图形用户界面 实验报告二

图形用户接口

081180015 戴稚晖通信工程

一、实验目的

1、了解嵌入式系统图形用户界面的基本编程方法。

2、探讨软件结构的层次关系，学习图形库的制作。

一、实验原理概述

1、图形用户界面简介

图形用户界面（GUI）是一种图形化为基础的用户界面，使用统一的图形操作方式，如可移动的视图，选项及鼠标，作为用户与操作系统之间的桥梁，从而使用

户摆脱了在命令行提示符下与操作系统进行交互的方式。

在嵌入式系统设计中，常被选择作为GUI系统进行开发的有：MiniGUI、MicroWindows、OpenGUI和QT/Embedded。这些GUI系统都是以Frame Buffer作为

图形驱动。Frame Buffer作为Linux内核提供的一种底层图形接口，将显示设备

映射到进程地址空间，是大多数GUI的基础。

2、Frame Buffer简介

Frame Buffer又称之为帧缓冲或显存，是系统内的一段存储空间，与显示屏的整个显示区域相对应，通过改变帧缓冲区的内容来改变显示信息。

Frame Buffer的空间大小由显示屏的大小和显示模式决定。显示屏可以以单色或者彩色显示，单色用一位来表示颜色，彩色可以用2、4、8、16、24、32等位

色。显示屏有单屏和双屏显示模式。其中双屏显示模式将整个屏幕分为两部分，每

个部分有各自的Frame Buffer，它们的地址无需连续，并有独立的两个通道将Frame Buffer中的数据传输到显示屏。

3、Frame Buffer与图像色彩

Frame Buffer支持多种颜色显示方式：单色，伪彩色，真彩色，直接色，灰度。伪彩色的RGB值不能直接从Frame Buffer中得到，而是通过调色板间接得到，

此时Frame Buffer中存放的是调色板的索引值，通过索引值获得颜色。真彩色的

RGB值直接从Frame Buffer中得到，且不需要经过调色板。直接彩色Frame Buffer

里存放的是RGB值，但需要经过调色板调色后传输到显示屏。

在16为/像素模式下，Frame Buffer里的每个单元为16位，其中前五位是R 值，中间六位是G值，后五位是B值。

4、LCD控制器——Frame Buffer与显示屏之间的接口

LCD控制器是Frame Buffer与显示屏之间的一个中间部件，负责从Frame Buffer中提取数据，进行处理，并传输到显示屏上。本实验用到的开发板处理器

PXA270集成了LCD控制器，实验中用到的显示屏是16位的TFT LCD，像素分辨率

为 640×480。

二、实验过程

1、内核对Frame Buffer的支持，内核配置选项的修改

在内核源码所在目录下make menuconfig————在Console drivers（终端设备驱动设置）中选中“support for frame buffer devices（EXPERIMENTAL）”

和“PXA LCD support”—————在Multimedia drivers中选中UCB 1400

Touchscreen support on the xsBase 270 Board,在其下的GUI to be supprted

中选择Qtopia而不是用tinyx————在Frame buffer support 中选择Virtual

Frame Support。

2、Frame Buffer操作

Frame Buffer在系统中是以设备文件的形式体现的，在/dev下可以看到fb，fb0,fb1或者更多。打开Frame Buffer与打开一般的文件一样，

fd=open(“/dev/fb”,O_RDWR)。还可以用cp /dev/fb0 file1对屏幕进行抓拍。

Frame Buffer为应用程序提供了良好的用户接口。可以用ioctl命令来获得Frame Buffer的一些参数，如：可以用structfb_fix_screeninfofinfo；

ioctl(fd,FBIOGET_FSCREENINFO,&finfo)来获取它的的固有参数；用

structfb_var_screeninfovinfo ；ioctl(fd,FBIOGET_VSCREENINFO,&vinfo)来获

取它的可变参数，其中包括显示器的色位，分辨率等信息（vinfo.bits_per_pixel、vinfo.xres、vinfo.yres）。

如何获得显示缓冲区的内存映射地址。使用系统调用函数mmap（），获得缓冲区首地址。调用方式为：unsigned char *fbp=0;screensize=vinfo.xres*vinfo.yres*vinfo.bits_per_pixel/8;fbp=( un signed char *)mman(0,sreensize,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);结束缓冲区使用后要用munmap（fbp，screensize）将内存空间释放。用memset （fbp,0,sreensize）可以实现清屏（黑色）操作，将数字0改成255可以实现白屏操作。

在编写程序时，将上面获取显示屏可变参数和获取缓冲区首地址的语句组合起来，编写成初始化函数。将释放缓冲区内存的语句编写成结束函数，将清屏语句编写成清屏函数，以供主函数调用。

3、在Frame Buffer上画点画线画圆的API函数

画点函数。由于显示屏用的是16位色，要将RGB压缩成16位，再填充其字节下面是画点函数的程序段：

Void draw_point(intx,inty,intred,intgreen,int blue)

{intcolor,offset;

offset=(y*vinfo.xres+x)*vinfo.bits_per_pixel/8;

color=(red<<11)|(green<<5&0x07E0)|(blue&0x1F);

*(unsigned char *)(fbp+offset+0)=color&0xFF;

*(unsigned char *)(fbp+offset+1)=(color>>8)&0xFF;

}//实现了在任意地方画任意颜色的点

画线函数：实验中我编写的画线函数使用任意颜色可以画任意两点之间的直线段，在函数中调用了画点函数。画线函数的形式是：void draw_line(int x1,int y1,int x2,int y2,int red,intgreen,int blue)。画线程序编写过程中，考虑到显示屏的扫描是从第一行到最后一行，第一列到最后一列，然后进行回扫，我在编写过程中想到，要想一帧扫描时画的点更多，或者说总共画线过程花的时间较少，在画直线程序中应该比较一下两点之间的横坐标大小，从横坐标小的点开始画。由于程序段显得有些长，在这里只是说明一下编程思想。先比较两点横坐标的大小，

若x1x2,在for循环中，for(x=x2;x

画圆函数：画圆函数的编写可以采用两种算法，实验中我两种都尝试过了。一种方式是采用极坐标，一种是采用直角坐标。下面将对比两种方法的特点。

方法一（极坐标方式）

voiddraw_circle(int x3,int y3,int r,intred,intgreen,int blue)

{ float k;

for(k=0;k<2*3.1415926;k=k+0.01)

{ doublem,n;

m=x3+r*sin(k);

n=y3+r*cos(k);

draw_point(m,n,red,green,blue);

}

}

方法二（直角坐标）

void draw_circle(intm,intn,int r，intred,intgreen,int blue)

{int x1,x2,y;

for(y=n-r;y<=r+n;y++)

{x1=-sqrt(r*r-(y-n)*(y-n))+m;

x2=sqrt(r*r-(y-n)*(y-n))+m;

draw_point(x1,y,red,green,blue);

draw_point(x2,y,red,green,blue);

}

}

比较两种方法：在画圆时，用极坐标算法时不管半径多大，画的点数是确定的，所以在画实心圆时会出现内侧是实心的，而外侧很虚，因为外侧的点数不够，可以用增加点数的方法来避免虚线，但那样的话，内侧的圆有很多点重复画了很多次，这样的算法效率有点低。经比较得还是用直角坐标算法更有效。

另外我还编写了画椭圆，画半圆等函数，这些函数的编写方法跟画圆函数类似。

这里不再叙述。

4、编写应用程序，实现基本图形的显示

实验中我编写了画矩形框，画圆的主程序进行了测试。实现了简单图形的显示。

主程序其实就是对基本函数的一些调用。

5、利用基本的API函数建立函数库

实验中编译可以有很多种方法。一是直接编译，将上面编写的初始化，结束函数，画点画线的函数放在一个文件中，命名为lib.c，另外编写一个文件，是主函

数，命名为main.c；直接编译用命令：arm-linux-gcc–omain main.clib.c–lm。

在实验中还可以将这些基本的API函数独立地形成一个函数库，为用户屏蔽掉底层的硬件消息，直接提供一些简单的画图调用。函数库有动态和静态之分。本实

验中我既编了动态库，又编译了静态库。下面是编译命令：

动态共享库的编译：arm-linux-gcc–o libimge.so lib.c --shared

静态库的编译：arm-linux-gcc–o libimge.c

arm-linux-arrcslibimge.alibimage.o

对主程序的编译过程是一样的：arm-linux-gcc–o main main.c-L. –limage -lm

6、模拟太阳东升西落及影子变化情景，实现动画效果

使用清屏函数，和延时程序（或者延时函数usleep），可以在Frame Buffer 下实现动画效果。实验时，尝试着模拟太阳东升西落的过程，期间太阳的移动会引

起树木影子的变化，及模拟温度线的高低变化。较好地实现了动画效果。编程的思

想是：用火红的圆来代表太阳，圆心在一个半圆上移动，当太阳从一边移动到另一

边时，树木的影子从长变短，再从短边长，温度线从低变高，又从高变低。我在实

验中用到的刷新方法是将一帧数据显示后，将其用背景色刷新，接着显示下一帧数

据。

三、实验中问题及解决方法

1．开发板屏幕总是亮一两分钟之后就暗掉了，实验还来不及编译执行，这是因为内核对显示屏默认设置了屏幕保护。后来得知要改内核配置选项，具体操作是实验内容

中的第一步。要选择支持触摸屏，并选择Qtpoia作为图形用户界面。

2．在构建静态库的时候犯了一个低级错误，归档静态库的后缀名是.a。实验一开始时由于粗心没加后缀，导致编译的时候出现错误，找不到已经编译的静态库。由于排错能力不是很强，花了大半堂课的时间最终猛然发现生成的归档静态库不是.a形式。

改正之后编译成功。用静态库编译主程序实现了画线功能。

3．一开始时是在pc上编译libimage.c文件，提示段错误。这让我检查程序中的指针有没有赋初值，因为指针如果没赋值的话，很可能指针指向的那个地址是无效的，而出现段错误。将程序中的指针赋初值后，编译，仍然出错，这个时候我在打开fb 文件的地方添加了一条调试语句，如果没有打开文件（fd<0），则输出没有打开。

编译时果真提示没能打开文件。我开始查看/dev目录下有没有fb这个设备，后来发现主机中只有fb0这个设备，将open函数中的文件名替换掉后，编译通过。但在终端上没有显示图形。后来切换tty，通过ctrl+alt+F1,在这个终端下运行，图形得以显示。（到目前只知道默认的tty是F7或者F8，但不明白为什么要切换到别的终端才能显示图像）。

4．实验一开始时，没有将清屏函数编在库函数中，而是放在主程序中，这样导致在主程序中也要定义fbp，原以为在库函数中将fbp作为全局变量后，在主程序中也能引用这个变量，但后来发现这样不能做到清屏，经查阅资料，发现全局变量只能在一个文件中被用到，要是在不同的文件中要共用一个变量的话，要用extern进行外部变量的声明。出现这一问题的原因是C语言基础的不扎实，在编写库函数的时候没有为用户程序屏蔽掉底层硬件信息。

5．在动态库编译及执行主程序时，将以生成的可执行文件main拷到共享目录/exp下，以便在目标板上运行。在目标机/mnt下运行./main。提示：error:while loading shared library,can’t open libimage.so。将库拷贝到/exp下，并且修改动态库的默认路径：export LD_LIBRARY_PATH=:/mnt,再运行./main。提示找不到libgcc–s so.1。也将其拷到/exp目录下，运行./main可以正常运行了。

另外可以直接将库函数拷贝到默认的动态库搜索路径/lib下，这样就不需要设置环境变量了。

此外，实验中有同学出现找不到数学库，然后我尝试着帮她把所需要的数学库拷贝到共享目录/exp下，再在目标机的/mnt目录下将数学库拷贝到/lib下，后来还是没能解决问题。实验后思考觉得可能当时是先拷贝链接文件，再拷贝数学库文件，

顺序不对，导致链接文件不是指向对应的数学库。最直接的解决方法就是重新做一

下文件系统，当时把库拷贝到/lib下并做好链接。这样花的时间可能比较长。

6．在自己的电脑上编译执行动态显示程序的时候，发现扫描出来的不是所希望的图形，后来发现是自己的电脑显示屏幕四周有空白（Margin）。此时需要虚该偏移地址

offset，要加上空白的空间。

7．在程序编写中一定要注意屏幕的大小，不能超过屏幕的范围，如果超过则会出现段错误。

四、实验思考

1.静态库和动态库的区别

实验中发现，在用静态库编译，在开发板上运行程序的时候，不需要将静态归档库

拷贝到/exp目录下。而动态编译的时候，动态库需要拷贝到目标机中，否则就无法

运行。

其中的原因是：静态库中存储的是已经编译好的二进制代码，在编译主程序的时候

直接内嵌到可执行文件中，执行程序时不需要查找静态库的路径。而利用动态库编

译主程序时，主程序运行时需要查找动态库的路径，将需要用到的动态库中的函数

代码从共享库中读出。

静态库有很高的独立性，但动态库的效率更高,占用系统内存小，动态库在进行修

改和更新时，只需要简单地更新共享库，而不需要重新编译每一个使用该共享库的

程序，目前大多使用动态库。

2.如果一帧显示数据的计算量太大，连续图像的刷新和显示将消耗比较多

的时间，此时如何较好地实现连续画面的动态显示？

答：我目前用到的画面动态显示方法主要是两个：一是将整个屏幕刷新，在下一时

刻画下一幅图像。这种方法很可能会出现上面出现的问题，计算量太大的话，刷新

显示需要花费很长时间。还有一种方法：不是将整个屏幕刷新，而是比较前后两幅

图的不同之处，将不需要的部分用屏幕的背景色刷新，将添加的部分重新补上。这

样的话会稍微减少消耗的时间。

另外一个想法是：如果与帧缓冲对应的内存空间不止一块，其中一部分用来计算显

示数据，存储以后要显示的数据，另一部分用来显示当前数据，就相当于8086的

指令流水线操作一样，取值令跟执行指令是并行的。这样就可以加快刷新速率。但

我目前不知道如何实现这一功能。

五、实验总结

这个实验持续做了三个星期，准备的时间比较多，一开始找了好多资料，看了很多关于frame buffer驱动程序设计的资料。虽然没有完全看懂，但对于了解frame buffer 的操作有很大的作用。在第一次做这个实验时，就有些担心，因为大一的时候C语言的基础不是很好，给现在编写程序留下了很大的阴影，生怕自己不会编，不会纠错。所以在实验之前，我先复习了一下以前的c语言知识。但实验的时候仍然犯了很多错误，比如说全局变量，外部变量的概念不是很清晰，调用子函数之前没有对子函数进行声明，在调用动态的数学库之前没有加上它的头文件导致实验中总是提示sin,cos 函数不兼容，而我却执拗地认为我已经链接了数学库（-lm），为什么就找不到这两个函数。这个过程花费了太多的时间。但是通过这次实验，对C语言有了更深的理解和应用，加强了在Linux下编程的经验。利用一些printf函数输出提示错误，提高了程序调试和纠错的能力。

通过对frame buffer的学习，了解了图形用户界面的基础就是frame buffer的驱动，为用户屏蔽掉了底层的硬件，有利于应用程序的编写，应用软件的开发。

另外，这个实验明白了软件结构的层次结构。驱动程序屏蔽掉了底层硬件，是设备与内核之间的接口。系统调用函数API函数是内核与用户应用程序之间的接口，提供简单的函数调用来方便应用程序的编写。可以将很多常用的API函数组合在一起构成库文件，如静态库和动态库，这样编写应用程序的时候就可以通过链接这些库文件，来调用库中的子函数。软件结构都是底层程序为上层屏蔽掉底层的一些信息，使上层的程序编写更加简单有效。

说一下我实验的一些感受。向来我对课程和实验都很看重，我不愿意自己落在别人后面。可自从微处理器课程全部转为实验后，我深深地感觉到了压力，看到有的同学一有时间就待在实验室，而且进度远远地超过了我，我觉得自己被落下了。课后虽然花了很多时间在这们课程上面，而且对课程也有很大兴趣，但实验时总会由于以前的基础课程学得不是很好，导致实验进展速度偏慢。但有压力才有动力，有差距就更需要努力弥补甚至赶超。今后一定会花更多时间为实验做准备，查阅相关资料。还有很重要的是，

要善于跟老师沟通（目前我这一点做的不大好）。这是我对后期实验的要求。我相信，付出了就会有收获。

六、参考文献

PXA-270嵌入式系统实验指导书——南京大学电子科学与工程系

嵌入式linux案例开发指南——冯伟 ,王博编著

Linux高级程序设计（第二版）——杨宗德，邓玉春编著

嵌入式Linux Framebuffer 驱动开发——华清远见嵌入式培训专家