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1引言
大多数嵌入式系统，仅提供几个按键和像素点较少的LCD，同时处理器运算能力有限（如8/16位单片机），不宜运行商用的GUI图形库（如uC/GUI、miniGUI、QT等），但仍然得为用户提供GUI功能。一个具有代表的硬件平台如下，提供6个输入按键：上移、下移、左移、右移、确定和取消；有一LCD，不限制物理尺寸与像素点数。本文描述一种基于上述硬件平台的实现简单的GUI设计原理，它提供窗口系统因此具备较好地显示效果。
2硬件设计
一般LCD显示模块包括三部分：控制器、驱动器和液晶显示屏，同时提供外部引脚供嵌入式处理器连接。以TRULY公司LCD显示模块MST-G320240DBSW-75W-E为例，它的控制器为RA8835，模块的引脚定义如下表1。[1]
表1 LCD引脚示例
硬件设计需要将LCD模块引脚正确连接到处理器控制引脚上。对于大部分单片机来说，将LCD模块引脚连接到普通I/O口是比较好的选择，如图1显示了AT89S52微处理器连接20引脚的LCD模块的原理图。
图1 MCU的I/O连接LCD模块
另一种高级接线方式是将它连接到Asynchronous Memory接口（如果处理器具备），这样一来操作LCD就像访问普通的存储器（如FLASH）一样，极大提供便利性，如图2所示。
图2 ASYNC MEMORY连接LCD模块
3 LCD驱动
LCD控制器是LCD模块的核心，驱动一个LCD模块本质就是对LCD控制器写一系列指令的过程。[2]
图3总线时序
图3是LCD控制器RA8835的总线时序。对于普通I/O口连接LCD的方式，驱动程序需要对相应引脚按顺序产生高低电平，如下代码所示：（省略对引脚宏定义的语句）
void lcd_cmdwrite(unsigned char cmd)
{
LCD_CS = 0; /* Enable access LCD */
LCD_CD = 1; /* 0=Data; 1=Command */
LCD_WR = 0; /* Enable write */
LCD_RD = 1; /* Insure read signal is invalid */
LCM_DATA = cmd; /* Put command value into port */
LCD_WR = 1; /* Disable Write */
LCD_CS = 1; /* Disable access LCD */
}
如果嵌入式处理器的Asynchronous Memory接口连接到LCD总线，需要设置该接口的延时时间，以便于符合图3中LCD的总线时序，然后驱动将会简化成写外设内存。针对图2中接线，写LCD命令寄存器的驱动代码如下：
#define LCD_START_ADDR 0x20100000 /* BANK1 */
#define LCD_DATA_ADDR (LCD_START_ADDR) /* Data */
#define LCD_REG_ADDR (LCD_START_ADDR+2) /* CMD */
#define p_wLcdDataAddr ((REG16*)LCD_DATA_ADDR)
#define p_wLcdRegAddr ((REG16*)LCD_REG_ADDR)
#define WR_LCD_REG(wRegVal) *p_wLcdRegAddr = wRegVal;
LCD控制器指令一般组织成寄存器格式：寄存器名+数值。仍以上例为参考，控制器RA8835设置光标地址的指令为：寄存器名（CSRW）0x46，数值为2个字节（光标位置）。其中寄存器名写入指令输入缓冲器内（即A0=1），数值写入数据输入缓冲器内（即A0=0）。
在一个LCD上绘制任何图形或文件的基础是绘制像素点，因此首先需要实现的功能是操作像素点。操作一个像素点的接口是：X坐标、Y坐标和动作（点亮或擦除），算法如下：
1. 根据X坐标和Y坐标组合成LCD光标值并写入LCD控制器；
2. 从LCD控制器中读取当前光标下RAM数值；
3. 根据动作（点亮或擦除）修改RAM数值对应像素BIT值；
4. 再次将光标值写入LCD控制器（读RAM导致该光标已移动）；
5. 将修改后数值写入LCD控制器的RAM区。
一旦完成像素操作就可以施展一些高级绘制动作：文字、图片、几何图形等。
4 GUI软件框架
图4显示了本GUI设计的软件层次，引入分层会带来很多好处：[3]
降低复杂度每一层只专注自己需要实现的功能，实现高内聚；
提高可移植性不管更换处理器还是LCD只需要修改底层部分；
改善性能使用高效算法来优化性能只需要修改一处。
图4 GUI软件层次
对于轻量级嵌入式GUI来说，窗口是十分重要的图形载体，嵌入式GUI一般一个屏幕仅容纳一个窗口，当前正在显示的窗口即为活跃窗口，其它均为睡眠窗口。因此窗口有2种状态：
活跃期：处理消息，响应动作，如获取实时数据并刷新屏幕等；
睡眠期：不响应外部消息，释放资源，如硬件和软件实体等；
从逻辑上把窗口系统分成2层：窗口服务器和客户端，如图5所示。外部消息（用户按键、数据更新等）首先传递给窗口服务器，然后服务器把消息传发给当前活跃窗口，活跃窗口根据消息类别进行相应处理；另外，活跃窗口也可以向服务器发出请求，如切换窗口等。
图5窗口服务器与客户端
在GUI设计中消息是各种对象通信的重要机制，窗口之间通信的种类繁多，如果对消息进行编码呢？图6显示了一种参考方式。消息本质上就是一个32位整数，其实很多RTOS消息传递也是这个类型。取低8位为事件编码，高24位为类型编码。[4]
任一类型最大支持256个事件，类型编码仅能一位为1，否则将引起事件判断错误。当编码正确时，类型一定是2的整幂次，因此可以使用检查整幂次方的算法来检测消息正确性。
设uMsg是消息数值，则有：
uTemp = uMsg & 0xFFFFFF00UL; /*取类型编码值*/
if (0 == (uTemp & (uTemp - 1)))编码正确
else
编码错误
图6消息编码
5窗口系统与交互
用面向对象的方式来设计窗口如图7所示，每个窗口都有自己的ID，同时有其周围邻居窗口的ID值用于窗口切换；私有数据空间用于窗口的个性化定值。窗口对象包含3个方法：Init()用于绘制窗口和初始化窗口资源；ProcMsg()处理所有传递到本窗口的消息；Close()关闭窗口同时释放资源。
图7窗口对象设计
把多个窗口的指针组织成数组就形成了图8所示的窗口对象群，这样一来方便窗口的寻址。
图8窗口对象群
图9显示了窗口与邻居窗口的关系，如果当前活跃窗口为11，响应用户按键上/下/左/右来切换窗口时，可以直接取对应邻居窗口的ID，这样操作带来极大的便捷性。
图9窗口与邻居窗口寻址
6 状态栏实现
状态栏一般位于窗口的最底部，它的典型结构如图10所示。它一般提供如下方法：
Init()：初始化状态栏对象；
Visible()：显示状态栏对象，实时响应外部消息；
Invisible()：不再显示状态栏对象，忽略外部消息；
ChangeLinkStat()：更新联机/脱机状态；
UpdateDate()：更新当前日期
UpdateTime()：更新当前时间
私有显示空间是提供给窗口进行个性化定制，它的原则是：无论哪个窗口使用，都是“谁分配，谁回收”，即当该窗口关闭时需要清除它在私有显示空间的所有显示内容。
图10 状态栏
7 结束语
本文设计的轻量级嵌入式GUI已经在某工业控制产品中稳定使用多年，该产品选用TRULY公司320x240像素的LCD。采用分层与面向对象的设计，使软件系统容易移植和开发；简单化的设计使系统异常稳定；另外占用资源很少，这是商业GUI无法比拟的。在此基础上还能扩展更高级的图形控件功能，可以参见姊妹篇《轻量级嵌入式GUI高级功能实现》。
该GUI设计原理和源代码可以从“我的资源”中免费下载，链接地址：http://download.csdn.net/detail/jiangjunjie_2005/9508662
参 考 文 献 [1] TRULY公司. MST-G320240DBSW-75W-E Specification. Version:1.0 October 23, 2007. [2] TCC公司. 液晶显示模块使用手册。版本：V3.2 2009/11/01. [3] Steve McConnell. Code Complete. Second Edition. 金戈等译。电子工业出版社，2006.3. [4] David E. Simon 嵌入式系统软件教程.陈向群 等译. 机械工业出版社. 2005.9
硬件设计需要将LCD模块引脚正确连接到处理器控制引脚上。对于大部分单片机来说，将LCD模块引脚连接到普通I/O口是比较好的选择，如图1显示了AT89S52微处理器连接20引脚的LCD模块的原理图。
图1 MCU的I/O连接LCD模块
另一种高级接线方式是将它连接到Asynchronous Memory接口（如果处理器具备），这样一来操作LCD就像访问普通的存储器（如FLASH）一样，极大提供便利性，如图2所示。
图2 ASYNC MEMORY连接LCD模块
3 LCD驱动
LCD控制器是LCD模块的核心，驱动一个LCD模块本质就是对LCD控制器写一系列指令的过程。[2]
图3总线时序
图3是LCD控制器RA8835的总线时序。对于普通I/O口连接LCD的方式，驱动程序需要对相应引脚按顺序产生高低电平，如下代码所示：（省略对引脚宏定义的语句）
void lcd_cmdwrite(unsigned char cmd)
{
LCD_CS = 0; /* Enable access LCD */
LCD_CD = 1; /* 0=Data; 1=Command */
LCD_WR = 0; /* Enable write */
LCD_RD = 1; /* Insure read signal is invalid */
LCM_DATA = cmd; /* Put command value into port */
LCD_WR = 1; /* Disable Write */
LCD_CS = 1; /* Disable access LCD */
}
如果嵌入式处理器的Asynchronous Memory接口连接到LCD总线，需要设置该接口的延时时间，以便于符合图3中LCD的总线时序，然后驱动将会简化成写外设内存。针对图2中接线，写LCD命令寄存器的驱动代码如下：
#define LCD_START_ADDR 0x20100000 /* BANK1 */
#define LCD_DATA_ADDR (LCD_START_ADDR) /* Data */
#define LCD_REG_ADDR (LCD_START_ADDR+2) /* CMD */
#define p_wLcdDataAddr ((REG16*)LCD_DATA_ADDR)
#define p_wLcdRegAddr ((REG16*)LCD_REG_ADDR)
#define WR_LCD_REG(wRegVal) *p_wLcdRegAddr = wRegVal;
LCD控制器指令一般组织成寄存器格式：寄存器名+数值。仍以上例为参考，控制器RA8835设置光标地址的指令为：寄存器名（CSRW）0x46，数值为2个字节（光标位置）。其中寄存器名写入指令输入缓冲器内（即A0=1），数值写入数据输入缓冲器内（即A0=0）。
在一个LCD上绘制任何图形或文件的基础是绘制像素点，因此首先需要实现的功能是操作像素点。操作一个像素点的接口是：X坐标、Y坐标和动作（点亮或擦除），算法如下：
1. 根据X坐标和Y坐标组合成LCD光标值并写入LCD控制器；
2. 从LCD控制器中读取当前光标下RAM数值；
3. 根据动作（点亮或擦除）修改RAM数值对应像素BIT值；
4. 再次将光标值写入LCD控制器（读RAM导致该光标已移动）；
5. 将修改后数值写入LCD控制器的RAM区。
一旦完成像素操作就可以施展一些高级绘制动作：文字、图片、几何图形等。
4 GUI软件框架
图4显示了本GUI设计的软件层次，引入分层会带来很多好处：[3]
降低复杂度每一层只专注自己需要实现的功能，实现高内聚；
提高可移植性不管更换处理器还是LCD只需要修改底层部分；
改善性能使用高效算法来优化性能只需要修改一处。
图4 GUI软件层次
对于轻量级嵌入式GUI来说，窗口是十分重要的图形载体，嵌入式GUI一般一个屏幕仅容纳一个窗口，当前正在显示的窗口即为活跃窗口，其它均为睡眠窗口。因此窗口有2种状态：
活跃期：处理消息，响应动作，如获取实时数据并刷新屏幕等；
睡眠期：不响应外部消息，释放资源，如硬件和软件实体等；
从逻辑上把窗口系统分成2层：窗口服务器和客户端，如图5所示。外部消息（用户按键、数据更新等）首先传递给窗口服务器，然后服务器把消息传发给当前活跃窗口，活跃窗口根据消息类别进行相应处理；另外，活跃窗口也可以向服务器发出请求，如切换窗口等。
图5窗口服务器与客户端
在GUI设计中消息是各种对象通信的重要机制，窗口之间通信的种类繁多，如果对消息进行编码呢？图6显示了一种参考方式。消息本质上就是一个32位整数，其实很多RTOS消息传递也是这个类型。取低8位为事件编码，高24位为类型编码。[4]
任一类型最大支持256个事件，类型编码仅能一位为1，否则将引起事件判断错误。当编码正确时，类型一定是2的整幂次，因此可以使用检查整幂次方的算法来检测消息正确性。
设uMsg是消息数值，则有：
uTemp = uMsg & 0xFFFFFF00UL; /*取类型编码值*/
if (0 == (uTemp & (uTemp - 1)))编码正确
else
编码错误
图6消息编码
5窗口系统与交互
用面向对象的方式来设计窗口如图7所示，每个窗口都有自己的ID，同时有其周围邻居窗口的ID值用于窗口切换；私有数据空间用于窗口的个性化定值。窗口对象包含3个方法：Init()用于绘制窗口和初始化窗口资源；ProcMsg()处理所有传递到本窗口的消息；Close()关闭窗口同时释放资源。
图7窗口对象设计
把多个窗口的指针组织成数组就形成了图8所示的窗口对象群，这样一来方便窗口的寻址。
图8窗口对象群
图9显示了窗口与邻居窗口的关系，如果当前活跃窗口为11，响应用户按键上/下/左/右来切换窗口时，可以直接取对应邻居窗口的ID，这样操作带来极大的便捷性。
图9窗口与邻居窗口寻址
6 状态栏实现
状态栏一般位于窗口的最底部，它的典型结构如图10所示。它一般提供如下方法：
Init()：初始化状态栏对象；
Visible()：显示状态栏对象，实时响应外部消息；
Invisible()：不再显示状态栏对象，忽略外部消息；
ChangeLinkStat()：更新联机/脱机状态；
UpdateDate()：更新当前日期
UpdateTime()：更新当前时间
私有显示空间是提供给窗口进行个性化定制，它的原则是：无论哪个窗口使用，都是“谁分配，谁回收”，即当该窗口关闭时需要清除它在私有显示空间的所有显示内容。
图10 状态栏
7 结束语
本文设计的轻量级嵌入式GUI已经在某工业控制产品中稳定使用多年，该产品选用TRULY公司320x240像素的LCD。采用分层与面向对象的设计，使软件系统容易移植和开发；简单化的设计使系统异常稳定；另外占用资源很少，这是商业GUI无法比拟的。在此基础上还能扩展更高级的图形控件功能，可以参见姊妹篇《轻量级嵌入式GUI高级功能实现》。
该GUI设计原理和源代码可以从“我的资源”中免费下载，链接地址：http://download.csdn.net/detail/jiangjunjie_2005/9508662
参 考 文 献 [1] TRULY公司. MST-G320240DBSW-75W-E Specification. Version:1.0 October 23, 2007. [2] TCC公司. 液晶显示模块使用手册。版本：V3.2 2009/11/01. [3] Steve McConnell. Code Complete. Second Edition. 金戈等译。电子工业出版社，2006.3. [4] David E. Simon 嵌入式系统软件教程.陈向群 等译. 机械工业出版社. 2005.9