μC／GUI在Nios II嵌入式平台上的移植研究

摘要：为了使便携式心电监护仪具有友好的人机交互和方便的显示，移植了一个GUI界面系统。以DE2-70配套开发板为验证平 台，TFTLCD IP核是在QuartusⅡ9．0软件平台下，使用Verilog在FPGA上用硬件逻辑电路进行设计。该IP核是利用QuartusⅡ开发和其集成的 SOPC Builder系统开发工具而设计的。μC／GUI则是在配套开发软件NiosⅡIDE中进行移植实现。实验结果表明，μC／GUI界面系统成功运行在开 发板上，可实现窗口管理、在指定位置显示文字和显示图片等功能。

关键词：μC／GUI；TFT LCD IP；SOPC；移植；NiosⅡ

    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，μC／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。

1．2 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／0S-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。
    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 LCDIP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320x240，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，Nio-sⅡ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 Soume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。

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版本的配套软件，硬件系统在QuartusⅡ集成的 SOPCBuilder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．e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-GUI-BitmapConvert．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。