楊立身，張安偉，王 磊，劉 康

（河南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 焦作 454000）

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)與電子信息技術(shù)的快速發(fā)展、嵌入式MCU的價(jià)格越來越低性能越來越強(qiáng)大，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與研究不斷深入，已遍及通訊、汽車電子、醫(yī)學(xué)、導(dǎo)航、工業(yè)控制等眾多領(lǐng)域?；贑ortex－M3內(nèi)核的STM32系列MCU作為其中的一個(gè)代表，以其低廉的價(jià)格、優(yōu)異的性能，在各個(gè)領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用［1］。同時(shí)，嵌入式產(chǎn)品向著智能化、集成化、人性化發(fā)展，圖形化界面的人機(jī)接口以及并發(fā)的多任務(wù)顯得越來越重要，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS＿II及嵌入式圖形軟件μC／GUI以其占用資源少、高性能、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)在嵌入式圖形開發(fā)中應(yīng)用的也越來越多，液晶顯示系統(tǒng)作為嵌入式的主要直觀交互設(shè)備有著非常重要的作用。因此，通過移植整合μC／OS＿II與μC／GUI配合液晶顯示設(shè)備來進(jìn)行多任務(wù)、可視化的軟件開發(fā)會(huì)在以后的開發(fā)過程中扮演著重要角色。

文章主要研究了μC／OS＿II與μC／GUI在ILI9320LCD、STM32F103X系列處理器基礎(chǔ)上的整合移植方法，同時(shí)針對(duì)μC／GUI對(duì)中文支持欠缺的不足增加了對(duì)中文的支持，并對(duì)μC／GUI的底層顯示接口函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提升了性能。

2 μC／OS＿II、μC／GUI簡(jiǎn)介

μC／OS＿II是一個(gè)完整的、可移植、裁剪的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，并以其實(shí)時(shí)性強(qiáng)、高效而小巧等優(yōu)點(diǎn)得到了比較廣泛的應(yīng)用［2－3］。其絕大部分代碼用C語言編寫而成，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，可以運(yùn)行在目前絕大多數(shù)的微處理器上。μC／OS＿II提供了包含任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理、信號(hào)量管理等在內(nèi)的基本功能，具有很高的安全性與穩(wěn)定性，并且得到了FAA的認(rèn)證，在世界范圍內(nèi)被廣泛使用。

μC／GUI是Micrium公司出品的一種專用于嵌入式應(yīng)用的圖形支持軟件［4］，它能為任何使用一個(gè)圖形LCD提供一個(gè)不依賴于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口。μC／GU采用了模塊化設(shè)計(jì)，由在不同模塊中的不同層組成，適用于任何LCD控制器和CPU的任何尺寸的物理和虛擬顯示，它采用標(biāo)準(zhǔn)C代碼編寫，適用于任何CPU。μC／GUI具有適用于嵌入式系統(tǒng)的高性能、高可靠性、可移植、可配置等特點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際要求對(duì)μC／GUI進(jìn)行組件裁剪，其最小系統(tǒng)只需要很小的內(nèi)存空間即可運(yùn)行［5－6］。

3 系統(tǒng)環(huán)境

3.1 硬件環(huán)境

硬件平臺(tái)核心芯片選用STM32F10RBT6，該芯片集成20KSRAM、128KB FLASH、2個(gè)SPI接口、3個(gè)USART異步串行總線接口、2個(gè)12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器、通過內(nèi)置的向量中斷控制器NVIC，支持43個(gè)可屏蔽中斷請(qǐng)求，且具有很低的中斷延時(shí)［7－8］。

LCD模塊選用顯尚光電的DST2001PH TFT－LCD，控制IC型號(hào)為ILI9320，采用26萬色的TFT－LCD屏，分辨率為320×240，同時(shí)該模塊自帶4導(dǎo)線制XPT2046觸摸屏控制芯片，內(nèi)含12位分辨率125kHz轉(zhuǎn)換速率逐步逼近型AD轉(zhuǎn)換器［9－11］，支持觸摸操作。

3.2 軟件環(huán)境

軟件平臺(tái)采用 Keil uVision v4.10集成開發(fā)環(huán)境，提供了包含C編譯器、庫管理、和功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，采用STM32 V3.5固件庫開發(fā)，避免了直接操作寄存器，便于學(xué)習(xí)與開發(fā)。μC／OS＿II選用的版本為μC／OS＿II V2.86，μC／GUI所選版本為μC／GUI V3.90。

4 μC／OS＿II移植

要使μC／OS＿II正常工作則處理器的C編譯器必須支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)硬件堆棧、能產(chǎn)生定時(shí)中斷為系統(tǒng)提供時(shí)鐘，并且處理器需包含從CPU寄存器存取數(shù)據(jù)的指令。由圖1μC／OS＿II組織結(jié)構(gòu)圖可知，移植所需修改的主要是與CPU相關(guān)的文件，主要有：os＿cpu＿a.asm、os＿cpu＿c.c等。

圖1 μC／OS＿II組織結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart ofμC／GUI

4.1 OS＿CPU＿A.ASM 文件

OS＿CPU＿A.ASM主要包含了任務(wù)切換、中斷斷點(diǎn)的保存、進(jìn)出臨界區(qū)方法的實(shí)現(xiàn)等于CPU密切相關(guān)的程序，主要函數(shù)有：OSCtrSw（）、OSIntCtrSw（）、PendSV＿Handler（）、OS＿CPU＿SR＿Save（）、OS＿CPU＿SR＿Restore（）等。其中 OSC－trSw（）和OSIntCtrSw（）函數(shù)分別為任務(wù)級(jí)別任務(wù)切換函數(shù)和中斷級(jí)別任務(wù)切換函數(shù)，PendSV＿Handler（）為PendSV中斷服務(wù)程序，OS＿CPU＿SR＿Save（）和OS＿CPU＿SR＿Restore（）為用方法3進(jìn)入臨界區(qū)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)。以上函數(shù)需要用匯編語言實(shí)現(xiàn)，此部分是移植過程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。需要注意的是，任務(wù)級(jí)任務(wù)切換和中斷級(jí)別任務(wù)切換實(shí)則都是通過觸發(fā)PendSV中斷來實(shí)現(xiàn)的，PendSV＿Handler（）函數(shù)部分代碼如下：

4.2 OS＿CPU＿C.C文件

OS＿CPU＿C.C文件在系統(tǒng)移植的時(shí)候需要寫10個(gè)函數(shù)，其中唯一必要的函數(shù)是OSTaskStkInit（），其他9個(gè)函數(shù)必須聲明，但并不一定要包含任務(wù)代碼。操作系統(tǒng)創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)通過調(diào)用OSTaskStkInit（），初始化任務(wù)的棧結(jié)構(gòu)，使得堆?？雌饋砭拖裰袛鄤偘l(fā)生過一樣，所有寄存器都保存在堆棧中。OSTaskStkInit（）函數(shù)部分代碼如下：

4.3 μC／OS＿II時(shí)鐘

μC／OS＿II需要一個(gè)周期性的信號(hào)源自身提供所需時(shí)鐘。本文利用STM32F103RBT6自帶的Systick定時(shí)器為系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的周期為10ms的信號(hào)源，需要注意的是必須在多任務(wù)系統(tǒng)開啟以后再開啟時(shí)鐘節(jié)拍器。中斷服務(wù)函數(shù)Systick＿Handler代碼如下：

5 μC／GUI的移植

μC／GUI移植涉及3個(gè)模塊：μC／GUI配置模塊、μC／OS＿II配置模塊、LCD觸摸顯示模塊，如圖2所示。

圖2 μC／GUI體系結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Organization chart ofμC／GUI

5.1 μC／GUI配置模塊

此模塊修改主要涉及到GUIConf.h文件，該文件的功能主要為按照實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置μC／GUI的相關(guān)支持功能。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室要求，開啟多任務(wù)、觸摸、支持UNICODE碼、窗口支持、抗鋸齒等功能，其他功能可根據(jù)實(shí)際情況選擇開啟或關(guān)閉，相關(guān)代碼如下：

5.2 μC／GUI配置模塊

本文的 μC／GUI移植基于 μC／OS＿II，μC／OS＿II的移植第三部分已經(jīng)詳細(xì)介紹。在μC／OS＿II下使用μC／GUI的關(guān)鍵是需要內(nèi)核接口函數(shù)來實(shí)現(xiàn)多任務(wù)之間的同步，通過任務(wù)調(diào)度使任務(wù)之間能協(xié)調(diào)工作，修改主要集中在GUI＿X＿uCOS.c文件，需要對(duì) GUI＿X＿Execldle、GUI＿X＿Lock、GUI＿X＿Unlock等系統(tǒng)級(jí)函數(shù)針對(duì)硬件和μC／OS＿II進(jìn)行修改，并添加3個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)，部分函數(shù)代碼如下：

5.3 LCD觸摸顯示模塊

LCD觸摸顯示模塊的移植是整個(gè)μC／GUI移植中的難點(diǎn)，μC／GUI提供了一個(gè)現(xiàn)成的硬件接口通過調(diào)用底層的LCD驅(qū)動(dòng)函數(shù)從而實(shí)現(xiàn)μC／GUI的圖像功能，同時(shí)也提供了觸摸驅(qū)動(dòng)的硬件接口，此時(shí)需要針對(duì)實(shí)際的觸摸層實(shí)現(xiàn)進(jìn)行相應(yīng)的修改。

5.3.1 LCD驅(qū)動(dòng)

LCD的顯示屏的顯示原理是逐行掃描的掃描方式［12－13］。使用 LCD之前，需要根據(jù)其控制IC的DataSheet對(duì)屏幕顯示方向、GRAM更新方向、色彩位數(shù)、行列GRAM地址位置設(shè)置等基礎(chǔ)設(shè)置進(jìn)行初始化，并且需編寫讀寫寄存器函數(shù)、讀寫數(shù)據(jù)函數(shù)、設(shè)置坐標(biāo)函數(shù)等重要函數(shù)。部分初始化函數(shù)與重要函數(shù)代碼如下：

5.3.2 μC／GUI硬件接口移植

μC／GUI在LCDDriver文件夾中提供了3種LCD 驅(qū) 動(dòng) 模 板：LCDDummy.c 、LCDWin.c、LCDNull.c，可以任選其中一個(gè)與自己的LCD驅(qū)動(dòng)進(jìn)行鏈接，本文選擇了LCDDummy.c，涉及到需修改的文件主要有：LCDConf.h、LCDDummy.c。

該文件為μC／GUI的底層配置文件［14］，通過宏定義描述了LCD硬件特性，需根據(jù)所選用的LCD屏做相應(yīng)修改，相關(guān)代碼如下：

μC／GUI是通過最基礎(chǔ)的畫點(diǎn)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)畫線、畫圓、位圖等函數(shù)的，因此讀寫像素點(diǎn)函數(shù)是驅(qū)動(dòng)程序最為重要的函數(shù)。μC／GUI里的讀寫像素點(diǎn)函數(shù)分別為L(zhǎng)CDDummy.c文件中的LCD＿L0＿GetPixelIndex（）和LCD＿L0＿SetPixelIndex（）兩個(gè)函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)只是一個(gè)框架，μC／GUI在這兩個(gè)函數(shù)中為真正實(shí)現(xiàn)讀寫像素點(diǎn)的函數(shù)預(yù)留了空間，方便針對(duì)各類LCD的移植。本文真正實(shí)現(xiàn)讀寫像素點(diǎn)的是底層LCD驅(qū)動(dòng)的LCD＿Read－Point（）函數(shù)和ili9320＿SetPoint（）函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)需要根據(jù)所選用的LCD屏編寫實(shí)現(xiàn)，部分代碼如下：

5.3.3 觸摸驅(qū)動(dòng)

本文所選LCD屏內(nèi)含XPT2046觸控芯片，支持觸摸。觸摸模塊的修改主要集中在GUITouchConf.h、GUI＿X＿Touch.c文件中。

（1）GUITouchConf.h文件

需要對(duì) GUI＿TOUCH＿AD＿LEFT、GUI＿TOUCH＿AD＿RIGHT、GUI＿TOUCH＿TOP、GUI＿TOUCH＿BOTTOM、GUI＿TOUCH＿SWAP＿XY幾個(gè)宏定義進(jìn)行重新賦值，其中前四個(gè)宏定義分別表示觸摸屏幕四個(gè)邊緣所時(shí)得到的AD轉(zhuǎn)換值，需要注意的是這些值并非所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值。屏幕的四個(gè)邊緣所對(duì)應(yīng)的AD值需要單獨(dú)寫程序?qū)崿F(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)過程不再贅述，GUI＿TOUCH＿SWAP＿XY宏表示的是是否支持XY切換。本文的相關(guān)設(shè)置如下：

在μC／GUI中實(shí)現(xiàn)觸摸功能需要在該文件中實(shí)現(xiàn)最為重要的是兩個(gè)觸摸屏ADC采樣函數(shù)GUI＿TOUCH＿X＿M(jìn)easureX（）和 GUI＿TOUCH＿X＿M(jìn)easureY（），μC／GUI給出了這兩個(gè)函數(shù)的框架，具體內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)需要自己調(diào)用底層的觸摸驅(qū)動(dòng)。本文分別調(diào)用Read＿ADS2＿X（）和Read＿ADS2＿Y（）兩個(gè)獲取XY坐標(biāo)AD采樣值的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)ADC采樣，這兩個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)需要根據(jù)所選用的觸摸芯片來重新編寫，部分代碼如下：

6 顯示優(yōu)化與測(cè)試

6.1 μC／GUI中文優(yōu)化

6.1.1 μC／GUI字體類型

μC／GUI提供兩種類型的字體，等寬字體（Monospacde Font）和均衡字體（Proportional Font）。等寬字體的寬度和高度都是相同的，所有的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)都存放在一個(gè)數(shù)組中。而對(duì)于均衡字體，由于每個(gè)字都有獨(dú)自的寬度和高度，則需要通過定義單獨(dú)的數(shù)組來實(shí)現(xiàn)每個(gè)字，對(duì)于既支持中文和英文的顯示，一般選用的是均衡字體。

老婆忙問：能看出來他氣管里長(zhǎng)什么了嗎？段主任說：這哪看的出來？他這種情況，必須住院做個(gè)氣管鏡，取出一塊組織，再做個(gè)病理，才能知道是什么。一聽要做病理，老婆頓時(shí)蒙了，眼圈兒霎時(shí)紅潤。王姐忙替老婆問：他這病不重吧？

6.1.2 μC／GUI中文顯示實(shí)現(xiàn)

μC／GUI默認(rèn)只支持英文顯示，不支持中文，通過增加漢字字庫，修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)漢字的顯示。對(duì)于等寬字體和均衡字體，兩種字體類型都通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)GUI＿FONT來記錄字體的屬性及相關(guān)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)等，GUI＿FONT結(jié)構(gòu)體定義了字體大小和GUI＿FONT＿PROP結(jié)構(gòu)體的入口地址。等寬字體對(duì)應(yīng)的字模數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要是GUI＿FONT＿M(jìn)ONO，均衡字體相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體為GUI＿FONT＿PROP，并且由于每個(gè)字都是單獨(dú)的數(shù)組來表示，所以還需要GUI＿CHARINFO來存儲(chǔ)相應(yīng)的字符信息。GUI＿FONT＿PROP中包含了字母在字庫中的編碼、字母對(duì)應(yīng)的GUI＿CHARINFO結(jié)構(gòu)體入口地址，同時(shí)pNext字段指針指向下一個(gè)GUI＿FONT＿PROP結(jié)構(gòu)體，這樣所有的結(jié)構(gòu)體就形成一個(gè)單項(xiàng)鏈表，很好的解決了字模數(shù)據(jù)連續(xù)存儲(chǔ)的問題，整體的字庫結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 字庫結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Organization chart of font library

由于傳統(tǒng)漢字字庫占用存儲(chǔ)空間太大，和單片機(jī)內(nèi)部寶貴的存儲(chǔ)空間矛盾，文章選擇了自定義字庫。自定義字庫選擇字母和工程中使用常用到的漢字，這就避免浪費(fèi)過多的單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)空間。了解字體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)之后，就可以利用μC／GUI字庫生成器生成指定字體矢量中文的字庫文件了，同時(shí)需要在GUI.h文件中聲明所添加的字庫，即 extern GUI＿FLASH const GUI＿FONT GUI＿FontHZ＿h(yuǎn)pu＿font，之后就可以調(diào)用μC／GUI顯示函數(shù)在液晶屏上顯示相應(yīng)的字符了。

6.2 μC／GUI接口函數(shù)優(yōu)化

μC／GUI最為重要且基礎(chǔ)的功能就是畫線、畫圖、矩形填充，對(duì)應(yīng)的函數(shù)分別為：LCD＿L0＿DrawLine函數(shù)、DrawBitLine16BPP函數(shù)和LCD＿L0＿FillRect函數(shù)，則對(duì)這些函數(shù)的優(yōu)化就顯得尤為重要。μC／GUI中這3個(gè)函數(shù)都是最終調(diào)用畫點(diǎn)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)其功能，然后設(shè)置一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)填充一個(gè)像素點(diǎn)，大量的系統(tǒng)時(shí)間浪費(fèi)在設(shè)置坐標(biāo)上。通常LCD都有自帶的GRAM，在進(jìn)行像素填充的時(shí)候設(shè)置好繪圖區(qū)，地址指針就會(huì)自動(dòng)增加，而不用填充一個(gè)像素點(diǎn)設(shè)置一個(gè)坐標(biāo)，這樣就省去了每個(gè)像素都要設(shè)置坐標(biāo)的時(shí)間。本文利用LCD屏地址指針自動(dòng)增加的特點(diǎn)對(duì)以上幾個(gè)函數(shù)進(jìn)行了改寫，并在畫豎線時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整R3寄存器的值，使得GRAM內(nèi)部地址自動(dòng)增加的方向和畫線方向一致，從而大大提高了屏幕的刷新率。

6.3 性能測(cè)試及分析

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.4 Figure of experimental results contrast

本文建立了4個(gè)任務(wù)用以測(cè)試μC／OS＿II與μC／GUI協(xié)同工作是否正常，同時(shí)檢測(cè)對(duì)中文的支持情況及優(yōu)化后性能是否提升。任務(wù)led1＿task和led2＿task為led燈任務(wù)，控制紅、藍(lán)led燈閃爍；touch＿task為觸摸任務(wù)，用以在LCD上顯示觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)并同時(shí)在觸摸位置上顯示鼠標(biāo)箭頭；gui＿task為刷屏任務(wù)，用以顯示漢字并在屏幕上半部分以一定的時(shí)間間隔填充不同的顏色，用以測(cè)試LCD的像素填充率。由圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖可知，4個(gè)任務(wù)正常切換，說明μC／OS＿II和μC／GUI正常工作，同時(shí)像素填充率Piexls／sec提升了大約63%。

7 結(jié) 論

文章實(shí)現(xiàn)了在STM32F103VCT6上對(duì)μC／OS＿II和μC／GUI的整合移植并針對(duì)μC／GUI中文支持不足和屏幕刷新率過低的問題做出優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明μC／OS＿II與μC／GUI移植整合成功，兩者協(xié)同工作正常，中文顯示正常，同時(shí)像素填充率由之前的996080／s上升到優(yōu)化后的1629060／s，提升了大約63%，說明優(yōu)化帶來了性能的提升。通過將 μC／OS＿II、μC／GUI與STM32相結(jié)合，初步建立起一個(gè)支持多任務(wù)的嵌入式圖形應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，使得基于STM32的嵌入式應(yīng)用開發(fā)工作更為方便、快捷和直觀。

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