏輯運算實(shí)現對相應管腳的選擇，實(shí)現字節尋址。
整個(gè)電路設計的重點(diǎn)難點(diǎn)在于對EPSON13506 CPU接口類(lèi)型的深入理解，顯存和LCD液晶屏的連接比較簡(jiǎn)單，在這里就不再贅述。

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

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