内置Chrom－Art图形加速器的GUI架构设计

黄洁逢，吴先球

（华南师范大学 物理与电信工程学院，广州510006）

黄洁逢（硕士研究生），研究方向为嵌入式系统应用。

引 言

以STM32为代表的ARM Cortex－M 系列微处理器，具有优越的处理性能和丰富的片内外设，被广泛应用于工业控制、仪器仪表和智能家电等领域。由于该系列处理器主要偏向于控制应用，对图形显示方面的支持不是很好，导致其人机交互体验难以得到提升。在硬件上，过去常用的做法是采用8080或6800接口驱动分辨率较低的16位彩色液晶屏，在软件上，一般采用Micrium 公司的μC／GUI系统，但是最终设计出来的人机界面缺乏美观性，操作体验较差。

ST 公司推出的STM32F4x9 系列微控制器，内存控制器增加了对SDRAM 的支持，内置LCD－TFT 控制器，并 配 备 专 用 DMA 控 制 器 Chrom－Art Accelerator（DMA2D），在很大程度上弥补了STM32 图形显示方面的缺陷。为了在STM32上实现良好的人机交互体验，需要设计一种新的嵌入式GUI 实现方法，以充分利用Chrom－Art图形加速器的硬件功能，因此本文提出一种基于智能区域的嵌入式GUI架构，实验证明其具有较强的可行性。

1 图形架构原理

STM32的Chrom－Art图形加速器实际上就是一个专门用于传送显示数据的DMA 控制器，其主要功能包括数据复制、格式转换和颜色混合，如图1 所示。Chrom－Art能将矩形内存区域S1 和矩形内存区域S2进行颜色混合，并 将 数 据 转 换 成RGB555 格式后写入矩形内存区域D1。

在实际应用中，利用Chrom－Art可以方便地实现：①对位图进行局部截取并显示到液晶屏的指定位置；②同时使用多种不同RGB数据格式的位图；③多图层透明显示。

图1 Chrom－Art功能示意图

本文提出的基于智能区域的GUI图形架构，能够充分利用Chrom－Art加速器的功能，在减轻CPU 负担的同时提高了显示效率。智能区域是用于图形管理的基本单元，包含了区域的位置、尺寸、属性字和从属关系等信息，通过这些信息可以快速地对区域进行查找定位，并做相应的显示输出及触摸输入检测等操作。区域间的显示关系及逻辑结构如图2所示，不同区域通过相互嵌套建立父子关系，隶属于同一父区域的子区域为并行区域，子区域继承了父区域的显示范围、相对位置、透明度等信息。父区域与其第一个子区域通过双向链表连接，并行子区域同样以双向链表连接，其连接顺序由区域图层号决定（图2右半部分中标号为区域图层号）。

图2 区域间的显示关系及逻辑结构

2 图形架构设计与实现

整个架构采用面向对象的编程思想，使用ANSI C编写，每种特定功能的智能区域对应一个对象类型，能够非常方便地进行裁剪与扩展。程序分为以下几个功能模块。

2.1 智能区域管理

区域对象通过结构体进行定义，一个通用区域的结构体包含以下基本成员，其他功能区域会根据需要增加额外的成员。

typedef struct CArea｛

unsigned int attr； ／／区域属性字

struct CArea＊prev；／／上一个区域指针struct CArea＊next；／／下一个区域指针struct CArea＊par；／／父区域指针

struct CArea＊chd；／／第一个子区域指针

Afun fun； ／／绘制区域的回调函数指针int x； ／／区域相对横坐标int y； ／／区域相对纵坐标unsigned shortw； ／／区域宽度unsigned shorth； ／／区域高度｝CArea；

对区域的管理包括以下操作：①区域创建包括申请内存空间、设置属性字、注册回调函数；②区域嵌套包括设置父区域指针、根据图层号添加链表节点；③区域删除包括删除链表节点、清除父区域指针、释放内存空间。

根据功能不同，智能区域分为以下几种类型，并可根据需要继续扩展：

①普通区域CArea，最常用，占用资源最少；

②按键区域BArea，具有自锁和互斥功能；

③自由区域FArea，可透过区域窗口显示更大的虚拟空间；

④页面区域PArea，区域容器，用于区域间的切换；

⑤列表区域LArea，可滚动显示多个列表成员的区域；

⑥文本区域TArea，专门用于文本输入支持的区域；

⑦扩展区域EArea，扩展出一个子工作空间。

2.2 区域的显示输出

为了使区域显示在正确的图层上，所有区域的输出顺序遵循两个原则：①先输出父区域，后输出子区域；②并行区域按照链表连接顺序依次输出。

架构通过定义一个顶层区域，作为显示输出和触摸检测的入口，某些情况下用户只需要刷新与操作某一局部区域，将其设置为顶层区域，可以极大地提高处理效率。由于每个智能区域都是等价的操作对象，可采用迭代方式进行处理，使程序更加高效的同时减少了代码量。

2.3 触摸操作检测

区域的输入检测过程与显示输出类似，不同的是两者对区域的查找顺序刚好相反：优先检测子区域，再检测父区域，并行区域则按照链表连接顺序逆向检测。

根据实际需求设置以下7种触摸操作模式：

①短触发，第一次检测到触摸屏被按下；

②长触发，按下触摸屏一定时间，且位置不改变；

③短按，按下触摸屏并在短时间内松开，且位置不改变；

④长按，按下触摸屏一定时间后松开，且位置不改变；

⑤拖拽，按下触摸屏后位置发生改变；

⑥惯性滚动，拖拽模式下松开触摸屏，且松开时速度不为零；

⑦位置恢复，由于拖拽或惯性滚动使区域位置超出限定边界。

其中惯性滚动模式和位置恢复模式不是必需的，但加入这两种模式能够使操作方便，且显示效果生动。

2.4 事件处理

事件采用动态注册的方式，每种操作对应一个事件链表，注册事件就是根据操作类型往相应的链表上挂接事件节点。当某一操作发生时，该模块就会对相应的事件链表进行扫描，判断链表上每个事件的区域指针是否与当前操作区域相符，若相符，则执行事件回调函数。

2.5 效果处理

效果处理模块为用户提供了自定义动态效果支持，效果对象的结构体定义如下：

通过该模块可以实现区域的水平移动、垂直移动及透明度变化等动态效果（可以同时建立多个独立效果来实现组合效果），具体实现方式有两种：①设定目标值dval，程序通过简单的差补计算自动完成；②指定动态数组array，目标参数将严格按照数组值变化。

2.6 图片素材与字符的显示

图形架构仅负责区域的管理及功能实现，为了设计出美观的界面，往往需要大量的图片素材，这时可以在系统初始化的时候，动态地将界面素材从外部存储设备载入SDRAM，整个硬件系统工作过程如图3所示。系统从U盘或SD 卡载入素材后，图形架构会根据区域的位置及属性信息调用相应的素材，裁剪出可见区域，然后交给Chrom－Art加速器进行处理并传送到显存，最后由LCDTFT 控制器刷新显示到显示屏上。

图3 硬件工作过程

在字符显示上加入了对矢量字体的支持，FreeType2是一款占用空间小、高效、高度可定制的开源字体引擎，经过功能裁剪，可以用来解析常见的TrueType字体文件，它能够输出任意大小、带256灰度阶的字模，把字模数据作为区域的透明通道就可以显示带有锯齿效果的字符。

3 图形架构应用

这里使用该图形架构设计一个操作界面来测试实际效果，主控制器采用STM32F429IGT6，工作频率为180 MHz，外扩32 MB SDRAM，外接分辨率为480×272的24位彩色液晶显示屏，实现效果如图4所示。

图4 界面效果图

由于采用了带透明通道的ICO 图标和矢量字体，整个界面美观性大大提升，触摸操作支持单击图标、下拉通知栏、切换页面、滚动列表、移动窗口等常见操作方式，且屏幕刷新率平均可以达到25fps（帧率受限于界面复杂度），动态效果流畅，人机交互体验良好。界面资源占用情况如表1所列，资源使用量较少，能够满足实际应用需求，由此证明本图形架构具有良好的可行性与实用性。

结 语

本文设计的基于Chrom－Art的GUI图形架构相对于以往的GUI系统做出了很大改进，不仅界面设计变得简单高效，而且资源占用少、可扩展性强。随着STM32 系列微处理器在很多领域的广泛应用，需要人机交互的场合都可以使用该架构进行界面开发，从而大大简化开发过程，具有一定的实际应用价值。

［1］刘军.例说STM32［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

［2］王兰英.基于STM32 嵌入式系统的μC／GUI移植与实现［J］.四川理工学院学报：自然科学版，2012（1）.

［3］肖林京，于鹏杰，于志豪，等.基于STM32和emWin图形库的液晶显示系统设计［J］.电视技术，2015（1）. 25 22

［4］李建红，刘丹，徐展.基于μC／GUI库的外扩中文字库研究与实现［J］.计算机工程，2014（2）.

［5］王爱林，王晨.基于μC／GUI和S1D13513的图形显示设计［J］.工业控制计算机，2013（6）.

［6］金锋，武志辉.轻量级嵌入式Linux图形驱动程序与图形用户接口［J］.北京理工大学学报，2008，28（3）.

［7］黄秀珍，何加铭，邰晓英.基于FreeType 嵌入式矢量字体引擎的研究［J］.宁波大学学报：理工版，2010，23（4）.

［8］宫勇，杨颖，张三元，等.图形面板布局特征对人机交互效率的影响［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2012，24（9）.

［9］单筱秋.浅议人机交互界面研发中的用户体验设计［J］.南京艺术学院学报：美术与设计版，2013（6）.

［10］何岩.浅析计算机图形技术及其应用系统［J］.消费电子，2013（8）.