嵌入式图形用户界面uc/gui在nios II上的移植

 

uc/gui是一个优秀的嵌入式图形用户界面，这几天的工作就是将它移植到nios II系统上。前人也做了一些工作，不过大部分都是针对其他硬核处理器，针对nios II软核处理器的移植资料那简直是凤毛麟角。在阅读了相关文档后，我决定自己亲自动手实践，这下面的很多过程都是自己摸索出来的，并通过了实验的验证。这只是一个初步的移植，也许在以后的更复杂的应用中，还需要对其进行调整。但对目前我的应用而言，应该足够了。

写这篇文章的目的一是由于自己记性不好，所以需要给自己留个备忘，免得以后忘的一干二净；二是给有需要的朋友提供一些参考，也好相互交流，共同进步。请大家多提宝贵意见。

一、源码和文档下载

http://www.ucgui.com/上有很多不同版本的源码下载，目前能下到的最新版本是3.98，不过还有一些组件不是很完整，但作基础开发已经够用了。

ucgui3.98源码下载地址：uC-GUI-V3-98.zip。

ucgui最新版用户手册下载地址：uC-GUI-user.rar。

开发软件：quartus II 6.0, Nios II IDE 6.0。

二、移植过程

先来看看解压后都有些什么东西：

 

如图，核心的东西包括Config和GUI两个文件夹，这里面是ucgui的所有源码和配置文件。ConvertColor包含彩色转换函数，ConvertMono包含灰度到彩色转换的函数，Core包含核心程序，Font是字体文件，LCDDriver包含多种控制器驱动，Widget是窗口控件库，WM是窗口库，提供复杂的功能。其他文件夹包含一些应用范例以及一些有用的工具，留待慢慢探索。

1、config文件的移植：

Config文件夹是ucgui的配置文件夹，里面有3个文件：

GUIConf.h：gui的基本属性配置文件，有很多开关可以配置，具体可以参考ucgui的用户手册，这里只需配置几个必要的参数如下：

#ifndef GUICONF_H

#define GUICONF_H

#define GUI_OS                    (1)  /* 支持操作系统，nios系统自带了ucosII，所以我们选择此项，使gui支持该操作系统 */

#define GUI_SUPPORT_TOUCH         (0)  /* 支持触摸屏，由于暂时没有用触摸屏，所以关掉这个开关 */

#define GUI_SUPPORT_MOUSE         (0)  /* 支持鼠标，暂时关闭 */

#define GUI_SUPPORT_UNICODE       (1)  /* Unicode字符串支持 */

#define GUI_DEFAULT_FONT          &GUI_Font6x8/* 默认字体 */

#define GUI_ALLOC_SIZE            12500/* WM和memery device分配的内存 */

#define GUI_WINSUPPORT            1  /* Window manager available */

#define GUI_SUPPORT_MEMDEV        0  /* Memory devices available，由于下载到的源代码中缺少memery device组件的源码，所以关闭此项 */

#define GUI_SUPPORT_AA            1  /* Anti aliasing available */

#endif  /* Avoid multiple inclusion */

LCDConf.h：LCD控制器的硬件配置文件，这个文件与硬件直接相关，一般是根据你所使用的LCD的类型和所用的LCD控制器的类型来配置。我的配置是一块640*480的TFT LCD，支持18位色，不过我只使用16位，RGB565色彩模式，足矣。LCD控制器就是自己写的一个硬件模块，挂在avalon总线上，负责读取显示缓冲区中的数据，然后按照该LCD的时序输出显示到LCD上。显示缓冲区直接开辟在系统内存中，系统使用一块SDRAM作为系统内存，CPU可以直接对其进行32位读写访问。通过仔细阅读ucgui的用户手册，可以知道，在我这种硬件配置条件下，可以选择LCDLin32.c这个驱动文件（后面将详细讲述对LCDLin32.c的修改与移植），那么对应了LCD_CONTROLLER 必须配置为3200。

#ifndef LCDCONF_H

#define LCDCONF_H

#define LCD_XSIZE      (640)  /* X-resolution of LCD, Logical coor. */

#define LCD_YSIZE      (480)  /* Y-resolution of LCD, Logical coor. */

#define LCD_BITSPERPIXEL (16) /* 每个象素点需要的Bit数 */

#define LCD_CONTROLLER 3200   /* 控制器名称 */

#define LCD_ENDIAN_BIG      0 /* 选择little endian */

#define LCD_FIXEDPALETTE  565 /* 选择RGB565色彩模式 */

#define LCD_SWAP_RB         1 /* gui默认为GRB565，定义这个开关可以使之转换为RGB565，即交换R和B */

//#define LCD_VRAM_ADR        0x20000000 /*  显示缓冲区起始地址，这个宏定义定义了显示缓冲区的地址，在驱动文件LCDLin32.c中要用到这个地址。由于我的显示缓冲区要在程序运行起来之后，由malloc函数在系统内存中分配，所以这个地址无法预先定义。于是我取消了这个宏定义，而改为一个指针变量，直接放在LCDLin32.c中，通过修改其中的一些函数定义，完全可以实现这样的改变。 */

//#define LCD_READ_MEM(Off)        IORD_32DIRECT((U32 *)LCD_VRAM_ADR + ((U32)Off) << 2),0)

//#define LCD_WRITE_MEM(Off,data)  IOWR_32DIRECT((U32 *)LCD_VRAM_ADR + ((U32)Off) << 2),0,Data)

/* 使用驱动LCDLin32.c需要定义的函数，用于读写显示缓冲区，由于把显示缓冲区的地址指针放到LCDLin32.c中去了，所以这两个函数也直接放到LCDLin32.c中去，在这里就可以不要了 */

#define LCD_INIT_CONTROLLER()  LCD_Controller_Init() /* LCD 控制器初始化函数，由gui_init()调用，我在这里替换为自己的控制器初始化函数LCD_Controller_Init()，该函数在后文中叙述 */

#endif /* LCDCONF_H */

GUITouchConf.h：触摸屏的配置文件，暂时没有使用。

至此，config文件移植完毕。

2、LCD device驱动的移植

这里所说的LCD device驱动移植主要是指前面所说的LCDLin32.c文件的修改。LCDLin32.c在GUI/LCDDriver文件夹中，其中定义了几个关键的函数，用于gui对显示缓冲区进行操作，如

void LCD_L0_SetPixelIndex(int x, int y, int PixelIndex)/* 画点 */

unsigned int LCD_L0_GetPixelIndex(int x, int y)/* 读点 */

void LCD_L0_XorPixel(int x, int y)/* 异或点 */

void LCD_L0_DrawHLine(int x0, int y,  int x1) /* 画水平线 */

void LCD_L0_DrawVLine(int x, int y0,  int y1) /* 画垂直线 */

void LCD_L0_FillRect(int x0, int y0, int x1, int y1) /* 矩阵填充 */

void LCD_L0_DrawBitmap(int x0, int y0,

                       int xsize, int ysize,

                       int BitsPerPixel,

                       int BytesPerLine,

                       const U8 GUI_UNI_PTR * pData, int Diff,

                       const LCD_PIXELINDEX* pTrans) /* 画位图 */

void LCD_On (void) /* 打开LCD */

void LCD_Off (void) /* 关闭LCD */

由于我的LCD不具备打开和关闭功能，所以LCD_On()和LCD_Off()定义为空函数。在上述的几个画点画线函数中，与硬件（显示缓冲区）直接相关的就是

LCD_WRITE_MEM(Off,data)/*写存储器*/

LCD_READ_MEM           /*读存储器*/

我们只需要将这两个宏定义修改一下，使之指向我们自己定义的操作。由于这两个函数是对显示缓冲区进行读写操作，所以需要先知道显示缓冲区的起始地址，在我的系统中该缓冲区由malloc函数得到，于是需要预先定义一个指针变量，用来存储显示缓冲区的首地址:

U32      *lcd_framebuffer0;      /* our frame buffer first address */

但是预编译无法处理malloc函数，所以我将这个操作放到自定义的LCD_Controller_Init()函数中执行。这里使用了Nios系统中hal库的一些函数，所以需要先包含相应的头文件：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <string.h>

#include <alt_types.h>

#include "io.h"

#include "sys/alt_alarm.h"

#include "sys/alt_cache.h"

#include "system.h"

#include "priv/alt_file.h"

这其中实际上有几个头文件是没有必要包含进来的，不过我也没去管它，所以就都写在这里了，应该不会有什么害处。

#define LCD_BYTESPERFRAME  LCD_XSIZE * LCD_YSIZE * LCD_BITSPERPIXEL / 8

void LCD_Controller_Init(void)

{

    lcd_framebuffer0 = (U32 *)alt_uncached_malloc(LCD_BYTESPERFRAME);

    memset( (void *)lcd_framebuffer0, 0x0, LCD_BYTESPERFRAME ) ; /* reset the frame buffer to 0x0 */

    IOWR_32DIRECT( VGA_CONTROLLER_0_BASE, 0, 0x0 ); /* Reset the VGA controller */

    IOWR_32DIRECT( VGA_CONTROLLER_0_BASE, 4, lcd_framebuffer0 ); /* Where our frame buffer starts */

    IOWR_32DIRECT( VGA_CONTROLLER_0_BASE, 8, LCD_BYTESPERFRAME ); /* amount of memory needed */  

    IOWR_32DIRECT( VGA_CONTROLLER_0_BASE, 0, 0x1 ); /* Set the go bit. */

}

这个函数初始化了显示缓冲区，并对LCD控制器进行配置，使之正确运行。其中，VGA_CONTROLLER_0_BASE是LCD控制器的基地址，由system.h文件定义，所以要将它include进来。LCD_BYTESPERFRAME为每帧需要的字节数。由宏定义得到。这样，在系统调用GUI_Init()函数时，LCD_Controller_Init()函数也会被调用，这就可以保证gui在做任何操作以前，显示缓冲区都已经准备好了，LCD控制器也已经配置好并已经开始运行了。

实际上，LCDLin32.c文件中对LCD_READ_MEM和LCD_WRITE_MEM已经做了定义，有了lcd_framebuffer0这个指针变量之后，我们只需要对LCD_READ_MEM和LCD_WRITE_MEM定义做一些修改，使之指向lcd_framebuffer0所指的缓冲区即可：

#define   LCD_READ_MEM(Off)        (*((U32 *)lcd_framebuffer0 + ((U32)Off)))

#define   LCD_WRITE_MEM(Off, Data) *((U32 *)lcd_framebuffer0 + ((U32)Off)) = Data

这样，LCDLin32.c就基本上修改完毕了。当然，我们还可以修改其画点，画线，矩阵填充，画位图等函数，使之对于我们特定的硬件更加优化，以提高执行效率，这是后话。到目前为止，gui已经能够正确地操作我们的硬件了。

三、运行第一个程序：hello_gui

下面，我们就让刚移植好的gui到实际的系统上去运行一下。

1、配置好FPGA的硬件；

2、打开nios II IDE，以hello_world工程为模版建立一个新的工程hello_gui；

3、将ucgui的Config和GUI两个文件夹（包含有我们刚刚修改过的几个文件）复制到工程目录下；

4、在hello_gui工程选项中添加如下include paths：

yourprojectdir/software/hello_gui/Config

yourprojectdir/software/hello_gui/GUI/Core

yourprojectdir/software/hello_gui/GUI/Widget

yourprojectdir/software/hello_gui/GUI/WM

5、修改hello_world.c的内容为：

#include "GUI.H"

void main(void) {

GUI_Init();                 /* 初始化GUI，同时初始化LCD控制器和显示缓冲区 */

GUI_SetBkColor(GUI_BLUE);   /* 设置背景色为蓝色*/

GUI_Clear();                /* 清屏为背景色 */

GUI_SetColor(GUI_RED);      /* 设置前景色为红色（后面画图操作将用该前景色） */

GUI_DispString("Hello world!"); /* 显示hello world! */

while(1);

}

6、在system library选项中选择RTOS为MicroC/OS-II；

这时如果编译工程，会出现一些未定义错误，类似于GUI_X_未定义等等，原来是缺少GUI_X.c文件，这个文件定义了gui与rtos的接口，以及debug错误报告等函数，于是我们需要添加这个文件。经过寻找，在Sample文件夹中发现了GUI_X这个文件夹，打开一看，里面有我们所需要的GUI_X.c文件，由于我们使用了MicroC/OS-II操作系统，所以我们使用其中的GUI_X_uCOS.c文件，将这个文件copy到工程目录下，并在文件结尾添加下面这几行：

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); }

并将其中的：

void GUI_X_ExecIdle (void)

{

    OS_X_Delay(1);

}

改为：

void GUI_X_ExecIdle (void)

{

    OSTimeDly(1);       /* 调用uCOS-II的延时程序 */

}

方可编译通过。

7、Debug as hardware，这样，就可以看见结果了。我的结果是LCD上用篮底红字显示出了“hello world!”字样。表示ucgui3.98在Nios II上初步移植成功！

四、总结

至此，ucgui在Nios II上的移植获得了初步的成功。当然，这只是一小步，ucgui中还有丰富的功能，这些都将在以后的实践中慢慢摸索。