基于嵌入式Linux的图形界面显示系统的设计

基于嵌入式Linux的图形界面显示系统的设计在系统这个IT产业的新领域，以其所具备的稳定、高效、易定制、易裁减、硬件支持广泛的特点，结合其免费、源码开放的特征。

使得Linux 在嵌入式操作系统中的地位越来越重要。

越来越多的嵌入式系统，包括PDA、、WAP 手机等等系统均要求提供全功能的 Web 扫瞄器。

这包括HTML 的支持、JavaScript 的支持，甚至包括 Java 虚拟机的支持。

而这一切都要求有一个高性能、高牢靠的 GUI 的支持。

这些系统普通不希翼建立在浩大累赘的、十分消耗系统资源的操作系统和 GUI 之上，比如 Windows 或 X Window。

但是，在浮现 Linux 系统之后 GUI 仍然是一个问题。

关键是 X Window 太过浩大和臃肿。

是专为无存储器管理单元的处理器定制的嵌入式Linux操作系统。

其内嵌的Microwindow 为嵌入式系统图形界面提供了良好的支持。

2 系统的组成结构
基于uClinux的嵌入式图形界面显示系统分为软件和硬件两大部分。

软件由uClinux、Framebuffer驱动程序和Microwindow三部分组成。

Motorola嵌入式CPU 5272、EPSON的13506 控制器和TRULY公司的MCT-G320240DNCW液晶显示屏组成图形界面显示硬件系统。

结构1所示。

硬件设计环境：开发板是Motorola 5272C3，uClinux内核版本号是
2.4.17。

3 Microwindow的架构
Microwindow是一种轻量级的GUI，具有轻型、占用资源少、高牢靠性的特点。

Microwindow 是一个十分适合于工业控制实时系统以及嵌入式系统的可定制的、小巧的图形用户界面支持系统。

Microwindow是一种分层设计的架构。

最底层是一组屏幕、鼠标/、键盘的抽象接口，不依靠任何特别的硬件。

中间层是可移植的图形引擎。

最高层是各种API，供图形应用程序调用。

目前有两种API，一种是ECMA APIW，其
次种是NANO-X APIS.。

这些API与win32和x window系统基本上兼容，使应用程序移植十分简单。

在uClinux下Microwindow最底层的SCREEN 抽象接口建立在linux framebuffer 设备基础上。

Framebuffer device 是对图形显示硬件设备的抽象，它代表视频硬件的帧缓存。

本文将重点研究uClinux下针对详细硬件环境如何设计其Framebuffer设备驱动程序。

4 Framebuffer设备驱动程序的设计
Linux下设备分为字符设备、块设备和网络设备接口三大类。

那么Framebuffer设备属于哪一类呢？刚开头设计时简单使人困窘。

其实对用法者而言，帧缓冲设备也就是Framebuffer device和名目/dev下的其他设备没有区分。

它是一个字符设备，用法主设备号29，次设备号用于帧缓冲设备之间的区别。

例如：0＝/dev/fb0 First frame buffer
1=/dev/fb1 Second frame buffer
…
31=/dev/fb31 32nd frame buffer
0~31就是次设备号
帧缓冲驱动程序主要依赖四个数据结构。

这些结构定义在
include/linux/fb.h程序内。

它们分离是fb_info、
fb_var_screeninfo、fb_fix_screeninfo和fb_monospecs。

后三个结构可以在用户空间拜访，结构 fb_info只能在内核空间拜访。

结构 fb_fix_screeninfo定义了视频板卡硬件的某些固定的特性。

这些特性在硬件初始化时就被定义了以后不得修改。

在这个结构体中最重要的成员是smem_len和line_length。

前者指示显存的大小，后者提供了一个显示行的byte统计数，使显存指针很便利的移到下一显示行。

结构fb_var_screeninfo定义了视频硬件一些可变的特性。

这些特性在程序运行期间可以由应用程序动态转变。

因为篇幅有限在此只对这个结构体中主要的成员作出说明，具体说明请参见fb.h。

成员变量xres 和yres定义在显示屏上真切显示的辨别率。

而xres_virtual和
yres_virtual是虚拟辨别率，它们定义的是显存辨别率。

比如显示屏垂直辨别率是400，而虚拟辨别率是800。

这就意味着在显存中存储着800行显示行，但是每次只能显示400行。

但是显示哪400行呢？这就需要另外一个成员变量yoffset，当yoffset＝0时，从显存0行开头显示400行，假如yoffset＝30，就从显存31行开头显示400行。

在这四个结构中最重要的结构就是fb_info，它只能在内核空间拜访。

其内部定义了struct fb_ops，结构fb_ops成员就是由一系列Framebuffer 操作函数组成。

结构fb_monospecs在2.5.x内核下才会被采纳，在目前内核下不用法。

如前所述就用法者而言，帧缓冲设备和普通的字符设备没有区分。

因此写视频硬件的设备驱动程序就有两种挑选，一种是把视频硬件抽象成普通的字符设备，驱动程序的写法和普通的字符设备驱动类似。

其次种就是帧缓冲设备的驱动程序的编写。

第一种办法不规范，而且实现功能有限，故不倡导。

下面用与字符驱动程序类比的办法介绍如何编写帧缓冲驱动程序。

字符驱动程序用函数register_chrdev向内核注册设备。

register_chrdev需要三个参数，参数一是主设备号，参数二是对应与参数一主设备号的驱动程序名；参数三用来记下驱动程序实际执行操作的函数指针，它指向struct file_operation。

编写字符驱动程序的主要工作就是编写各个子函数并填写file_operation各个域。

当用户进程利用系统调用对设备文件举行操作时，系统通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序。

然后读取这个数据结构相应的操作函数指针，接着就把控制权交给这个函数。

这就是linux驱动程序工作原理。

帧缓冲设备驱动程序与此类似，其调用register_framebuffer注册一个framebuffer设备。

它惟独一个参数就是前面介绍的struct fb_info，其内部定义了结构成员fb_ops。

编写帧缓冲驱动程序主要就是编写
fb_ops各个成员函数。

与字符驱动设备不同的是帧缓冲驱动程序并不
实现ioctl调用。

帧缓冲驱动程序的初始化函数在
linux/drivers/video/fbmem.c中记下。

全部的帧缓冲驱动程序的ioct 调用由fbmem.c统一实现。

由fbmem.c按照当前正在工作的帧缓冲设备提供ioctl调用。

5 硬件的设计
5272是Motorola公司Coldfire系列嵌入式CPU，在Motorola公司嵌入式CPU中属于中低档产品。

低档不等于低效，在主频66M时可以达到63，临近MPC860的MIPS。

并且外围电路接口丰盛，在Coldfire系列
中集成度最高。

5272是一种32位同步数据地址总线，总线传输终止支持同步终止和异步终止。

在5272与外围器件总线传输周期中，利用TA信号可以在总线传输周期插入等待时钟周期。

实现总线传输的异步终止。

5272总线接口用法BS0~BS3四个信号显示当前总线周期数据总线宽度。

5272的I/O空间是内存映射的，所以没有特地的I/O地址空间。

由于5272没有MMU单元，所以5272的内存空间是物理地址挺直寻址。

液晶屏控制器是EPSON公司的13506。

这是一款LCD/CRT/TV图形控制器。

CPU接口广泛。

拥有16bit宽度的EDO显存接口，显存最大可达2Mbytes。

在16bpp的状况下最大辨别率可达640480。

支持虚拟显示，即显示图像尺寸可以大于屏幕实际尺寸。

下图是Coldfire 5272 CPU 与 EPSON13506之间的接口电路暗示图。

EPSON13506的CPU接口数据总线宽度是16位。

5272是大印第安字节序，当总线宽度是16位时，数据总线高16位有效。

EPSON13506 M/R 管脚用来控制当前读写是对显存的读写还是对13506 I/O寄存器的读
写，5272地址线A21对其举行控制。

这样在5272 CS6的地址空间中，地址21位是1就是显存的地址，为0就是13506 I/O寄存器的地址。

5272地址总线A0并未接到EPSON13506 AB0管脚上，这是因为在EPSON13506 CPU接口模式 Generic1状况下，EPSON13506 AB0管脚必需接高电平。

这样就无法实现对字节的寻址。

为了实现对字节的寻址，可以通过一片举行规律运算实现对相应管脚的挑选，实现字节寻址。

囫囵电路设计的重点难点在于对EPSON13506 CPU接口类型的深化理解，显存和LCD液晶屏的衔接比较容易，在这里就不再赘述。

6 结束语
目前越来越多嵌入式系统要求图形显示界面，特殊是在一些工业控制领域。

本系统已经胜利运用于色谱仪工作站上。

其友好的人机界面大大降低了仪表操作难度，简化了操作流程，提高了生产效率。