詳解一種基于ARM7支持觸摸屏和實時操作系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

概述

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，支持圖形界面的觸摸操作和實時操作系統(tǒng)相結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到航空航天、軍事、消費(fèi)類電子、通訊設(shè)備等領(lǐng)域。mC/OS-II操作系統(tǒng)是一種占先式、實時操作系統(tǒng)（RTOS），由于其內(nèi)核可拆減、可剝離性，使得它在實時控制領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。它不僅減小了因為系統(tǒng)硬件設(shè)計缺陷帶來的不可靠因素，而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的控制實時性，從軟件方面進(jìn)一步增強(qiáng)了ARM控制系統(tǒng)的性能。另外，新版本的mC/OS-II已經(jīng)通過了FAA認(rèn)證，很適合應(yīng)用于對實時性要求很高的嵌入式工業(yè)控制領(lǐng)域，如目前應(yīng)用較廣泛的軍用戰(zhàn)斗機(jī)、攻擊機(jī)和火控系統(tǒng)等。

支持圖形界面操作（mC/GUI）是一種較為流行的人機(jī)交互系統(tǒng)，它能夠提供了友好的人機(jī)交互平臺，使得微處理器成為大多數(shù)人都能夠使用和接受的工具。與PC機(jī)不同，由于mC/OS-II基本為“黑盒”式操作系統(tǒng)，對人機(jī)界面的控制與開發(fā)需比較復(fù)雜的編程技術(shù)和時序控制技術(shù)。ARM7嵌入式實時控制系統(tǒng)對mC/GUI的要求更高，包括輕型、占用資源少、高性能、高可靠性及可配置等。因此，如何將ARM7、mC/GUI、mC/OS-II、觸摸屏驅(qū)動和應(yīng)用程序有機(jī)的結(jié)合起來，在ARM7上進(jìn)行運(yùn)行并完成用戶想實現(xiàn)的任務(wù)，成為在嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)中的一項關(guān)鍵技術(shù)。

mC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)的移植

mC/OS-II作為操作系統(tǒng)的內(nèi)核，主要的任務(wù)就是完成多任務(wù)之間的調(diào)度和同步，協(xié)調(diào)各個硬件源不會沖突。與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比，它具有系統(tǒng)透明、可拆減、接口簡單的特點(diǎn)。下面就如何在S3C44B0進(jìn)行操作系統(tǒng)移植和修改作簡要的描述：

（1）重新修改OS_CPU.H文件

a）定義數(shù)據(jù)類型：mC/OS-Ⅱ不使用C語言中的short、int、long等與處理器類型有關(guān)的數(shù)據(jù)類型，而代之以移植性強(qiáng)的數(shù)據(jù)類型，這樣既直觀又便于移植;

b）定義堆棧增長類型和ARM運(yùn)行的模式：雖然ARM處理器對堆棧向上與向下的兩種增長方式都予以支持，但由于編譯器ADS僅支持堆棧從上往下，并且必須是滿遞減堆棧，所以在文件中用來定義堆棧增長方式的常量OS_STK_GROWTH 的值為1;

c）需對外部函數(shù)聲明：如在mC/OS-II.h頭文件中，有些要移植的函數(shù)已經(jīng)聲明，包括：OSTaskStkInit（）、OSIntCtxSw（void）、OSStartHighRdy（void） 。

（2）修改OS_CPU_C.C文件

a）任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit（）：在編寫任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit（）之前，必須先根據(jù)處理器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)確定任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu);

b）鉤子函數(shù)：mC/OS-II為了用戶在系統(tǒng)函數(shù)中書寫自己的代碼而預(yù)置了一些鉤子函數(shù)（如OSTimeTickHook），這些函數(shù)在移植時可全為空函數(shù)，可根據(jù)用戶的需要添加。

（3）重點(diǎn)編寫OS_CPU_A.S文件a）開/關(guān)中斷函數(shù)：在ARM7處理器核中可利用改變程序狀態(tài)寄存器CPSR中的相應(yīng)控制位實現(xiàn);

b）OSStartHighRdy（void）：OSStart（）函數(shù)調(diào)用OSStartHighRdy（）來使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)開始執(zhí)行;

c）OS_TASK_SW（void）：μC/OS-II通過調(diào)用OSSched（）函數(shù)來完成任務(wù)調(diào)度的，OSSched（）先將最高優(yōu)先級任務(wù)的地址裝載到OSTCBHighRdy，再通過調(diào)用OS_TASK_SW（）執(zhí)行任務(wù)級的任務(wù)切換，OS_TASK_SW主要完成保護(hù)現(xiàn)場，完成用于的任務(wù)，恢復(fù)現(xiàn)場;

d）OSIntCtxSw（void）：OSIntExit（）通過調(diào)用OSIntCtxSw（），在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行任務(wù)切換功能。

e）時鐘節(jié)拍函數(shù)：在本移植中，只使用了ARM的IRQ中斷。由于不同的ARM芯片的中斷系統(tǒng)并不完全一樣，因此不可能編寫出對所有使用ARM核的處理器通用的中斷及節(jié)拍移植代碼，但是這是后續(xù)任務(wù)管理中重點(diǎn)需要操作系統(tǒng)進(jìn)行處理的，OSTickISR的實現(xiàn)代碼見程序清單。

程序清單 OSTickISR（）

OSTickISR

STMFD SP！， {R0-R3，R12，LR}

BL OSIntEnter

BL user_function ;調(diào)用用戶

處理的中斷處理程序

BL OSIntExit

LDMFD SP！，{R0-R3，R12，LR}

S3C44B0觸摸屏驅(qū)動程序編制

本文采用固定參考電壓模式，在驅(qū)動程序開發(fā)過程中，需要關(guān)注時鐘端、輸入端和輸出端的時序特性。首先檢測PENIRQ是否為低電平，只有觸摸屏有接觸時此位才會為低電平。利用軟件模擬DIN、DOUT和DCLK上的三線串行傳輸時序，將讀取的X或Y坐標(biāo)數(shù)值的控制字串行送人ADS7843，然后再從對應(yīng)的函數(shù)讀出該坐標(biāo)值，獲取坐標(biāo)值的源程序如下：

int TOUCH_X_MeasureX（void）

{

X=ReadTouchXY（CHX）;

return X;

}

int TOUCH_X_MeasureY（void）

{

Y=ReadTouchXY（CHY）;

return Y;

}

其中，ReadTouchXY（）函數(shù)通過TOUCH_X_MeasureX（void）、TOUCH_X_MeasureY（void）讀取對應(yīng)坐標(biāo)的X、Y軸的電壓值，并送入主控程序進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，得出當(dāng)前觸摸屏按壓的位置。

int ReadTouchXY（unsigned char

command）

{

//根據(jù)command參數(shù)，進(jìn)行X、Y向觸摸點(diǎn)選擇、去抖、位置的計算等

return ack;//返回觸摸屏對應(yīng)位

置值;

}

mC/GUI及與操作系統(tǒng)的接口

mC/GUI是運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上的程序，它既需要與操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)，又需要與各種輸入/輸出設(shè)備協(xié)調(diào)，即通過輸入設(shè)備接收用戶請求，通過輸出設(shè)備發(fā)送微處理器的處理結(jié)果。因此，mC/GUI的接口主要包括兩個：與操作系統(tǒng)的接口和與輸入/輸出設(shè)備的接口，這也正是在移植mC/GUI的過程中所要解決的關(guān)鍵問題。mC/GUI與mC/OS-II結(jié)合應(yīng)用時通過上鎖和解鎖來解決資源互斥的問題，其過程是通過在關(guān)鍵區(qū)域入口設(shè)置GUI_X_Lock（）以獲得專一訪問權(quán)，用完后在出口處設(shè)置GUI_X_Unlock（）讓出資源，達(dá)到多個GUI任務(wù)對同一數(shù)據(jù)在關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)訪問的互斥。

在mC/GUI移植到mC/OS-II的過程中，需要利用操作系統(tǒng)的資源來實現(xiàn)GUI所需要的功能，即利用μC/OSII提供的時間管理、任務(wù)管理和資源共享機(jī)制來實現(xiàn)μC/GUI中相應(yīng)的功能，具體要實現(xiàn)以下函數(shù)的重新定義：

（1）時間函數(shù)

GUI_X_Delay（） //延遲指定的時間段后返回

GUI_X_ExecIdle（） //視窗管理器的非堵塞函數(shù)調(diào)用

GUI_X_GetTime（） //返回當(dāng)前

系統(tǒng)的時間，以毫秒為單位

（2）內(nèi)核接口函數(shù)

GUI_X_InitOS（） //初始化內(nèi)核

接口模塊

GUI_X_GetTaskID（） //返回一個

當(dāng)前任務(wù)/線程唯一的32位標(biāo)識符

GUI_X_Lock（） //給GUI上鎖

GUI_X_UnLock（） //解鎖GUI

GUI_X_Log（） //返回調(diào)試信息

（3）LCD底層驅(qū)動程序

要使mC/GUI能夠在目標(biāo)系統(tǒng)上運(yùn)行，首先要對mC/GUI進(jìn)行配置和修改，也就是移植。移植工作主要是指對配置頭文件中的宏定義根據(jù)具體情況進(jìn)行修改，包括LCD宏和LCD控制器宏。使用mC/GUI庫函數(shù)時，必須在主函數(shù)前調(diào)用頭文件“gui.h”，并根據(jù)需要做適當(dāng)?shù)男薷摹Ｖ档米⒁獾氖?，在此文件的預(yù)定義語句中，必須將GUI_SUPPORT_TOUCH設(shè)為1。如果需要在屏幕上顯示中文，除了添加中文字庫到工程中外，還需要將GULDEFAULT_FONT設(shè)為&GULFontHZ12，HZ12代表使用的中文字體。如果需要在mC/GUI的控件中使用中文，也需要在控件的預(yù)定義語句中作相應(yīng)的修改。由于ARM7芯片S3C44B0X內(nèi)部集成了LCD控制器，LCD底層驅(qū)動程序主要是設(shè)計與LCD屏相關(guān)的參數(shù)以及其特殊的控制寄存器，主要包括以下的參數(shù)和寄存器：

#dene SCR_XSIZE （640）

//LCD水平尺寸

#dene SCR_YSIZE （240）

//LCD垂直尺寸

#dene LCD_XSIZE （640）

//LCD水平分辨率

#dene LCD_YSIZE （240）

//LCD垂直分辨率

#define ARRAY_SIZE_COLOR （SCR_XSIZE/1*SCR_YSIZE）

//LCD水平與垂直比例

#define HOZVAL_COLOR （LCD_XSIZE*3/8-1）

//LCD水平字節(jié)尺寸

#dene SCR_XSIZE （640）

//LCD水平尺寸

#dene SCR_XSIZE （640）

//LCD水平尺寸

寄存器的定義根據(jù)不同的微處理器和LCD顏色、尺寸等來定義，這里以S3C44B0X說明：

rLCDCON1=（0）|（2《《5）|（MVAL_USED《《7）|（0x3《《8）|（0x3《《10）|（CLKVAL_COLOR《《12）;

rLCDCON2=（LINEVAL）

|（HOZVAL_COLOR《《10）|（10《《21）;

rLCDSADDR1= （0x3《《27）|（（（U32）frameBuffer》》22）《《21）|M5D（（U32）frameBuer》》1）;

rLCDSADDR3= （LCD_XSIZE/2）|（（（SCR_XSIZE-LCD_XSIZE）/2）《《9）;

嵌入式操作系統(tǒng)下應(yīng)用程序的開發(fā)

在嵌入式操作系統(tǒng)下開發(fā)基于ARM7的應(yīng)用程序主要是進(jìn)行任務(wù)的劃分，根據(jù)每個任務(wù)的緊急程度建立不同優(yōu)先級，下面就任務(wù)劃分的原則和實例進(jìn)行說明：

任務(wù)劃分原則

將一個軟件系統(tǒng)分解成并行任務(wù)時，主要考慮系統(tǒng)內(nèi)功能的異步性。通過分析數(shù)據(jù)流圖中的變換，確定哪些變換是并行的，哪些變換本質(zhì)上是順序執(zhí)行的。通過這種方法，一個變換對應(yīng)一個任務(wù)，或一個變換包括幾個任務(wù)，同時應(yīng)遵循如下原則：

● I/O依賴性：由于I/O速度的限制，對它操作的程序應(yīng)獨(dú)立為一個任務(wù);

● 時間關(guān)鍵性：將有時間關(guān)鍵性的功能分離出來，組成獨(dú)立的任務(wù)，賦予高優(yōu)先級;

● 計算功能：計算功能要占用較多CPU時間間，應(yīng)賦予他們較低的優(yōu)先級;

● 功能內(nèi)聚：將緊密相關(guān)的功能組成一個任務(wù)，使各種功能共享資源或相同事件的驅(qū)動;

● 時間內(nèi)聚：將在同一時間內(nèi)完成的任務(wù)，即使功能不相關(guān)，組成一個獨(dú)立的任務(wù);

● 周期執(zhí)行功能：相同周期內(nèi)執(zhí)行的各功能組成一個任務(wù)，頻率高的賦予高優(yōu)先級。

應(yīng)用實例

本文以實際項目為例進(jìn)行分析，在本項目中觸摸屏作為輸入設(shè)備、系統(tǒng)檢測輸出窗口，通過控制器嵌入mC/OS-II操作系統(tǒng)和mC/GUI配合使用實現(xiàn)完成相應(yīng)按鈕指令的功能，并在后臺的特定任務(wù)中完成各種中斷、計算、通訊等功能。因此進(jìn)行了如表1所列的任務(wù)劃分和定義。

觸摸屏的應(yīng)用程序可以根據(jù)觸摸屏的實際使用情況來編寫，但在編寫時應(yīng)該注意模塊化的編程思想，以便它能作為一種輸入平臺簡便的移植到相關(guān)的應(yīng)用中。本文編寫了一個泵的控制系統(tǒng)作為觸摸屏應(yīng)用設(shè)計的實例。利用圖形軟件mC/GUI編寫的控制系統(tǒng)操作界面如圖1所示，當(dāng)用觸摸筆或者手指直接點(diǎn)擊圖中可編輯的按鈕控件（如最高壓力、設(shè)定流量和設(shè)定時間），彈出參數(shù)輸入對話框，如圖2所示。mC/GUI的設(shè)計具有模塊化的特點(diǎn)，在不同的模塊中包含了不同的層，比如LCD驅(qū)動包含了所有與LCD的接口。同樣，mC/GUI也提供了通用觸摸屏的應(yīng)用程序接口（API），應(yīng)用程序可以通過將它的函數(shù)庫添加到工程中來方便的使用。

結(jié)語

在mC/OS-II實時操作系統(tǒng)和ARM平臺上開發(fā)應(yīng)用軟件已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域熱點(diǎn)，可以大大地降低軟件程序編寫的時間和任務(wù)難度，提高了各模塊的獨(dú)立性，縮短開發(fā)周期，并且系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性、可移植性和可維護(hù)性。本文以實際的項目為應(yīng)用背景，開發(fā)的基于ARM7支持觸摸屏（mC/GUI）的實時操作系統(tǒng)（mC/OS-II）具有良好的人機(jī)交互界面，完善的驅(qū)動、控制、顯示、檢測和計算功能，支持單機(jī)和網(wǎng)絡(luò)控制運(yùn)行。