（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式图形用户界面的研究与实现.pdf

武汉理丁大学硕+ 学位论文 摘要 近年来，随着嵌入式系统应用范围的不断扩大，嵌入式图形用户界面g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 作为嵌入式实时操作系统的重要组成部分，它的重要 性也越来越突出。嵌入式g u i 具有简洁、美观、方便等特点，采用嵌入式g u i 进行人机界面设计能够提高开发效率、节约成本、丰富人机交互信息。因而， 已经被越来越多的领域所采用。 本文以电子点菜系统为项目背景，研究设计了种基于$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器和 嵌入式实时操作系统g c o s i i 的嵌入式图形用户界面g c g u i 应用平台的方案。 首先，介绍了点菜系统的硬件系统的总体设计，硬件接口电路的设计以及硬件 系统的调试这三个硬件设计中的主要方面。对a r m 9 2 0 t 内核的处理器 s 3 c 2 4 1 0 a 的各个功能模块进行研究与设计，充分发挥处理器的强大功能，以确 保硬件接口电路能够正确、稳定的工作。 其次，在软件设计方面，选择了小型的嵌入式实时操作系统g c o s i i 以及 嵌入式图形用户界面软件a c g u i ，为系统的实时性功能提供了保证。先对 g c o s i i 的内核进行分析，也介绍了o , c o s i i 下的同步与通讯机制，进而描述 了嵌入式实时操作系统r t c o s i i 在$ 3 c 2 4 1 0 a 硬件平台上的移植过程。最后， 分析g c g u i 移植的原理及相应的移植代码，详细描述了嵌入式图形用户界面 g c g u i 的移植以及配置过程，同时对几个关键技术进行了研究，如2 一d 图形库 以及汉字的输出等。 通过本课题表明，嵌入式图形用户界面i t c g u i 的应用平台方案完全可行， 合理。与传统的人机交互系统设计相比，是一次全新的尝试。采用该方案具有 节约成本、高可靠性以及功能可扩展等众多优势，极具有应用潜力。 关键词：嵌入式系统，a r m ，g c o s - i i ，i t c g u i ，人机界面 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s w i t ha p p l i c a t i o n o fe m b e d d e d s y s t e m sk e e p i n g e x p a n d i n g ，e m b e d d e dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c eg u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) ，a sa l l i m p o r t a n tc o m p o n e n to fe m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m i ti sb e c o m i n gm o r e a n dm o r ei m p o r t a n t e m b e d d e dg u ih a sc h a r a c t e r i s t i c so ft e r s e n e s s e l e g a n ta n d c o n v e n i e n t w h e l ld e s i g n i n gh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c ew i t he m b e d d e dg u i i tc a n i m p r o v ee m c i e n c y , l o w e rm a i n t e n a n c ec o s ta n de n r i c hi n f o r m a t i o no fh u m a nm a c h i n e i n t e r f a c e t h u s i th a sb e e nu s e di nm o s to ft h ef i e l d i nt h i s t h e s i s ap r o j e c te n t i t l e d e l e c t r o n i co r d e rs y s t e m ”i ss t u d i e d i ti sa n a p p l i c a t i o np l a t f o r mo fe m b e d d e dg u lw h i c hb a s e do ns 3 c 2 4 10 ap r o c e s s o ra n d e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mp c o s i i f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h e d e s i g no fh a r d w a r es y s t e m ，c i r c u i t sa n dp r o c e s so fd e b u g g i n g ，w h i c hc o n s i s to ft h e t h r e em a i na s p e c t so fh a r d w a r ed i s i g n a tt h es a m et i m e ，t h i st h e s i sr e s e r a c h sv a r i o u s f u n c t i o n a lm o d u l e so fs 3 c 2 4 10 ap r o c e s s o rw h i c hb a s e do na r m 9 2 0 ta n de n s u r e t h a tt h eh a r d w a r ei n t e r f a c ec i r c u i t sa r eu n d e rr i g h ta n ds t a b l es t a t u s s e c o n d l y , i nt h ea r e ao fs o f t w a r ed e s i g n e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t t i n gs y s t e m “c o s a n de m b e d d e dg u is o f t w a r e “c g u ia r ec h o s e n t h e ye n s u r et h ef u n t i o no f r e a l t i m eo f s y s t e m w ea n a l y z ec o r ep r o g r a mo fi t c o s i ia n di n t r o d u c e s y n c h r o n i z a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m ，t h e nf o c u so nt h ep r o c e s so f t r a n s p l a n t i n ge m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e ml x c o s i it oh a r d w a r ep l a t f o r m f i n a l l y , w ea n a l y z et h ep r i n c i p l eo ft r a n s p l a n t i n gp r o c e s sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o d e o fi a c g u i ，t h e n c o n f i g u r a t ee m b e d d e dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c eb c g u ia n d i n v e s t i g a t es e v e r a lk e yf a c t o r ss u c ha s2 dg r a p h i c a ll i b r a r ya n dt h eo u t p u to fc h i n e s e c h a r a c t e r se t c t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h i se m b e d d e dg u ib c g u ia p p l i c a t i o n p l a t f o r n li sd e f i n i t e l yf e a s i b l e c o m p a r e dw i t ht h ed e s i g ns c h e m eo ft r a d i t i o n a lh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c es y s t e m t h i sa p p l i c a t i o np l a t f o r mi san e wa t t e m p ta n dh a sn u m e r o u s a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o w e r i n gc o s t s ，h i g hr e l i a b i l i t ya n de x p a n d i n gf u n c t i o n i na l l ，i th a s e x t r e m e l yp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，p c o s - i i ，p c g u i ，h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特j j t l d l ：i 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 引觇8 争导师( 签名) 毅鑫日期。t ” 武汉理：f ：人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景、目的与意义 近年来随着微电子技术的迅速发展，嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) t 1 1 技术已 遍及工业流水线、仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军事装备、通讯产品、 消费类电子产品等众多领域。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基 础，并且软硬件是可裁剪的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有 严格要求的专用计算机系统，并逐渐成为近年来新兴的研究热点。嵌入式系统 产业关联度大，市场前景好，发展嵌入式有利于增强劳动生产率。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关硬件和嵌入式软件系统组成，它是 集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式处理器主要由一个单片机或微 控制器( m e l t ) 组成。相关硬件包括存储介质( r o m 和r a m 等) 、通讯设备、i c 卡或信用卡的读取设备等。嵌入式系统有别于一般的计算机系统，它不具备像 硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。 嵌入式软件包括与硬件相关的底层软件、操作系统、图形界面、通讯协议、数 据库系统和应用软件等。总体看来，嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、 实时性强等特点，可适用于现有任何信息家电和工业控制系统中。 随着嵌入式系统的应用越来越广泛，一个友好的人机界面在嵌入式系统中 的作用也显得越来越重要。它直接影响了使用者对该嵌入式系统的印象和感受。 图形用户界面( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ，简称g u i ) 1 2 1 的使用不但使人机界面的编写 变得容易，也使开发的人机界面更加友好。它极大地方便了用户的使用，人们 不再需要死记硬背大量的命令，而可以直接通过窗口、菜单方便地进行操作。 由于开发用户界面的工作量极大，加上不同用户对界面的要求也不尽相同，因 此，g u i 的设计已成为计算机软件研制中最困难的部分之一。在计算机分支的 嵌入式领域，嵌入式g u i 同样起到用户与设备之问沟通桥梁的作用。随着使用 人群的越发广泛，用户对具有亲和力的嵌入式g u i 系统要求的呼声也越来越高。 但是由于嵌入式系统硬件资源的限制，和一般系统的g u i 相比，嵌入式系统上 的图形用户界面都非常简单，基本达不到平常p c 机上华丽美观的效果。但随着 武汉理r t 大学硕士学位论文 嵌入式图形用户界面技术的发展，新近出现的p a l m 等手持式电脑，或者在 w i n d o w sc e 等面向嵌入式系统的操作系统上，已经可以看到完整的图形用户界 面支持。随着嵌入式设备硬件条件的提高，嵌入式系统对g u i 的需求会越来越 迫切。 考虑到目前国内外对嵌入式系统的研究正处于热潮，而嵌入式图形用户界 面( g u i ) 技术是嵌入式系统中的关键技术之一，是绝大多嵌入式设备必不可少 的部分。一个小型，高效的g u i 系统，在国内嵌入式市场上是极具竞争力的。 所以对嵌入式g u i 系统的深入研究分析，并在此基础上设计，并实现一个小型 的面向嵌入式的图形界面g u i 开发工具集，具有很大的实用价值和深刻的现实 意义。嵌入式系统中的g u i 要求轻型、占用资源少、可根据不同的硬件环境进 行配置、高性能等特点。如今已经出现了一些实用的嵌入式g u i 系统，较为著 名的有q t 库开放商面向嵌入式系统的q t e m b e d d e d ，还有开放源码的项目 m i c r o w i n d o w s 、o p e n g u i 、i x c g u i 等等。在这些嵌入式g u i 系统中，l a c g u i 的源代码是开放的，可以实现w i n d o w s 风格的图形界面，可移植性强且功能强 大，不但可以运行在操作系统中，也可以在单任务系统中运行。 从上面的论述可以看到，研究嵌入式图形用户界面并开发相应的应用程序 具有巨大的市场潜力，具有广泛的应用前景，该项技术的发展与成熟将会给人 们的生产生活带来深远的影响。 1 2 图形用户界面的发展和研究概述 1 2 1 图形用户界面的发展历程与研究现状 图形用户界面( g u i ) 系统在嵌入式系统上的发展，与其在桌面系统的发展 类似，基本上是一个从无到有、从字符界面到使用图形图像交互的过程。早期 的工控系统基本没有用户界面，或者仅仅靠简单的文字信息与用户进行交互。 随着嵌入式技术的发展，近年来消费电子、通信、汽车、工业和军事等领域广 泛采用嵌入式系统。在信息家电、p d a 、s m a r tp h o n e 等众多受欢迎的终端产品 中，也已经可以看到相对成熟的嵌入式g u i 系统。完善的图形用户界面不仅可 以表示丰富的内容，而且具有多种表达方式，已经成为现代终端系统和嵌入式 系统的重要组成部分，也是当今主流的人机界面。 武汉理一i ：人学硕+ 学位论文 近年来，终端系统己经开始广泛采用3 2 位处理器芯片，配置触摸屏、鼠标、 键盘等多种输入设备和液晶屏等图象显示设备，这为g u i 在嵌入式系统上应用 提供了基础硬件平台。因此，嵌入式g u i 系统的发展不但成为可能，而且也是 应用发展的必然要求。众多的丌发厂商面对不同的嵌入式系统而设计的专用g u i 系统的要求也r 渐紧迫。采用一种合适的g u i 系统，往往成为嵌入式产品是否 在市场上获得成功的决定性因素。由于嵌入式设备具有开发周期短的市场行为， 嵌入式厂商多采用较为现成的g u i 产品，这在无形中形成了一个巨大的g u i 系 统软件市场。近年来，国内和国外软硬件厂商均有大手笔进入这个日益膨胀的 领域，纷纷推出各种嵌入式g u i 应用软件，它们的实现方式有以下几种【3 1 ： 1 ) 按照需求开发满足自身特定需要的g u i 系统。这种方法能够设计、实现 符合特定需要的嵌入式g u i ，具有简捷、高效率等特点。在单片机的开发实践 中，这种从底层到顶层全部自行设计的开发方式仍相当常见。但它存在着专用性 强和丌发成本高等缺点，且这种开发方式的规范化和标准化程度低，工作成果复 用性差，难以适应诸如g u i 系统这样具有一定规模和复杂性的应用的需求。每 当用户需求有改变时，都必须重新开发。对于嵌入式系统硬件飞速发展的今天， 这样设计和实现嵌入式g u i 显然是不可行的。 2 ) 将g u i 作为一个软件层从应用程序中剥离，其支持逻辑由应用程序自己 负责。这种方法属于一种临时解决方案，利用这种手段编写的程序，无法将显 示逻辑和数据处理逻辑划分开来，程序结构不便于调试，而且还将导致大量重 复的代码。由于嵌入式系统本身就具有c p u 运算速度不快、内存容量小等缺点， 如果想设计并实现一个简捷、高效的嵌入式g u i ，那么这种方法显然也是不可 行的。 3 ) 设计一个支持大多数常见的g u i 对象的应用编程接口库，使其具有与其 它通用开发工具相类似的调用方法( 如w i n 3 2 ) 的g u i 系统。这种方法将嵌入式 g u i 以应用编程接口库的形式摆在用户面前，使其很快能被具有编程经验的人 员所接受。同时，它还可以根据需求做适当的剪裁，进而转变成如第一种方法 所实现的专用的嵌入式g u i ，也可以根据用户需求对原有的应用编程接口库进 行相应的扩充，适合大多数用户的开发。很多成功的嵌入式g u i 都是通过这种 方式实现的，比如d e l t a g u i 、m i n i g u i 、m i c r o w i n d o w s 等。 国外的嵌入式g u i 系统发展较早，较为著名的有q t 库开放商面向嵌入式 系统的q t e m b e d d e d t 4 1 ，还有丌放源码的项目m i c r o w i n d o w s t 卯、o p e n g u i 、i _ t c g u i 武汉理t 大学硕士学位论文 等等。另外，xw i n d o w 系统的紧缩型版本也有较好的应用。其中，c g u i 是 由m i c r i u m 公司专门针对嵌入式系统开发的一款图形丌发系统。它可以用于任 何适用l c d 图形显示的应用，并为之提供高效的独立于处理器和l c d 控制器 的图形用户接口。它适用于单任务或者多任务系统环境，并适用于任何l c d 控 制器和c p u 下任何尺寸的真实显示和虚拟显示。它的设计架构是模块化的，由 不同的模块中的不同层组成，其中有一个l c d 驱动层，它包含了所有对l c d 的具体图形操作。i t c g u i 很适合大多数的使用黑色白色和彩色l c d 的应用程 序。它有一个很好的颜色管理器，允许它处理灰阶。 在国内的软件领域中，最为成功的当属m i n i g u i 【6 1 。它是一套基于l i n u x 操 作系统的轻量级图形用户界面支持系统，可以为应用程序定义一组轻量级的窗 口和图形设备接口。m i n i g u i 和m i c r o w i n d o w s 均为自由软件，只是前者遵循 l g p l 条款，后者遵循m p l 条款。这两个系统的技术路线也有所不同，m i n i g u i 的策略是首先建立在比较成熟的图形引擎之上，比如s v g a l i b 和l i b g g i ，开发的 重点在于窗口系统、图形接口之上，而m i c r o w i n d o w s 目f j i 的开发重点则在底层 的图形引擎之上，窗口和图形接口方面的功能还比较欠缺。例如，m i n i g u i 有一 套用来支持多字符集和多编码的函数接口，可以支持各种常见的字符集，包括 b i g 5 、g b 、u n i c o d e 等，而m i c r o w i n d o w s 在多字符集的支持上还没有统一 得接口。随着m i n i g u i 的不断完善，它也逐渐得到了多数用户的认可。在计算 机数控系统、销售终端以及其它工业领域中得到了广泛的应用。 当前嵌入式系统在国内快速发展，但嵌入式g u i 的发展却相对缓慢，影响 了嵌入式设备的推广和应用。随着嵌入式产品市场的不断扩大，对不同的嵌入 式系统设计专用的g u i 系统的要求也日渐紧迫。 1 2 2 图形用户界面的发展趋势 随着多媒体技术、科学计算可视化及虚拟现实的高速发展，新的人机交互 技术不断出现，更加自然的交互方式逐渐为人们所重视。新一代人机交互技术 的主要特征描述如下： 1 ) 以用户为中心 以用户对界面的需求变化为出发点，使用户界面的外在形式和内部机制能 符合不同用户的需要，这就是以用户为中心的设计理念。非特定人的连续语音 4 武汉理t 大学硕士学位论文 识别技术使计算机能够理解人们的要求，将成为重要的输入方式。鱼眼( f i s h e y e ) 技术使屏幕观察( 或光标) 位置附近的内容被放大，便于用户观察。在传统的人 机系统中，人被认为是操作者，人去适应机器，但无主动控制能力。而在虚拟 现实系统中，人才是主动的参与者，机器将对人的各种动作做出反应。 2 ) 多通道 多通道( m u l t i m o d a l i t y ) 界面旨在充分利用一个以上的感觉通道和运动通道 的互补特性来捕捉用户的意向，从而增进人机交互中的自然性。人的感觉通道 有视觉、听觉、触觉、嗅觉和平衡等，人的运动通道有手、嘴、眼、头、足及 身体等。若将听、说和手、眼等协同动作，采用多通道方式进行交互，可以实 现高效的人机通信，也可以由人或机器选择最佳反应通道，从而不会使某一通 道负担过重。 3 ) 高带宽 现在计算机输出的内容已经可以快速、连续地显示出彩色图像，其信息量 非常之大。而人们的输入却还是使用键盘一个又个地敲击，因而，计算机的 输入带宽是很低的。新一代的用户界面应该支持高的输入带宽，令用户能够快 速且大批量地输入信息。语音、图像及姿势等的输入形式都将是今后的发展方 向。 4 ) 智能化 精确交互技术指的是能用一种技术来完全说明用户交互目的的交互方式， 而如今，键盘和鼠标等设备均需用户的精确输入。而人们的动作或思想往往并 不是很精确，因此计算机应该理解人的要求，甚至于纠j 下人的错误，智能化的 界面就是一个重要方向。 5 ) 不限制地点 目前，计算机主要是在办公室、实验室或家庭中使用，人们面对着计算机 屏幕进行操作，这种操作方式限制了计算机的应用。虽然现在已经可以用遥控 器代替部分动作，但仍旧不太方便。在将来，如果可以采用语音输入输出或其 他计算机视觉( 摄像输入) 技术，就可不受地点的限制操作计算机。 6 ) 图示编程 图形用户界面的编程是很费时的工作，而采用图示编程即( v i s u a l p r o g r a m m i n g ) 则比较简单和直观。现在有些多媒体制作工具，如a u t h o w a r e p r o f e s s i o n a l 、i c o na u t h o r 等，采用图示方法设计多媒体文档脚本，以便于交互 武汉理ji ：大学硕十学位论文 修改、控制时间关系。新一代的用户界面也应尽可能多地提供图示化的开发工 具，缩短相应的丌发周期。 1 3 本课题的研究内容 本课题重点讨论嵌入式图形用户界面l a c g u i 的开发流程以及开发平台的 设计思想。本课题的主要研究内容如下： 1 ) 在以$ 3 c 2 4 1 0 a 为微控制器的系统硬件平台上移植g c o s i i 操作系统。 以i a c o s i i 操作系统作为系统软件的基础，设计基于g c o s i i 操作系统的多任 务应用平台软件，协调整个系统的软硬件资源，使系统更高效、稳定的运行，更好 的进行人机交互，方便操作和使用。 2 ) 嵌入式图形用户界面g c g u i 的开发流程。通过对嵌入式图形用户界面 i t c g u i 配置需求的分析，从系统可裁减性的角度划定嵌入式g u i 的功能子系统 及其交互关系，从系统可移植性的角度设计嵌入式g u i 的层次体系结构。在此基 础上，研究了嵌入式图形用户界面i t c g u i 的开发流程，包括图形子系统，事件子 系统和对象子系统的设计，归纳出基于i t c g u i 开发应用程序的一般步骤。 3 ) 开发平台的设计思想。在基于嵌入式i t c g u i 的基础上，在p c 机上编制 一个界面操作简便、直观且直接面向最终用户的点菜系统界面。它使不熟悉软 件开发过程，但了解点菜操作过程的用户无需进行代码编程，直接根据各自的需 要，在系统所提供的模板上，通过按键进行选择和设置。 4 ) 研究了嵌入式图形用户界面p , c g u i 开发平台实现过程中的几项关键技 术。如图形用户界面的2 d 图形库、位图转换器、汉字的输出等。 论文将分成七个章节来详细论述上面部分的内容。这七章分别为： 第一章主要介绍课题的研究背景、目的与意义，课题的国内外研究现状及 本文研究的主要工作及内容安排。 第二章主要介绍系统的设计目标和总体方案、系统软硬件划分以及相互联 系等。 第三章主要论述硬件平台的设计与实现。包括各个模块的具体实现方案、 系统各个接口的定义与模块间的通信等。 第四章介绍i , t c o s i i 实时操作系统在$ 3 c 2 4 1 0 a 上的移植。 第五章介绍嵌入式图形用户界面i t c g u i 的移植与实现，详细讨论了各个软 武汉理丁大学硕士学位论文 件模块的组成、结构以及实现方法。 第六章重要介绍嵌入式图形用户界面开发平台的具体实现，介绍了几种 g c g u i 的关键技术，包括颜色的输出、位图的显示以及汉字的显示等输出的实 现，最终实现点菜系统界面的编制。 第七章给出本文的结论与展望，并提出了对该嵌入式g u i 实现方案的改进 建议。 武汉理：l 人学硕十学位论文 第2 章系统的总体方案设计 2 1 系统背景介绍 随着餐饮业竞争的f 1 趋白热化，竞争范围已经从原先的经营规模，商品价 格等硬件因素渐渐扩大到经营策略、服务质量、管理效率等软件因素上来了。 这就使得经营决策者对与企业软环境的档次有了一个更高要求。点菜系统j 下是 致力于在软环境上帮助企业提高档次，把全方位的信息化管理真正意义上的融 入到企业的r 常管理中去。 点菜系统使用极其简单，服务员手持手掌大小的掌上电脑来到客人台前或 客人包房内，在掌上电脑上做点击或书写等操作，即可通过代码输入、分类选 择等方式快捷地将客人所需要的相关菜谱显示出来，顾客选定后掌上电脑即生 成菜单并算出消费金额。客人确认后，点菜操作即完成。此时，服务员只需点 击一下掌上电脑的发送键，客人的菜单瞬间即被传送到收银管理系统中，由系 统的电脑发出指令给设在厨房等处的打印机并打印出相应的菜单，厨师按单做 菜。与此同时，收银台也打印出一张同样的菜单放在客人桌上，以备客人查询 以及作结帐凭椐，真正做到使客人明明白白消费。 本课题所研究的就是，通过使用p c g u i ，开发人员可以在嵌入式硬件平台 上显示出台式机一样的图形界面效果，最终完成一个电子点菜系统的设计。本 论文为该系统的设计提出了一种嵌入式图形用户界面的解决方案，首先设计系 统硬件平台，包括c p u 、存储器及外围设备的电路设计。然后，对系统软件平 台进行设计，包括嵌入式实时操作系统g c o s i i 及嵌入式图形用户界面g c g u i 的移植，最后完成电子点菜系统的图形显示系统的软件部分设计。 2 2 系统功能需求分析 本文所要设计的电子点菜系统采用了一种嵌入式图形用户界面解决方案， 系统的设计过程可以分为三个阶段：分析阶段、设计阶段和实现阶段。分析阶段 是确定要解决的问题及需要完成的目标，也就是“需求分析阶段”。设计阶段主 要是解决如何在给定的约束条件下完成设计的要求。实现阶段主要是解决如何 武汉理工人学硕+ 学位论文 在所选择的硬件和软件的基础上进行整个软、硬件系统的协调实现。 电子点菜系统其实就是一个典型的人机界面，它取代了传统的由指示灯、 按钮等组成的控制面板，提供一个友好的人机交互接口。一般来说，它集成了 液晶显示屏、触摸面板、控制单元、数据存储单元等，具备操作控制、状态监 控、数据存储、网络通讯、视频监控等功能。具体的需求如下： 1 ) 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制系统运行的硬件单元。它的范 围非常广阔，从最初的4 位处理器、目前仍在大规模应用的8 位单片机，到最 新的备受青睐的3 2 位、6 4 位嵌入处理器。不同的处理器有着不同的功能和优势。 总体来说，低成本、低功耗、高性能是目前嵌入式系统应用的共同要求。 2 ) 存储器 存储器的类型将决定整个嵌入式系统的操作和性能，因此存储器的选择是 非常重要的。无论系统是采用电池供电还是由市电供电，应用需求将决定存储 器的类型( 易失性或非易失性) 以及使用目的( 存储代码、数据或者两者兼有) 。 另外，为嵌入式系统选择存储器类型时，需要考虑一些设计参数，包括微控制 器的选择、电压范围、电池寿命、读写速度、存储器尺寸、存储器的特性、擦 除写入的耐久性以及系统总成本。本设计需要考虑容量大，性能稳定且低成本 的器件，当前嵌入式系统使用的主流存储器件s r a m 、s d r a m 及f l a s hr o m 都符合此需求。 3 ) 通讯接口 为了保证系统界面完整的功能性和良好的连通性，必须为其配备适合需要 的各种接口，以提供多种与底层设备通讯的方式。如r s 2 3 2 、u s b 等接口。 4 ) 显示部分 这部分作为人机交互的接口，已经成为本次设计的电子点菜系中非常重要 的组成部分。 5 ) j t a g 调试接口 j t a g 接口作为系统调试的接口，可以通过它下载程序或进行在线调试，是 系统中不可缺少的一部分。j t a g 编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯 片进行预编程再装到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上， 再用j t a g 编程，从而大大加快工程进度。 武汉理【：人学硕十学位论文 2 3 系统总体方案设计 本文设计的电子点菜系统的界面由硬件部分和软件部分组成。硬件平台的 设计与调试，是点菜系统软件部分得以实现的基础。点菜系统具体的开发流程 框图如图2 - 1 所示。 进行硬件平台设计与调试 弋，7 移植p c 。s - i i ，7 嵌入式图形用户界面g c g u i 的 移植与配置 ，7 进行应用程序的开发 图2 1 开发流程框图 根据系统功能需求分析，硬件部分必须首先满足系统软件和应用程序运行 时的资源要求，包括处理器的速度、存储空间和运行空间等。其次，还必须提 供丰富的接口，包括程序下载的接口、人机界面与底层设备以及与以太网的通 讯接口等。 系统界面的软件部分可以分为操作系统和应用软件两个部分。一般现在的 嵌入式操作系统都要经过适当的裁剪和移植，使得嵌入式操作系统能够适应系 统的软件环境需要。应用软件主要包括两个部分，第一部分用来实现电子点菜 系统界面上的图形显示。第二部分则是嵌入式g u i 中的用户程序，即按照用户 需求而设计的应用程序。 2 4 系统硬件平台的选择 l o 武汉理l ：人学硕十学位论文 嵌入式硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。在一个系统中使用什 么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需要、成本以及开发 的难易程度等因素。当前，嵌入式系统设计的方案主要有以下几种- 首先，是基于单片机的嵌入式系统。它是以单片机( m c u ) 为核心进行外 部扩展，实现特定系统功能。基于单片机的嵌入式系统具有相对固定的硬件组 成，但是单片机所能够集成的外设相对有限，降低了开发的灵活性。另一方面， 单片机的指令结构相对固定，没有为特殊应用提供的高效指令，在一定程度上 降低了整个嵌入式系统的效率。 其次，是a r m 嵌入式系统。如今的嵌入式系统大多采用了内含a r m 的3 2 位处理器核的器件，由这些器件构成的嵌入式系统有很强的功能，为了使系统 更为完备，功能更为强大，对更多任务的完成具有更好的适应性，通常必须为 此处理器配置很多接口器件，方能构成个完整的应用系统。例如，配置常规 的s r a m ，s d r a m ，f l a s h ，再配置串行通讯接口、u s b 接口、网络通讯接口 等等，这样就增加了整个系统的完整性t 7 1 。 通过对上述两种嵌入式系统设计的方案分析可知，当前以单片机为主构成 的嵌入式系统存在着工作效率低、升级难度大，开发周期长等一系列问题。基 于这些方面的考虑，本文在设计中提出了一种基于a r m 处理器构建嵌入式图形 用户界面硬件平台的方案。 本文所设计的电子点菜系统的硬件平台，选择s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 a 为微控制器。$ 3 c 2 4 1 0 a 是基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 处理器。a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供了最佳性能，主要特点有：5 级整 数流水线，执行效率更高；提供了1 1 m i p s m h z 的哈佛结构；支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集；支持3 2 位的高速a m b a 总线接口；全性能的 m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、g c o s i i 等多种主流嵌入式操作系统；支持 数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 电子点菜系统的硬件设计框图如图2 2 所示。 武汉理+ r 大学硕士学位论文 图2 2 电子点菜系统的硬件设计框图 2 5 实时操作系统的选择 2 5 1 在嵌入式系统中使用操作系统的必要性 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式 系统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱 动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理复杂的系统资 源，能够把硬件虚拟化等等。另外，与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统 在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面 具有较为突出的优势。嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越 广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。 首先，嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。在控制系统中，出于安 全方面的考虑，要求系统不能崩溃，而且还要有自愈能力。在实时操作系统中， 干扰可能只是引起若干进程中的一个被破坏，可以通过系统监控进程对其进行 修复。通常情况下，这个系统监视进程用来监视各个进程的运行情况，遇到异 1 2 武汉理t 人学硕+ 学位论文 常时采取一些利于系统稳定可靠的措施，把有问题的任务清除掉。 其次，提高了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统环境下， 开发一个复杂的应用程序，通常可以按照软件工程中的原则将整个程序分解为 多个任务模块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。商业软件一 般都提供了良好的多任务调试环境。 再次，嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位处理器的多任务潜力。3 2 位 c p u 比8 位或1 6 位c p u 快，另外它本就是为运行多用户、多任务操作系统而 设计的，特别适于运行多任务实时系统。 2 5 2 嵌入式操作系统的种类 嵌入式实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。对于基于优先级 的系统而言，可抢占型实时操作系统是指内核可以抢占正在运行任务的c p u 使 用权，并将使用权交给进入就绪态的优先级更高的任务。简单的说，就是内核抢 了c p u 让别的任务运行。不可抢占型实时操作系统则使用某种算法并决定让某 个任务运行后，就把c p u 的控制权完全交给了该任务，直到它主动将c p u 控制 权还回来。 可抢占型实时操作系统的实时性好，优先级高的任务只要具备了运行的条 件，或者进入了就绪态，就可以立即运行。也就是说，除了优先级最高的任务， 其他任务在运行过程中都可能随时被比它优先级高的任务中断，让后者运行。 通过这种方式的任务调度保证了系统的实时性，但是，如果任务之间抢占c p u 控制权处理不好，就会产生系统崩溃、死机等严重后果【8 】。 2 5 3g c o s - i i 的特点 本文所选择的嵌入式实时操作系统是p c o s i i ，主要有以下几个原因： 1 ) 公开源代码 g c o s i i 的源代码全部公开，并且可以从有关资料上找到详尽的源代码讲 解和注释。这样就使得系统变得更为透明，很容易就能把g c o s i i 移植到各个 不同的硬件平台上。 2 ) 可移植性 只要该微处理器有堆栈指针，有c p u 内部寄存器入栈、出栈指令，就可以 武汉理l 大学硕+ 学位论文 移植g c o s i i 。另外，i t c o s i i 绝大部分源代码是用a n s ic 写的，而与处理 器相关的部分代码是用汇编语言写的，已经压到最低限度，因此它的可移植性 较强。 3 ) 可裁剪 可以只使用g c o s i i 中应用程序需要的那些系统服务。也就是说，某些产 品可以只使用很少几个g c o s i i 功能，而另一个产品则使用了几乎所有 p c o s i i 的功能，这样可以减少产品中的i t c o s i i 所需要的存储空间( r a m 和 r o m ) 。这种可剪裁性是靠条件编译实现的。只要用户在应用程序中用# d e f i n e 语句定义那些g c o s i i 中的功能是应用程序需要的就可以了。 4 ) 多任务 g c o s i i 最多可以管理6 4 个任务，目前的版本保留8 个给系统。因此，应 用程序最多可以有5 6 个任务，赋予每个任务的优先级必须是不同的，这也就意 味着g c o s i i 不支持时间片轮转调度法。 5 ) 抢占式 g c o s i i 是抢占式的实时内核，因此它总是运行在就绪条件下优先级最高 的任务，即已经准备就绪的高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务的 c p u 使用权。 6 ) 任务栈 每个任务都有单独的堆栈，t t c o s i i 允许每个任务有不同的栈空间。使用 j t c o s i i 的栈空间校验函数，可以确定每个任务所需要的栈空间。 7 ) 系统服务 g c o s i i 由多个相对独立的目标模块组成，这些模块有：任务管理、时间管 理、任务间的通信和同步、内存管理。其中，任务管理提供建立任务、删除任 务、请求删除任务、任务的堆栈检查、改变任务的优先级、挂起任务、恢复任 务和任务信息查询的系统调用。时间管理负责提供任务延时、取消任务延时和 查询系统时间的系统调用。任务间通信与同步提供基于信号量、邮箱和消息队 列机制的系统调用。内存管理提供内存分区的建立、分配、释放和查询的系统 调用。 8 ) 中断管理 中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务被该中断唤 醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数最高可 1 4 武汉理工大学硕七学位论文 达2 5 5 层。 2 6 嵌入式图形用户界面的选择 2 6 1 嵌入式图形用户界面的基本特征 到目前为止，虽然还没有对图形用户界面这一概念形成一个严格的定义， 但图形用户界面的一些主要的基本特性已逐步被人们接受。 1 ) 采用图形标识 图形用户界面采用的是文字结合位图显示技术，用户对应用程序的控制主 要是通过操纵显示在屏幕上的图形对象来完成的，这些图形对象( 如窗口、菜单、 按钮等) 都是软件控制下的位映象图形。 2 ) 人机接口友好 应用程序驱动采用了事件驱动方式，由用户通过图形用户界面引入的输入 设备来移动光标或点触图形对象，实现对应用程序的直接操纵，它体现了人在 控制应用程序运行中的中心地位 g j 。 3 ) 界厩定制 图形用户界面一方面提供了可视的( 如窗口、滚动条等) 和不可视的( 如屏 幕、颜色、字体等) 界面对象，另一方面又允许用户根据需要对应用程序的界面 进行剪裁和定制，如移动、缩小或放大窗口、设置颜色等。 4 ) 信息反馈 图形用户界面的帮助机制能为用户操作界面提供导航，而它的保护机制又 为系统的可靠运行提供容错排错，这两者都有大量的信息反馈。 5 ) 界面一致 图形用户界面系统作为一个完整的运行环境，应该提供一个不依赖于具体 问题的界面设计标准，使得在该环境下运行的各种应用程序的界面风格及与用 户交互的方式都具有良好的一致性。 由于嵌入式系统的资源有限，所以，在实际应用中嵌入式系统对图形用户 界面要求轻型、占用资源少、高性能、高可靠性且可配置即可。 2 6 2 几种主流的g u i 武汉理工大学硕十学位论文 m i n i g u i m i n i g u i 由原清华大学教师魏永明先生开发，是中国人做得较好的自由软件 之一。它是一种面向嵌入式系统或者实时系统的图形用户界面支持系统，主要 运行于l i n u x 控制台。实际上，m i n i g u i 也可以运行在任何一种具有p o s i x 线 程支持的