楊立身，張安偉，王 磊，魏 蘭

（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

隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與研究的不斷深入，嵌入式產(chǎn)品越來越向著智能化、集成化、人性化發(fā)展，支持中文的圖形化界面人機(jī)接口以其良好的用戶體驗(yàn)和直觀的視覺感受也越來越受到重視。圖形用戶界面μC／GUI以其小巧、高效、可裁剪度高等特點(diǎn)在工業(yè)控制、通訊、醫(yī)學(xué)等相關(guān)的嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用也越來越廣泛。μC／GUI默認(rèn)只支持英文，不支持中文顯示，通常兼容中文的做法就是將漢字字庫文件通過編譯寫入到MCU內(nèi)部存儲空間，然而常用的漢字7千多，就常用的GB2312編碼而言大小就為200k［1］，這樣做勢必會增加開發(fā)的成本，浪費(fèi)原本寶貴的MCU內(nèi)部存儲空間，從而限制程序本身的大小，對程序功能的完整性造成一定的影響。

文章針對字庫文件與MCU內(nèi)部存儲之間的矛盾，利用SPI接口的高數(shù)據(jù)傳輸速率，研究了將漢字字庫存儲于外置spi flash芯片的實(shí)現(xiàn)方法，通過修改μC／GUI內(nèi)核的調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)μC／GUI對外置字庫的成功調(diào)用和顯示，這樣既避免了字庫文件對MCU存儲空間的占用，同時也兼顧了從外置字庫讀取數(shù)據(jù)的速度。

2 系統(tǒng)軟硬件平臺及開發(fā)環(huán)境

μC／GUI是美國Micrium公司出品的一種針對嵌入式系統(tǒng)的圖形支持軟件［2］，其最小系統(tǒng)只需很小的內(nèi)存空間就可運(yùn)行，節(jié)省嵌入式芯片內(nèi)部有限的存儲空間［3－4］。移植方面，由文獻(xiàn)［5－7］可知μC／GUI移植重點(diǎn)在于對操作系統(tǒng)系統(tǒng)配置文件、LCD底層驅(qū)動等的修改，具體過程文章不再詳述。

平臺核心芯片選用的是STM32F103RBT6，自帶20KSRAM、3個SPI接口、3個USART異步串行總線接口［8］，同時實(shí)驗(yàn)板載有16Mbit的外部flash芯片，型號為W25X16，通過SPI接口與MCU通信。液晶顯示模塊選用的是顯尚光電的DST2001PH TFT－LCD，采用的控制器為ILI9320、26萬色的 TFT－LCD屏［9－10］。編譯環(huán)境采用 Keil uVision v4.10集成開發(fā)環(huán)境，實(shí)時操作系統(tǒng)采用uC／SO＿II V2.86 版本，μC／GUI選用版本為V3.90a，硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 System hardware structure

3 SPI＿FLASH驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

3.1 硬件連接

系統(tǒng)選用W25X16FLASH芯片存放外置字庫，該芯片容量為16Mb，共分為32個塊，每塊又分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)4K字節(jié)。需要注意，W25X16的最少擦除單位為一個扇區(qū)，也就是說每次必須擦除4K個字節(jié)，所以需要給其開辟一個大小至少為4KB的緩存區(qū)。W25X16通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口與STM32通信，最大的SPI時鐘可以達(dá)到75Mhz。W25X16與STM32的系統(tǒng)硬件連線圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)連線圖Fig.2 Connection diagram of system

3.2 STM32的SPI接口初始化

W25X16通過SPI接口與STM32通信，為了保證SPI接口正常工作，需要對SPI接口的工作模式、數(shù)據(jù)模式、數(shù)據(jù)大小、波特率等參數(shù)進(jìn)行初始化配置。本文使用的為SPI1接口，相關(guān)初始化函數(shù)為SPI＿Init（），寄存器配置代碼如下：

SPI＿Init（）

｛

……

SPI1－＞CR1｜＝0＜＜10；／／工作模式為全雙工

SPI1－＞CR1｜＝1＜＜9；／／軟件NSS管理

SPI1－＞CR1｜＝1＜＜2；／／設(shè)置為SPI主設(shè)備

SPI1－＞CR1｜＝0＜＜11；／／使用8位數(shù)據(jù)幀

SPI1－＞CR1｜＝0＜＜10；／／空閑模式下SCK為高電平

SPI1－＞CR1｜＝7＜＜3；／／波特率設(shè)置為256分頻

SPI1－＞CR1｜＝0＜＜7；／／先發(fā)送 MSB

SPI1－＞CR1｜＝1＜＜0；／／第二個時鐘沿開始數(shù)據(jù)采樣

SPI1－＞CR1｜＝1＜＜6；／／使能SPI1

｝

3.3 讀寫FLASH函數(shù)

驅(qū)動設(shè)計(jì)部分需要為W25X16編寫讀寫芯片狀態(tài)寄存器函數(shù)，讀flash函數(shù)，寫flash頁函數(shù)，芯片擦除函數(shù)和擦除扇區(qū)函數(shù)等，其中核心部分為讀寫flash函數(shù)和寫flash頁函數(shù)的編寫，本文中這3個函數(shù)分別為 Flash＿Read（）、Flash＿Write（）和Flash＿Write＿Page（），功能分別為從指定地址讀取指定長度的數(shù)據(jù)、向指定地址寫入指定長度的數(shù)據(jù)以及向指定的flash地址中寫入一頁內(nèi)容，其中Flash＿Write＿Page（）是通過調(diào)用Flash＿Write（）函數(shù)從而將內(nèi)容按頁寫進(jìn)flash中的，程序執(zhí)行流程圖如圖3所示。需要注意的是在調(diào)用寫flash頁函數(shù)時，所要寫入的字節(jié)數(shù)不應(yīng)超過每頁的大小，即不應(yīng)超過256字節(jié)。

4 μC／GUI漢字顯示原理

4.1 μC／GUI字體類型

μC／GUI支持 ASCII、ISO8859－1、Unicode等編碼方式，提供了4種有效字體：等寬字體（Monospacde Font）、均衡字體（Proportional Font）、內(nèi)置2位光滑效果字體、內(nèi)置4位光滑效果字體，后兩種字體主要用在μC／GUI抗鋸齒功能開啟后，等寬字體的寬度和高度都是相同的，所以所有的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)都存放在一個數(shù)組中。而對于均衡字體，由于每個字都有自己獨(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)每個字，對于既支持中文和英文的顯示，一般選用的是均衡字體。本文主要針對等寬字體和均衡字體進(jìn)行研究和分析。

圖3 讀寫FLASH流程圖Fig.3 Flow chart of reading and writing flash

4.2 字體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)GUI＿FONT同時記錄了等寬字體、均衡字體的屬性以及相關(guān)的驅(qū)動函數(shù)，該結(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。等寬字體和均衡字體等寬字體對應(yīng)的字模數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別為GUI＿FONT＿M(jìn)ONO和GUI＿FONT＿PROP。與等寬字體不一樣的是，均衡字體由于每個字都是單獨(dú)的數(shù)組來表示，所以還需要另外一個結(jié)構(gòu)來存儲相應(yīng)的字符信息，這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是GUI＿CHARINFO。GUI＿FONT＿PROP中包含了字母在字庫中的編碼和所對應(yīng)的GUI＿CHARINFO結(jié)構(gòu)體入口地址，同時GUI＿CHARINFO結(jié)構(gòu)體pNext字段指針指向下一個GUI＿FONT＿PROP結(jié)構(gòu)體，這樣所有的結(jié)構(gòu)體就形成了一個單項(xiàng)鏈表，解決了字模數(shù)據(jù)連續(xù)存儲的問題。μC／GUI底層顯示函數(shù)可以通過以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系找到所要顯示字符的字模顯示出來，整體的字庫結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.3 μC／GUI漢字的顯示

圖4 字庫結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Organization chart of font library

μC／GUI顯示字符一般以點(diǎn)陣方式顯示，所謂點(diǎn)陣就是一個漢字用多少個像素點(diǎn)來描述。如一個16×16的點(diǎn)陣字符，即256個像素點(diǎn)來描述一個字符。此時用32個字節(jié)來表示此點(diǎn)陣字符，每行用兩個字節(jié)記錄這16個像素點(diǎn)的顯示情況。顯示漢字和顯示字符原理一樣，此時重點(diǎn)需要了解普通英文字符和漢字如何區(qū)別。一個ASCII字符占一個字節(jié)，編碼從0到0XA1。對于GB2312編碼的漢字來講一個漢字占兩個字節(jié)，且每個字節(jié)都是從0XA1開始，即漢字編碼從0XA1A1開始［11－13］。μC／GUI顯示字符時先分析得到待顯示字符編碼，判斷字符為ASCII字母還是GB2312編碼的漢字，然后利用GUI＿FONT＿DROP、GUI＿FONT＿M(jìn)ONO和GUI＿CHARINFO從字庫中取得字符的字模，然后調(diào)用GUICharP.c中的GUIPROP＿DispChar（）函數(shù)，最后調(diào)用μC／GUI底層的畫位圖函數(shù)LCD＿DrawBitmap（）函數(shù)，最后完成顯示。

5 外置字庫實(shí)現(xiàn)及測試

μC／GUI的字符顯示函數(shù)一般是直接從內(nèi)部程序存儲器讀取數(shù)據(jù)，將字庫文件存儲在外部flash后則需要在原始的顯示代碼中增加一個地址接口，使其指向外置flash，同時需要在GUI.h中聲明，給μC／GUI的順利調(diào)用指明方向。最后需要對GUICharP.c中顯示字符的底層函數(shù)進(jìn)行修改。

5.1 W25X16字庫的寫入

系統(tǒng)選用的字庫為嵌入式系統(tǒng)中使用較多的GB2312編碼字庫，包含有6 768個簡體中文。首先使能串口接收中斷，利用PC取點(diǎn)陣軟件，按照設(shè)定的點(diǎn)陣尺寸（本文為16×16）對字庫文件中的漢字進(jìn)行取模操作，得到對應(yīng)的字模數(shù)組文件。然后利用PC串口調(diào)試軟件將之前得到的字模數(shù)組文件按位發(fā)送至STM32的串口緩沖區(qū)，同時利用串口接收中斷，每接收到1字節(jié)數(shù)據(jù)就通過中斷處理函數(shù)中的Flash＿Write＿Page（）函數(shù)寫入到W25X16芯片中，需要注意的是在寫入之前需要先對W25X16芯片進(jìn)行擦除操作。字庫寫入流程如圖5所示。串口中斷處理函數(shù)USART1＿IRQHan－dler（）代碼如下：

圖5 字庫寫入流程圖Fig.5 Flow chart of writing word stock

5.2 內(nèi)核文件修改

添加外置字庫后，需要在GUI.h文件中聲明字庫在flash中的首地址，以及相應(yīng)的字庫聲明。內(nèi)核文件修改主要集中在GUICharP.c文件的GUIPROP＿DispChar（）函數(shù)，這個函數(shù)為其他顯示字符的函數(shù)所調(diào)用，文章增加了該函數(shù)對字符進(jìn)行漢字和字母進(jìn)行判斷并分開處理的步驟，讀取漢字信息時需要用到W25X16讀取函數(shù)，即上述的Flash＿Read（）函數(shù)。同時在修改 GUIPROP＿Disp－Char（）函數(shù)時需要注意漢字和字母的判斷方法，在GB2312編碼時，漢字編碼是從0XA1A1開始，在進(jìn)行字節(jié)流解析時編碼小于0XA1的認(rèn)為是普通ASCII碼，大于或者等于0XA1A1的則是漢字編碼，漢字和字母的字模獲取方式不同。文章中字母的模是直接在μC／GUI所給的C文件中獲取，而漢字的模則是按照事先計(jì)算出的編譯地址讀取存放在外置flash中的字模，最后執(zhí)行畫位圖函數(shù)LCD＿DrawBitmap（）將漢字及字符顯示出來，流程圖如圖6所示。

圖6 字符顯示流程圖Fig.6 Flow chart of character display

其中從μC／GUI和 W25X16取模的過程是這個文件修改的重點(diǎn)，需根據(jù)字符是字母還是漢字選擇用不同的取模方式取模，部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

base＝（U32）pPROP－＞paCharInfo－＞pData；

／／找出字庫對應(yīng)的首地址

BytesPerFont＝GUI＿Context.pAFont－＞YSize＊pProp－＞paCharInfo－＞BytesPerLine；

／／每個字模的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)

if（BytePerFont＞BYTES＿PER＿FONT）

｛ BytesPerFont＝BYTES＿PER＿FONT；｝

if（c＜0x80）／／說明是ASCII編碼字母

｛for（i＝0；i＜16；i＋＋）

｛GUI＿FontDataBuf［i］＝acFont8x16［c－0x20］［i］｝｝

else

｛oft＝base＋ （（（c＞ ＞8）－0xa1）＊94＋（（c＆0xff）－0xa1））＊BytePerFont；

Flash＿Read（oft，GUI＿FontDataBuf，ByteP－erFont）；｝

5.3 外置字庫平臺測試

文章利用字庫生成工具將常用漢字通過串口中斷服務(wù)程序按照GB2312編碼順序存儲到W25X16芯片中，之后在測試程序中調(diào)用GUI＿DispStringAt（）函數(shù)在液晶屏幕上顯示“河南理工大學(xué)HPU”等字樣，字符顯示正常，說明外置字庫順利被調(diào)用。液晶顯示效果如圖7所示。

圖7 液晶顯示效果圖Fig.7 LCD effect picture

6 結(jié) 論

通過將μC／GUI字庫文件存儲于外置spi flash中，在兼顧讀取速度的同時解決了字庫文件過大造成的對MCU存儲空間浪費(fèi)的問題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明外置字庫能被μC／GUI正常調(diào)用和顯示，為嵌入式圖形應(yīng)用提供了一個價格低廉、同時支持中文顯示的開發(fā)平臺。下一步將考慮為常用漢字設(shè)置一個單獨(dú)的緩沖區(qū)，從而進(jìn)一步提高μC／GUI從外置flash中讀取字庫信息的速度，增強(qiáng)μC／GUI中文顯示的能力。

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