轻量级嵌入式Linux图形驱动程序与图形用户接口

第２８卷第３期

２００８年３月

北京理工大学学报

Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆ

Ｖ０１．Ｚ８

ＮＯ．３

ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｍａｒ．２００８

轻量级嵌入式Ｌｉｎｕｘ图形驱动程序与图形用户接口

金锋，

武志辉

（北京理工大学信息科学技术学院自动控制系，北京１０００８１）

摘

要：旨在研究轻量级嵌入式Ｌｉｎｕｘ图形驱动程序与图形用户接口的设计方法．在ＡＲＭ９平台下，通过对显示

模块ｓｅｄｌ３３５的Ｌｉｎｕｘ图形驱动程序及图形用户接口的描述，介绍了基于Ｌｉｎｕｘ图形驱动程序及轻量级图形用户接口的编写方法，实现了一套轻量级的图形用户接口．应用结果表明，该系统具有良好的扩展性、稳定性和较快的响应速度，能便捷地应用于类似的系统．

关键词：轻量级；嵌入式Ｌｉｎｕｘ；图形驱动程序；图形用户接口中图分类号：ＴＮ

７９

文献标识码：Ａ文章编号：１００１－０６４５（２００８）０３－０２３３－０４

ＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＧｒａｐｈｉｃｓＤｅｖｉｃｅＤｒｉｖｅｒａｎｄＧｒａｐｈｉｃａｌＵｓｅｒ

ＩｎｔｅｒｆａｃｅＢａｓｅｄｏｎ

ＪＩＮＦｅｎｇ．

Ｅｍｂｅｄｄｅｄ

Ｚｈｉ—ｈｕｉ

Ｌｉｎｕｘ

ＷＵ

（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｃＣｏｎｔｏｌ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ

ｎｅｗｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ

ｏｎ

ｇｒａｐｈｉｃｓ

ｕｓｅｒ

ｉｎｔｅｒｆａｃｅ（ＧＵＩ）ａｎｄｓｙｓｔｅｍ，ｓｅｄｌ３３５

ｇｒａｐｈｉｃｓ

ｄｅｖｉｃｅｄｒｉｖｅｒ

ａｓ

ｗｅｒｅ

ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂａｓｅｄｔｈｅ

ｐｌａｔｆｏｒｍｂｅ

ｏｆＡＲＭ９

ｔｏ

ｗａｓｉｎｃｌｕｄｅｄｔｈｅ

ｇｒａｐｈｉｃｓ

ｍｏｄｕｌａｒ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍ

ｃａｎ

ａｐｐｌｉｅｄ

ｓｉｍｉｌａｒｓｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈｍｏｒｅｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅａｎｄｐｒｏｖｉｄｅ

ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅｆｏｒｉｔｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｅｘｃｅｌｌｅｎｔｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ，ｈｉｇｈｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄ

ｆａｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｓｙｓｔｅｍ；ｅｍｂｅｄｄｅｄＬｉｎｕｘ；ｇｒａｐｈｉｃｓｄｅｖｉｃｅｄｒｉｖｅｒ；ｇｒａｐｈｉｃａｌ

ｕｓｅｒ

ｉｎｔｅｒｆａｃｅ

废气监测系统已逐渐向小型化、智能化、环保化靠拢，作者研究的某废气监测系统即是这一大趋势的产物．该系统采用ＡＲＭ９为核心，操作系统采用Ｌｉｎｕｘ，系统主要包括数据采集、数据分析和显示３部分，作者研究主要显示部分的设计．传统单片机显示部分代码可重用度不高，而Ｌｉｎｕｘ自带的Ｆｒａｍｅｂｕｆｆ在某些系统中显得过于臃肿，所以采用自行设计的图形用户接口．

驱动程序在Ｌｉｎｕｘ内核里扮演着特殊的角色，它们是截然不同的“黑盒子”，能使一部分硬件响应定义好的编程接口．驱动程序完全隐藏了设备工作的细节，用户的活动通过一套标准化的调用程序进行，这些调用与驱动是相互独立的．设备驱动的作

收稿日期：２００７一０７—２６

用是将这些调用映射到和实际硬件设备相关的操作上［１］．图形用户接口位于用户应用程序和图形驱动程序之间，是能快速部署的中间层软件．作者设计了基于ｓｅｄｌ３３５的图形驱动程序和独立的图形用户接口，该驱动程序及图形用户接口已应用于某废气监测系统．１

图形驱动程序与图形用户接口

拥有图形用户界面的计算机通过窗口系统管理

应用程序在屏幕上的显示．图形用户界面系统的组成结构如图１所示［２］．其中Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ为用户应用程序，Ｔｏｏｌｋｉｔ和ＷｉｎｄｏｗｉｎｇＳｙｓｔｅｍ可以理解为图形用户接口，ＯｐｅｒａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ包含图形驱动．

作者简介：金锋（１９７０一），女，博士后，教授，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉｎｆｅｎ９２２６＠１６３．ｃｏｍ．

万方数据　

２３４

北京理工大学学报

第２８卷

作者进行了ＴｏｏｌＫｉｔ，ＷｉｎｄｏｗｉｎｇＳｙｓｔｅｍ以及操作系统中图形驱动部分的研究工作，并已经应用于某废气监测系统用户应用程序中．

［至Ａｐ巫ｐｌｉｃａ丑ｔｉｏｎ

［］画互］

匝垂亟至习

匝三亘困

图１

图形用户界面系统的组成

Ｆｉｕ．１

ＣｏｍＤｏｎｅｎｔｓｏｆ垡ｒａＤｈｉｃｓ

ｕｓｅｒ

ｉｎｔｅｒｆａｃｅ

２图形驱动程序设计

２．１

Ｌｉｎｕｘ设备驱动程序的概念

系统调用是通过操作系统内核和应用程序之间

的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口．设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样对应用程序来说，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作．设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下工作：

①对设备初始化和释放；

②将数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；

③读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；

④检测和处理设备出现的错误．

在Ｌｉｎｕｘ操作系统下有两类主要的设备文件类型，一种是字符设备，另一种是块设备［３］．

以下对本驱动程序中的重要部分予以说明．

２．２

ｉ／ｏ内存的二次映射及释放

使用Ｉ／ｏ内存时最普遍的硬件和软件处理方

式如下：设备对应于某些约定的物理地址，但是ＣＰＵ并没有预先定义访问它们的虚拟地址．这些约定的物理地址可以是硬件连接到设备上的，也可以是在启动时由系统固件（如ＢＩｏＳ）指定的．不管哪种方式，为了让软件可以访问Ｉ／０内存，必须有一种把虚拟地址赋予设备的方法．这个任务由ｉｏｒｅ—ｍａｐ函数完成Ｈｊ．

＃ｉｎｃｌｕｄｅ＜ａｓｍ／ｉｏ．ｈ＞

ｖｏｉｄ＊ｉｏｒｅｍａｐ（ｕｎｓｉｇｎｅｄｌｏｎｇｐｈｙｓ＿ａｄｄｒ．ｕｎ—

ｓｉｇｎｅｄｌｏｎｇｓｉｚｅ）；

万　

方数据ｖｏｉｄｉｏｕｎｍａｐ（ｖｏｉｄ＊ａｄｄｒ）ｌ

ｉｏｒｅｍａｐ的作用是把一个物理内存地址点映射为一个内核指针，被映射数据的长度由ｓｉｚｅ参数设定．本模块的功能是把一块ＳＲＡＭ区域二次映射到一个可以从驱动程序里访问的虚拟地址上去．

必须在卸载模块时解除映射关系和释放二次映射的区域．把ｉｏｒｅｍａｐ函数返回的那个指针传递到ｉｏｕｎｍａｐ函数可以解除映射关系，即

ｖｏｉｄｉｏｕｎｍａｐ（ｖｏｉｄ＊ａｄｄｒｅｓｓ）；

一旦有了ｉｏｒｅｍａｐ和ｉｏｕｎｍａｐ，设备驱动程序就能访问任何Ｉ／ｏ内存地址，而不管它是否直接映射到虚拟地址空间．

本驱动中使用：

ｍ—ｐｓｅｄｌ３３５一（ｐｓｅｄｌ３３５一ｄｅｖ）ｉｏｒｅｍａｐ—ｎｏ—

ｃａｃｈｅ

（ｓｅｄｌ３３５一ｓｙｓ—ａｄｄｒ，ｅｂｉ—ｓｅｄｌ３３５一ｓｉｚｅ）；ｉｏｕｎｍａｐ（ｍ—ｐｓｅｄｌ３３５）；

其中ｉｏｒｅｍａｐ—ｎｏｃａｃｈｅ将在一ｉｎｉｔ方法中被调用，实现二次映射；ｉｏｕｎｍａｐ将在模块卸载时调用，解除映射关系和释放二次映射的区域．

２．３

填充ｆｉｌｅ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ结构

由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道

的，所以对设备文件的操作方式是一些系统调用，如ｏｐｅｎ，ｒｅａｄ，ｗｒｉｔｅ，ｃｌｏｓｅ，……，而不是ｆｏｐｅｎ，ｆｒｅａｄ，……，但是要把系统调用和驱动程序关联起来，需要填充ｆｉｌｅ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ数据结构：

ｓｔｒｕｃｔ

ｆｉｌｅ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｓｅｄｌ３３５—．ｆｏｐｓ＝

｛

ｏｗｎｅｒ：ｔｈｉｓ—ｍｏｄｕｌｅ，

ｏｐｅｎ：

ｓｅｄｌ３３５一ｏｐｅｎ，ｒｅｌｅａｓｅ：ｓｅｄｌ３３５一ｒｅｌｅａｓｅ，ｉｏｃｔｌ：ｓｅｄｌ３３５一ｉｏｃｔｌ，ｗｒｉｔｅ：

ｓｅｄｌ３３５一ｗｒｉｔｅ，

｝；

该结构的每一个成员名字都对应着一个系统调用．用户进程利用系统调用对设备文件进行诸如ｒｅａｄ／ｗｒｉｔｅ操作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，然后把控制权交给该函数．

２．４

图形驱动程序中设备操作的重要函数ｓｅｄｌ３３５将６４ｋＢ显示ＲＡＭ分成文本显示特

性区和图形显示特性区，在文本显示特性区ＲＡＭ中每个字节的数据都认为是字符代码，在图形显示

第３期金锋等：轻量级嵌入式Ｌｉｎｕｘ图形驱动程序与图形用户接口

２３５

特性区ＲＡＭ中每个字节的数据直接被送到液晶显示模块上，这为绘图和输出字符以及汉字提供了方便．ｓｅｄｌ３３５提供了丰富的指令集，选择其中一部分即可满足系统的需要．此外，ｓｅｄｌ３３５分为４个显示区，可满足单屏和双屏的需要，在驱动程序中采用了单屏显示，第一显示区用作文本显示，第三显示区用作图形显示．ｓｅｄｌ３３５一ｉｏｃｔｌ函数是驱动程序中重要函数之一，完成开／背光、设置显示层以及坐标、画图等功能．ｓｅｄｌ３３５一ｉｏｃｔｌ结构如图２所示，ｓｅｄｌ３３５一ｉｏｃｔｌ函数定义如下：

ｓｔａｔｉｃｉｎｔｓｅｄｌ３３５一ｉｏｃｔｌ（ｓｔｒｕｃｔｉｎｏｄｅ＊ｉｎｏｄｅ，

ｓｔｒｕｃｔ

ｆｉｌｅ＊ｆｉｌｅ，ｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔｃｍｄ，ｕｎｓｉｇｎｅｄｌｏｎｇ

ａｒｇ）｛｝；

ｃａｇｅ

ＬＣＤ＿ＣＬＥＡＲ：清屏将设备从设备数

组中读取出来

Ｐａ马ｅ

ＢＡＣＫＬＩＧＨＴ＿ＯＦＦ：关背光

ｐｆｌｋｏ，ｅ，ＢＡＣＫＬＩＧＨＴ＿ＯＮ：开背光

ｃａｓｅ

ＣＯＬ＿ｊ＇ＡＲＡ＿ＧＥＴ：读当前显示层和坐标

判断ｉｏｃｔｌ命令

ｃ∞ｅｓｗｉｔｃｈ（ｃｍｄ）

ＣＯＬ＿ＰＡＲＡ＿ＳＥＴ：设置显示层和坐标ｃ∞ｅ

ＣＵＥＳＯＲ—ＤＩＲ—ＳＥＴ：设置光标自动移动ｃａｓｅ

ＳＥＴ＿ＬＩＮＥ＿ＤＲＡＷ：画直线ｃａｓｅ

ＩＮＶＥＲＴ．－ＤＩＳ＿ＯＮ：反显指定区域

ｃａｓｅ

ＩＮＶＥＲＴ＿ＤＩＳ＿ＯＦＦ：取消反显指定区域

图２

ｓｅｄｌ３３５一ｉｏｃｔｌ方法

Ｆｉｇ．２

ｓｅｄｌ３３５．．ｉｏｃｔｌｍｅｔｈｏｄ

３

图形用户接口

图形用户接口（ｇｒａｐｈｉｃａｌ

ｕｓｅｒ

ｉｎｔｅｄａｃｅ，ＧＵＩ），

通常人机交互图形化用户界面设计经常读作“ｇｏｏ－ｅｅ”，准确来说ＧＵＩ就是屏幕产品的视觉体验和互动操作部分．

现在面向嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统的图形用户界面包括：ＭｉｃｏｒｏＷｉｎｄｏｗｓ／ＮａｎｏＸ，ＯｐｅｎＧＵＩ，ＭｉｎｉＧＵＩ，ｕｃＧＵＩ，ＬＧＵＩ，ｓｗＧＵＩ等．嵌入式ＧＵＩ具备以下特点：

①体积小；

②运行时耗用系统资源小；

③上层接口与硬件无关，高度可移植；④高可靠性；

⑤在某些应用场合应具备实时性．３．１嵌入式Ｌｉｎｕｘ的ＧＵＩ系统底层实现基础

一个能够移植到多种硬件平台上的嵌入式ＧＵＩ系统，应用方面至少抽象出两类设备：基于图

万　

方数据形显示设备（如ＶＧＡ卡）的图形抽象层ＧＡＬ

（ｇｒａｐｈｉｃａｂｓｔｒａｃｔ

ｌａｙｅｒ）和基于输入设备（如键盘，

触摸层等）的输入抽象层ＩＡＬ（ｉｎｐｕｔ

ａｂｓｔｒａｃｔｌａｙ—

ｅｒ）．ＧＡＬ层完成系统对具体的显示硬件设备的操作，尽量隐蔽各种不同硬件的技术实现细节，为程序开发人员提供统一的图形编程接口．ＩＡＬ层则需要实现对于各类不同输入设备的控制操作，提供统一的调用接口．ＧＡＬ层与ＩＡＬ层的设计概念如图３所示．它们可以极大地提高嵌入式ＧＵＩ程序的可移植性．

ＡＰＩ编程接口嵌入式ＧＵＩ

图３可移植嵌入式ＧＵＩ的结构

Ｆｉｇ．３

Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ

ｐｏｒｔａｂｌｅ

ｅｍｂｅｄｄｅｄＧＵＩ

３．２图形用户接口的特点

①对嵌入式系统，采用Ｃ语言编程以提高程序运行速度．

②对ＩＡＬ层简化，去掉对鼠标设备的支持以适应某些自动设备的需要．．

③支持点阵字库．

④对屏幕显示用ｓｔｒｕｃｔｗｉｎｄｏｗ进行封装．⑤对每个按钮、输入框、静态框等用ｓｔｒｕｃｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ进行封装．

⑥整个系统采用多线程，ｖｏｉｄ＊ｒｅａｄ—ｋｅｙ—

ｔｈｒｅａｄ（）线程读取用户输入；ｖｏｉｄ＊ｓｃｒｅｅｎ—ｔｈｒｅａｄ（）线程进行屏幕刷新等操作；ｖｏｉｄ＊ｂａｃｋ—ｃｏｍｐｕｔｅ＿ｔｈｒｅａｄ（）线程对数据进行处理操作．３．３输入及用户指令

对于用户指令及用户输入（对于读取函数来说都只表现为单个字符），使用单一线程ｖｏｉｄ＊ｒｅａｄ—ｋｅｙ＿ｔｈｒｅａｄ（）进行读取，采用无阻塞方式．并把读到的指令或者用户输入存入缓存，使用堆栈式数据结构，为防止ｖｏｉｄ＊ｒｅａｄ—ｋｅｙ—ｔｈｒｅａｄ（）和ｖｏｉｄ＊ｂａｃｋ＿ｃｏｍｐｕｔｅ＿ｔｈｒｅａｄ（）对输入缓存读取时发生竞争，使用ｐｔｈｒｅａｄ—ｍｕｔｅｘ—ｌｏｃｋ（＆ｍ—ｍｕｔｅｘ）函数对输入缓存进行控制．

３．４用户设定输入处理函数

采用类似于ＷｉｎｄｏｗｓＴＭ的窗口回调函数，便于用户设定自己的消息处理函数．每一个控件（按钮、输入框、静态框等）也可以定义各自的消息处理函

２３６

北京理工大学学报

第２８卷

数，更方便用户针对各种不同应用编写特定的消息处理函数．各种回调函数的调用级别如图４所示．

口具有以下特点：

①具有良好的扩展性、较高的稳定性和较快的响应速度；

②适用于工业领域；

③对窗口以及控件有良好的封装．

嚣

但是，本系统在对字符集的支持、窗口间的协调等方面还需进一步改进．

参考文献：

Ｅ１３

Ｃｏｒｂｅｔ

Ｊ，ＲｕｂｉｎｉＡ，Ｋｒｏａｈ－ｈａｒｔｍａｎＧ．Ｌｉｎｕｘｄｅｖｉｃｅ

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ＦｅｙｎｍａｎＳｏｆｔｗａｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ，２００６：３１—３２．

回

图４回调函数

Ｆｉｇ．４

Ｃａｌｌｂａｃｋｆｕｎｃｔｉｏｎｓ

［３３

Ｃｏｒｂｅｔ

Ｊ，Ｒｕｂｉｎｉ

Ａ，Ｋｒｏａｈ－ｈａｒｔｍａｎＧ．Ｌｉｎｕｘｄｅｖｉｃｅ

ｄｒｉｖｅｒｓ［Ｍ］．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ：Ｏ’ＲｅｉｌｌｙＭｅｄｉａ，２００５：５—７．［４］Ｍａｔｔｈｅｗ

Ｎ，Ｓｔｏｎｅ

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ＭａｔｔｈｅｗＮ，ＳｔｏｎｅＲ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＬｉｎｕｘｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ

［Ｍ］．ＹａｎｇＸｉａｏｙｕｎ，ＷａｎｇＪｉａｎｑｉａｏ，Ｙａｎｇ

４

Ｔａｏ，ｅｔａｌ

结论

ｔｒａｎｓｌ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｉｎａＭａｃｈｉｎｅＰｒｅｓｓ，２００２．（ｉｎＣｈｉ—

ｎｅｓｅ）

本驱动程序及图形用户接口已应用于某废气监测系统用户应用程序中，作者所开发的图形用户接

（责任编辑：康晓伟）

（上接第２１０面）

４

社，２００５．

ＹｕＦａｎ，ＬｉｎＹｉ．Ｖｅｈｉｃｌｅ

ｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ

结论

ＭａｃｈｉｎｅＰｒｅｓｓ。２００５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

针对传统的转向系统转向性能的不足即“转向特性随车速以及转向盘转角的变化，传动比不变，给驾驶员带来较大的体力和精神负担”的问题，提出了３种线控转向变传动比控制规律，有效改善了车辆的转向特性．并对各种变传动比控制方案对整车操纵稳定性能的影响进行了分析，比较了各种变传动比控制规律的优缺点．仿真结果表明：基于方案３设置的变传动比控制规律整体性能最好．

参考文献：

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［Ｃ］／／ＳＡＥ

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ｓｙｓｔｅｍｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｆｏｒ

ｓｔｅｅｒ

ｂｙ

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ｓｙｓｔｅｍｉＣ］／／

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Ｐａｐｅｒ．Ｄｅ—

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ｏｆ

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Ｃｈｉｎａ

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（责任编辑：匡梅）

万方数据　

轻量级嵌入式Linux图形驱动程序与图形用户接口

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

金锋， 武志辉， JIN Feng， WU Zhi-hui

北京理工大学信息科学技术学院自动控制系,北京,100081北京理工大学学报

TRANSACTIONS OF BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY2008,28(3)2次

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3.Corbet J;Rubini A;Kroah-hartman G Linux device drivers 20054.Matthew N;Stone R;杨晓云;王建桥,杨涛 Linux程序设计 2002

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1. 靳京.桑楠.刘一.JIN Jing.SANG Nan.LIU Yi 基于XML的嵌入式Linux系统用户界面定制[期刊论文]-电子科技大学学报2007,36(3)

引证文献(3条)

1.代鑫.张承宁.王志福.李军求 基于CAN总线通讯混合动力挖掘机显示终端开发[期刊论文]-现代科学仪器 2010(2)2.赵小欢.夏靖波.李明辉 基于ARM和FPGA的视频监控系统设计[期刊论文]-液晶与显示 2010(1)3.苏锦.王震.陈嘉丰 基于arm的虚拟直流电测量仪器[期刊论文]-现代电子技术 2013(8)

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