μC/GUI在NiosⅡ嵌入式平台上的移植研究

汪廷华，夏 斌，杨文璐，秦振华

（上海海事大学 信息工程学院，上海 200135）

便携式医疗监护仪已成为人们日常生活中不可缺少的一部分。便携式设备是由硬件与软件紧凑组合的一个单元模块，是一种体积小、智能化程度高、功能全、使用灵活、操作方便的便携机，适合家庭使用、外出携带等用途。为了使便携式心电监护仪实现友好的人机交互和更加方便的显示，这里提出一种GUI界面系统设计，就是在基于NiosⅡ处理器的嵌入式平台上实现μC/GUI的移植，使之实现系统功能。

1 μC/GUI的系统移植

1.1 μC/GUI简介及可移植性分析

μC/GUI是Micrium公司开发的通用的嵌入式图形用户界面软件，其中图形用户接口GUI（Graphical User Interface）。该界面软件被设计用于为任何使用一个图形LCD的应用提供一个有效的不依赖于处理器和LCD控制器的图形用户接口。它能工作于单任务或多任务的系统环境下。μC/GUI适用于使用任何LCD控制器和CPU的任何尺寸的物理和虚拟显示，具有源代码开放及模块化设计的特点。

μC/GUI的代码全部用ANSI的C语言编写的，具有很强的移植性。由于μC/GUI采用分层结构，即具有驱动接口层和应用层，因此可方便地移植到各种CPU下使用。μC/GUI对各类图像LCD显示器具有良好的支持，并且有常见的2D图形库和窗口管理功能，而且消耗较少的系统资源，占用RAM和ROM的空间很小。在典型的应用中，μG/GUI需要的资源如表1所示。由表1可见，运行μC/GUI需要的系统资源不是很多，并支持几乎所有类型的CPU与大多数的LCD模块，μC/GUI的源代码规模适中，移植过程中可将不需要的代码进行剔除，而且结构层次清晰，因此适合用于嵌入式系统中[1]。

1.2 μC/GUI移植原理

嵌入式用户图形界面系统μC/GUI与嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ都是美国Micrium公司产品，μC/GUI能更轻易地在μC/OS-Ⅱ上应用，实现与μC/OS-Ⅱ的无缝结合。在NiosⅡ嵌入式系统中，Altera公司已经将μC/OS-Ⅱ操作系统移植成功并且提供使用，所做的工作是将μC/GUI移植到NiosⅡ嵌入式平台之上，使其能与μC/OS-Ⅱ操作系统结合使用，采用μC/GUI 3.98版本的源代码进行移植。

表1 μC/GUI所需资源情况Tab.1 Resource requirements of μC/GUI

μC/GUI的软件体系结构如图1所示，μC/GUI函数库为用户程序提供GUI接口，包含的函数有文本、数值、二维图形、输入设备以及各种窗口对象。其中，输入设备可以是键盘、鼠标或触摸屏;二维图形包括图片、直线、多边形、圆、椭圆、圆弧等;窗口对象包括按钮、编辑框、进度条、复选框等。

μC/GUI函数库可以通过GUIConf.h文件进行配置，包括内存设备，窗口管理器，支持操作系统、触摸屏，以及配置动态内存的大小等。在移植中，需要根据系统需要以外设所支持的功能对GUIConf.h文件进行配置。

在LCDConf.h文件中定义了与硬件有关的各种属性，如液晶的大小、颜色以及与液晶的接口函数。而LCD驱动文件则负责把μC/GUI的各种函数解释成LCDConf.h文件定义的液晶接口函数，这个文件与具体的硬件连接无关。在移植时，需要对LCDConf.h文件进行配置，并针对LCD控制器编写相应的LCD驱动文件。

2 μC/GUI在NiosⅡ上的移植设计

2.1 TFT LCD IP核结构

μC/GUI的移植是基于IP核的移植，编写TFT LCD控制器，所以移植时，在底层配置文件，参数的配置要和TFT LCD IP的相关参数相匹配，否则不可能移植成功，该IP核的结构如图2所示。

液晶屏采用台湾统宝公司的TRDB_LCM 3.6寸屏，该屏的分辨率是320×240，支持24位色，也就是RGB888模式，但是由于Avalon总线支持传输数据宽度的差异，因此只用16位色，即RGB为565的模式。由于DE2-70有2个32 MB的SDRAM，所以拿使用其中一块作为数据的存储器，NiosⅡ处理器将图像数据写入该SDRAM中，在NiosⅡIDE中用软件控制缓冲器的开启，当开启缓冲器之后，该BUFFER会源源不断地读取SDRAM中的数据，为避免读数据和NiosⅡ处理器向其中写入数据时发生冲突，Avalon总线自动在二者之间加入了一个Arbitrator仲裁模块来决定执行哪个操作。

配置LCD采用3线串行总线配置LCD，缓冲器以Avalon存储器映像主机的方式从SDRAM中读取数据，然后以Avalon Streaming Source的方式把这些数据传送到LCD控制器上，LCD控制器是以Avalon Streaming Sink[2-5]的方式接收从缓冲器传来的数据，LCD控制器生成时序，在适当时候将数据送出到TFT LCD屏上显示。

2.2 移植过程

2.2.1 μC/GUI的文件组织结构

μC/GUI是以 ANSI C源码包的形式提供的。源码包由配置文件目录（Config）和库函数目录（GUI）2个文件目录组成。在Config目录中包含了LCDConf.h、GUITouchConf.h、GUIConf.h 3个配置文件，这3个文件分别用于LCD底层接口的配置、触摸屏底层接口的配置以及μC/GUI自身的配置。在GUI目录中的库函数文件按照不同功能又分成若干子目录如图3所示，各子目录所实现的功能如表2所示。

表2 各目录文件所实现的功能Tab.2 Functions achieved by catalog files

2.2.2 移植过程

首先建立一个硬件系统，采用Altera公司的QuartusⅡ9.0版本[6]的配套软件，硬件系统在QuartusⅡ集成的SOPC Builder系统开发工具中建立，添加NiosⅡ处理、JTAG调试模块、添加定时器SDRAM控制器、BUFFER IP、TFT LCD IP以及其他部分组件，最后生成一个硬件系统。然后在NiosⅡIDE环境下针对该系统建立一个TFT LCD软件工程，并且将μC/GUI有关的源代码拷贝到工程目录下，修改LCDConf.h、GUIConf.h、LCDLin32.c以及 GUI_X_uCOS.c文件，使之与LCD控制相匹配，在该系统中，LCD采用16位数据总线，而CPU是32位的NiosⅡ软核处理器，先查看一下μC/GUI所支持的数据宽度信息，其数据宽度和NiosⅡ处理器所支持的宽度基本吻合，只要在改动代码时注意就可以。以下是具体的代码实现情况：

因为这里是基于TFT LCD IP核的移植，所以要定义LCD 的读写函数，即 LCD_READ_MEM（Off）和 LCD_WRITE_MEM（Off，data）以及显示缓存区的起始位置，读写函数中的Off和data都是32位的无符号数，而操作函数IORD_32DIRECT（）以及 IOWR_32DIRECT（）都是一次执行 32位数的操作，刚好和NiosⅡ处理器的数据宽度相匹配。由于支持μC/OS-Ⅱ操作系统，所以要对GUI_X_uCOS.c文件进行修改，增加系统延时函数OSTimeDly（1），使之能与μC/OSⅡ操作系统实现无缝衔接，以及3个子函数，void GUI_X_Log（const char*s）{GUI_USE_PARA （s）;}；void GUI_X_Warn（const char*s）{GUI_USE_PARA（s）;}；void GUI_X_ErrorOut（const char*s）{GUI_USE_PARA（s）;}；LCDLin32.c 是 对 应3200型号控制器的驱动文件，由于在LCDConf.h中已经对用到的参量进行设置，所以无需修改，剩下的工作就是把不用的文件进行剔除，以减少编译时产生多余的代码量。

3 移植验证

在NiosⅡIDE环境下修改配置文件以及驱动文件，然后编译该系统，系统编译成功，编译成功之后还有MICRIUM公司的联系方式，这个是提醒用户该系列软件如果要用于商业目的是需要买license的，用于研究目的是免费的。

图片验证是采用μC/GUI自带的位图转换工具uC-GUIBitmapConvert.exe，该工具可以将.bmp格式图片转换成指定的C语言数组的形式保存，例如将兰博基尼跑车标志的图片转换成RGB565的格式进行保存，加入工程，编译工程，然后下载验证，如图4所示。窗口管理组件验证采用代码包中自带的一个测试代码，其效果如图5所示。实验结果表明，移植是成功的。

4 结 论

本文介绍了μC/GUI界面系统，以及NiosⅡ嵌入式系统，详细介绍了移植的过程，以及最终实现移植。实验结果表明，在嵌入式系统中使用μC/GUI进行人机界面的开发，不但移植简单、使用灵活，而且功能强大，稳定高效，大大降低了在嵌入式系统中开发图形人机界面的复杂程度，而且μC/GUI还提供了几个非常实用的工具软件，其中包括一个仿真器，它使得在进行移植工作的同时，就可以在仿真器上进行软件界面部分的程序编写，加快了整个系统的开发进度。还有位图转换工具，可以轻松地将图片转换成C语言数组的形式保存，方便界面开发。μC/GUI还支持其他PS2鼠标、PS2键盘、触摸屏，包含丰富的绘图库、动画显示优化、还可以自己加入中文字体，通过使用μC/GUI的各项功能，相信可以在嵌入式系统中开发出功能强大的人机界面，而且在嵌入式系统中有很好的应用前景。

[1]Micrium Corporation.μC/GUI embedded graphical user interface.[EB/OL].（2009-08-16）[2010-03-16].http://micrium.com/page/products/rtos/gui.

[2]张磊，江海河，储焰南.基于 μC/OS-Ⅱ的嵌入式GUI研究与应用[J].微计算机信息，2008（17）：50-52.ZHANG Lei，JIANG Hai-he，CHU Yan-nan.Research and implementation of embedded GUI system based on μC/OSⅡ[J].Micro Computer Information，2008（17）:50-52.

[3]Altera Corporation.Avalon interface specifications datasheet.[EB/OL].（2009-04-01）[2010-03-16].http://www.altera.com/literature/manual/mnl_avalon_spec.pdf.

[4]王刚，张潋.基于FPGA的SOPC嵌入式系统设计与典型实例[M].北京：电子工业出版社，2009.

[5]赵威威，黄荣志.LCD控制器的设计和实现[J].微计算机信息，2007，23（3-2）:294-295.ZHAO Wei-wei，HUANG Rong-zhi.The design and realization of LCD controller[J].Micro Computer Information，2007，23（3-2）:294-295.

[6]Altera Corporation.NiosⅡprocessor reference handbook datasheet[EB/OL].（2009-04-01）[2010-03-16].http://www.altera.com/literature/hb/nios2/n2cpu_nⅡ5v1.pdf.