GUI 简介
用户界面（User Interface，简称UI）作为计算机系统与用户之间实现交互操作与信息交换的核心接口，承担将机器信息以人类可直观辨识的形式进行呈现的关键功能。其本质是一类为协调计算机硬件与用户操作而专门设计的软件，旨在提升用户操作效率与体验，辅助用户通过硬件设备高效完成目标任务。
图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）作为 UI 的一种重要实现形式，通过图形化方式呈现操作环境，显著提升界面的友好性与交互效率。其凭借直观、易用的特性，使用户能够更加便捷地操作计算机及相关设备。
目前，GUI技术已在消费电子、企业应用、工业控制及日常生活等多个领域实现广泛应用，成为推动数字化社会建设的重要基础技术。
需要区分的是，人机界面（Human-Machine Interface，HMI）与图形用户界面（GUI）在范畴与侧重上存在明显差异。HMI 通常指工业环境中用于人与设备交互的硬件系统，如控制面板、触摸屏和操作终端等，强调物理层面的交互介质；而 GUI 则侧重于软件层面，指代在计算机系统中以图形方式实现的用户接口。简而言之，HMI 侧重于硬件载体，GUI 侧重于软件实现，二者在工业自动化和信息系统中有机结合，共同支撑起高效的人机协同体系。
GUI 分类
在嵌入式领域，图形用户界面的技术选型与底层硬件平台和操作系统环境紧密耦合，直接决定了产品的性能、成本与用户体验。根据硬件和操作系统不同，可从以下维度对 GUI 进行分类：
1. 按硬件计算平台划分
面向微控制器（MCU）平台的轻量级 GUI
这类 GUI 的解决方案，主要为资源受限的微控制器（MCU）设计，受限于主频、内存（通常为KB级）及功耗等资源。因此，GUI 方案需要高度轻量化，占用资源少，并且具有确定性的实时响应能力。这使其成为成本敏感和低功耗应用中实现图形交互功能的高性价比之选。
面向 微处理器（MPU）平台的高性能 GUI
这类方案基于性能强大的微处理器（MPU），通常拥有MB至GB级的内存，有的还集成了专用GPU。强大的硬件基础使其能够实现复杂的图形渲染、流畅的动画效果、多媒体处理以及先进的图形框架。对于追求卓越视觉体验的高性能嵌入式设备而言，MPU 平台 GUI 是打造丰富用户交互的首选方案。
2. 按操作系统支持划分
裸机 GUI（Bare-metal GUI）：，不依赖底层操作系统，直接运行于硬件之上。通常架构轻量、响应延迟低，主要应用于微控制器（MCU）环境，适用于功能相对简单、无需多任务管理的应用。
操作系统 GUI（OS-based GUI）：操作系统又分为 RTOS 和通用 OS。运行在 RTOS 上的 GUI 相比通用 OS 资源占用更少，实时响应快，任务少也简单。运行于通用 OS，如Linux、Android等高性能操作系统。拥有强大的计算能力、完善的驱动支持和极其丰富的软件生态。可轻松集成多媒体、复杂网络协议、高级图形效果（如3D渲染），并利用海量开发工具和库，极大缩短了复杂产品的开发周期。
显示技术
显示技术是利用电子技术提供变换灵活的视觉信息的技术。显示设备已成了计算机信息处理系统必不可少的一种设备，实现信息识别和交互操作等。计算机显示技术的发展必将会推动图形用户界面的发展。
显示类型LCD
LCD 是英文 Liquid Crystal Display 的缩写，中文是液晶显示。液晶显示器件（liquid crystal display device）是利用液晶光电效应实现显示的器件。液晶显示器件通过施加外部电场来精确控制液晶分子的取向，对通过其间的光线进行调制，实现图像信息显示的电子光学器件。
按驱动控制方式不同，LCD 分为有源矩阵显示（active matrix display)和无源矩阵显示（passive matrix display)。
薄膜晶体管液晶显示（thin film transistor liquid crystal display，TFT-LCD）是一种有源矩阵显示，带有薄膜晶体管的有源矩阵寻址液晶显示，每个像素都由一个（或多个）薄膜晶体管开关控制，是目前主流的显示技术。
在有源矩阵显示中，按液晶构型常见以下子类别：
还有其他的类型，如STN（Super-twisted nematic）、PLS（Plane to Line Switching）、ASV（Advanced Super-V）、FFS（Fringe Field Switching）
OLED
OLED（organic light emitting diode），中文称为有机发光半导体，在两个电极之间，包含由有机化合物组成的电致发光区的发光半导体。有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。OLED显示技术具有自发光、广视角、几乎无穷高的对比度、较低耗电、极高反应速度等优点。
OLED显示器按驱动方式的不同，又可分为无源式（Passive Matrix，PMOLED）与有源式（Active Matrix，AMOLED）。
Micro LED
微发光二极管显示器（Micro Light Emitting Diode Display，Micro LED Display），是指由高密度集成的、尺寸在微米级的微型LED芯片阵列所构成的自发光显示技术。每个Micro LED芯片均可作为一个独立的像素单元，具备完整的发光特性，从而实现像素级的精确控制，无需背光模组和液晶层，从根本上改变了显示器的结构与性能。
TFT-LCD、OLED 和 Micro LED 显示原理比较：
图片来自：维基百科
### 显示器主要参数
TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）作为目前应用最广泛的显示技术，其性能由一系列关键参数决定。了解这些参数，无论是选购显示器还是进行技术评估都至关重要。
以下是TFT-LCD显示器的主要参数
显示接口
与电视、手机、平板等消费电子产品不同，面向嵌入式设备上的TFT-LCD接口选择更加多样化，并且需要考虑到成本、功耗、处理器性能、尺寸等因素。
嵌入式设备通常直接与微控制器（MCU）或微处理器（MPU）相连的接口有：
GUI 工具
TouchGFX - TouchGFX是一款专为STM32微控制器优化的高级图形用户界面框架。该框架充分发挥STM32的图形硬件加速能力及其生态系统优势，支持从低色彩到高分辨率等多种UI应用场景，能够在有限内存条件下流畅运行，实现媲美智能手机的高质量用户界面。
LVGL - LVGL（Light and Versatile Graphics Library，轻量级多功能图形库）是目前最受欢迎的开源嵌入式图形库，旨在为任何 MCU、MPU 和显示器创建美观的用户界面。其最核心的优势在于，能够在极小的内存占用（仅需约 64KB Flash 和 16KB RAM）下，提供堪比智能手机的丰富用户体验。它提供了超过 30 种内置控件（如按钮、图表、滑块等）和 100 多种样式属性，支持高级图形效果，如动画、抗锯齿、平滑滚动和透明度。
emWin - emWin是SEGGER推出的嵌入式图形库，专为资源受限的微控制器系统设计，可在有限资源条件下实现高质量交互式图形界面。该库提供完整的API与图形工具集，支持从简单到复杂的高分辨率显示方案，适配多种显示器尺寸、控制器及CPU架构。
Embedded Wizard - Embedded Wizard 是由 TARA Systems 开发的一款专业级嵌入式 GUI 解决方案，其核心目标是简化高性能图形用户界面的开发过程。它并非一个简单的库，而是一个完整的工具链，旨在帮助开发者创建平台无关、资源占用极低且视觉效果出色的 GUI，即使在资源受限的微控制器上也能实现。
μGFX - µGFX 是一个开源、轻量级的嵌入式图形库，专为显示器和触摸屏提供构建全功能 GUI 所需的一切。其最核心的特点是极致的模块化设计，通过编译时的代码排除机制，所有未启用的功能都不会被编译进最终固件，从而确保了库的体积最小化和运行效率最大化。
QT for MCU - Qt for MCUs 是一个专业的图形框架和工具链，旨在将 Qt 强大的、类似智能手机的用户体验带入资源极其受限的微控制器（MCU）领域。它解决了在低成本、低功耗的 MCU 上难以实现现代化、高性能 GUI 的行业痛点。Qt for MCUs 允许开发者在 MCU、MPU 甚至桌面应用之间复用 UI 代码和设计资产，从而显著缩短开发周期、降低物料清单（BOM）成本，并确保多设备间体验的一致性。
Eclipse ThreadX GUIX - Eclipse ThreadX GUIX 是一个专业级的、工业级的嵌入式 GUI 解决方案，专为深度嵌入、实时和物联网应用设计。它与 ThreadX RTOS 完全集成，其核心优势在于极小的内存占用、快速的执行速度以及出色的可移植性，最低仅需 13.2KB 的闪存和 4KB 的 RAM，使其能轻松运行在各种资源受限的硬件上。
Altia - Altia 是一家专业的嵌入式 GUI 解决方案提供商，其核心价值在于提供从“概念到生产”的端到端（Single Source）服务。这意味着 Altia 不仅提供一套完整的软件工具链，还配备了专业的工程服务，帮助客户（尤其是汽车行业的 OEM 和一级供应商）设计、开发并部署高质量、品牌化的图形用户界面。
AWTK - AWTK（全称 Toolkit AnyWhere）是由 ZLG 开发的一款开源、跨平台的图形用户界面（GUI）引擎，其核心目标是为从嵌入式设备到桌面应用、移动端乃至 Web 端的全平台应用，提供一个统一、强大且高效的开发解决方案。AWTK 是一个功能强大、高度集成的跨平台 GUI 引擎，能在从嵌入式裸机到桌面、移动端及Web的全平台上高效运行。它通过脏矩算法及硬件加速技术确保流畅性能，并经过严格测试以保证其高可靠性。其配套的所见即所得设计器（AWTK Designer）和丰富的控件、动画功能，极大地简化了炫酷界面的开发过程。更重要的是，它采用专为嵌入式优化的 MVVM 架构，彻底分离界面与业务逻辑，同时具备高度的可扩展性，让开发者能够灵活定制。
GuiLite - GUI-lite 是一个秉持“大道至简”理念的开源、跨平台图形用户界面库。其最显著的特点是极致的轻量级：整个库仅由 4 千行 C++ 代码构成，并被封装在单一的头文件（GuiLite.h）中，实现了零外部依赖，极大地方便了集成与移植。这种设计使其能够在资源极其受限的硬件上高效运行，最低要求仅为 24MHz 处理器、29KB ROM 和 9KB RAM，完美适用于各类单片机（MCU）。
EEZ Studio - EEZ Studio 是一个功能独特且完全免费开源的桌面应用程序，它将嵌入式 GUI 开发与测试测量（T&M）仪器自动化这两大核心功能集于一身，提供了一个高度整合的解决方案。在 GUI 开发方面，EEZ Studio 提供了一个直观的拖放式设计环境，并内置了对强大的 LVGL 图形库的支持。其最突出的特点是 EEZ Flow——一种基于流程图的低代码/无代码编程方式。这使得开发者和非程序员都能快速为界面添加复杂的交互逻辑，而无需编写大量传统代码，极大地加速了从原型到最终产品的开发过程。
Storyboard - Storyboard是加拿大的嵌入式图形解决方案提供商 Crank AMETEK 的MCU和MPU嵌入式UI图形平台，可帮助加快明天嵌入式设备的现代UI体验的设计和开发。在嵌入式图形应用程序开发领域拥有20年的专业经验知识。产品主要应用于家电、工业、物联网、医疗、汽车、智能家居等领域。Storyboard 是一个由 Crank 公司开发的专业级嵌入式 GUI 开发框架，旨在帮助开发团队在从 MCU 到 MPU 的各种硬件上，快速创建卓越的、堪比智能手机的用户体验。
GUIslice - GUIslice 是一个专为嵌入式系统设计的开源、轻量级 GUI 框架。其最大特点是能够在资源极其有限的设备上运行（如仅有 2KB RAM 的 8 位 Arduino），并且核心库采用纯 C 语言编写，避免了动态内存分配，从而确保了系统的高稳定性和可预测性。它提供了一个名为 GUIslice Builder 的跨平台桌面工具，用户可以通过拖放式操作直观地设计界面，并自动生成基础的 C 代码框架，大大简化了开发流程。
SquareLine Studio - SquareLine Studio 是一款面向嵌入式开发的可视化 UI 设计工具，它通过拖放式操作，极大地简化了美观图形界面的创建过程。其核心价值在于“所见即所得”的高效开发流程：设计师可以在软件中直接完成设计、原型预览和迭代，而无需每次都进行代码编译和烧录，点击播放即可看到像素级完美的实时效果。该工具最关键的特点是构建在广受欢迎的 LVGL 嵌入式图形库之上。SquareLine Studio 本身是设计前端，它生成的是供 LVGL 运行的 C 或 MicroPython 代码。这意味着它继承了 LVGL 的所有核心优势：轻量级（资源占用极低）、跨平台（不依赖特定硬件，支持各类 MCU 和显示屏）和强大的生态系统（活跃的社区和广泛的平台支持）
µGUI - µGUI 是一个为嵌入式系统设计的免费开源图形库。它具有平台无关性，可以轻松地移植到几乎任何微控制器系统上。只要显示器能够显示图形，µGUI 就不局限于特定的显示技术，因此它支持 LCD、TFT、电子墨水屏、LED 或 OLED 等多种显示技术。尽管设计轻量，µGUI 却提供了一套完整的 GUI 功能，包括窗口、按钮、文本框等常用对象，以及多种字体和基本的几何绘图功能。其最突出的优点是无需进行有风险的动态内存分配，这极大地增强了在资源受限的嵌入式环境下的稳定性和可靠性。此外，它还支持多种触摸屏技术，为用户交互提供了灵活的解决方案。
Guiliani - Guiliani是一款专为嵌入式系统设计的高性能图形用户界面（GUI）框架，致力于提升GUI应用的开发效率与视觉表现力。该框架融合了基于PC端的便捷开发工具与高度优化的嵌入式软件架构，即使在资源受限的硬件环境中也能稳定运行。采用现代C++架构确保代码的健壮性与可维护性，并搭配集成开发环境 Guiliani Streaming Editor（GSE），支持以图形化方式设计和修改GUI组件及相关逻辑，同时统一管理图像、文本、音频等资源，从而显著减少手动编码工作量，缩短开发周期。
GUI Guider - GUI Guider是恩智浦推出的一款直观图形用户界面开发工具，旨在通过集成开源LVGL图形库，高效构建高品质嵌入式显示解决方案。该工具基于拖放式编辑器，使开发者能够充分利用LVGL的丰富特性，如小部件、动画和样式，以最小或无需编码的方式快速设计GUI。用户可一键在模拟环境中验证应用逻辑，或直接将生成代码导出至目标项目，无缝集成到MCUXpresso IDE或IAR Embedded Workbench等主流开发环境，从而显著加速开发进程，降低嵌入式用户界面实现的复杂性。此外，GUI Guider免费兼容恩智浦通用及跨界MCU系列，并提供多平台内置模板、资源管理及性能加速选项，进一步支持快速原型设计与部署，提升开发效率。
MicroEJ - 嵌入式图形用户界面（GUI）是为嵌入式系统（包括微控制器和单板计算机）量身定制的专用软件界面。这些界面促进用户与系统的交互，允许通过图标、按钮、滑块和文本框等各种视觉组件进行控制和监控。MicroEJ 的嵌入式 GUI 解决方案为客户提供美观且高性能的体验，适用于可穿戴设备、家用电器、智能家居、医疗设备以及任何紧凑型电子产品等多样化市场。用户可以受益于这些嵌入式 GUI 的卓越速度，确保卓越的体验并保持客户参与。除了吸引人的视觉效果外，丰富的动画和交互增强了可用性，而 MicroEJ 跨多种电子设备的适应能力通过在多个产品线中重用图形组件，最大化了设计投资，最终简化了开发流程。这种适应性不仅节省时间，还促进了产品设计创新。
GEMstudio Pr - MiniGUI 专为基于 Linux/uClinux、eCos 以及其他传统 RTOS（如 RT-Thread、RTEMS、FreeRTOS、VxWorks、ThreadX、Nucleus、pSOS、uC/OS-II、OSE 等）的嵌入式系统或智能物联网设备设计。特别是，MiniGUI 作为 HybridOS 的窗口系统运行。
QD Plus - QD Plus是一款由上海驻利电子有限公司自2011年起持续研发和迭代的专业嵌入式GUI（图形用户界面）开发工具。它以所见即所得（WYSIWYG）的设计方式和自动生成C代码的核心机制，致力于帮助开发者大幅缩短开发周期、降低成本，并加速产品上市进程，在工业控制与汽车电子领域拥有成熟的应用案例。
GUI 发展GUI 发展阶段
第一阶段：受限于8位/16位MCU的极低性能和资源，设备操作逻辑简单，主要通过物理按键、旋钮进行输入，用户界面主要用于显示状态和数值。
第二阶段: 32位ARM Cortex-M/MCU和Cortex-A/MPU成为主流，设备功能变得复杂，物联网技术的兴起也使其具备了联网功能。设备需要展示更丰富的数据（如传感器信息、网络状态）、支持远程配置和更复杂的用户设置。专业化的 GUI 工具（emWin、TouchGFX、Qt Embedded）出现，“所见即所得”的开发模式使得开发复杂的、多页面的、带有动画效果的界面成为可能。
第三阶段：人工智能（特别是边缘AI）的发展，设备演变为边缘智能节点，成为当前阶段最核心的驱动力。强大的终端算力使轻量化AI模型可以在本地部署GUI 从“被动的信息显示器” 转变为 “主动的智能交互界面”。它能够通过语音和视觉进行多模态交互，能够感知用户情境与意图，甚至能预测需求并提供主动服务。GUI 不再仅仅是操作工具，而是成为连接物理世界与数字世界的智能入口，开启了人机交互的新篇章。
主要驱动力
嵌入式人机界面（HMI）一直在不断发展演进，随着新技术、新产品的出现，HMI的设计也在发生变化。电子产品越来越智能、功能也越多，除基本的信息显示功能外，也需要产品功能更易操控，获得更友好的交互体验。GUI与语音助手、计算机视觉深度融合，形成多模态交互。用户可以通过最自然的方式与设备沟通。
推动嵌入式图形用户界面（GUI）发展的因素主要有以下几个方面：
底层硬件性能持续提升。高性能MCU/MPU及专用图形加速硬件的普及，为运行复杂图形库提供了算力与渲染能力。高性能MPU（通常带有GPU）具有强大的计算与图形处理能力，可以处理高分辨率图形、复杂动画、多图层叠加和视频播放等，自然也催生了丰富的 GUI 开发生态；而在 8/32 位等低端 MCU 中引入现代化 UI，则持续推动着轻量级的图形库在低内存占用与高效率方面的技术演进。
用户交互体验的提高。受消费电子产品的影响，用户对工业、家居及车载等嵌入式设备的界面流畅度、视觉美观度和交互提出了更高要求。GUI 工具不再是简单的图形库，而是成为了一个能够将创意高效地转化为卓越用户体验的设计平台。
开发工具链的完善成熟。面向嵌入式系统的专业 GUI 框架（如面向MCU的 LVGL、TouchGFX、Qt for MCUs）正不断成熟，既能实现丰富的 UI 功能，又不会占用太多系统资源。同时，GUI 模拟器越来越完善，并与集成开发环境结合，有效降低了界面设计的复杂度并缩短了开发周期。
芯片厂商的生态建设。在处理器产品同质化竞争的背景下，芯片厂商在加速战略布局细分市场，处理器产品的竞争转向了生态的竞争。主流芯片厂商越来越多地提供软硬件结合的解决方案，将 GUI 框架、操作系统与自家处理器芯片进行深度适配与优化。这种趋势降低了用户的整体开发门槛，也推动了的嵌入式GUI解决方案的普及。这种生态绑定极大地增强了客户粘性，为芯片厂商构建了强大的战略护城河。
边缘人工智能的发展。边缘计算与轻量化 AI 模型的融合，正在重塑 GUI 的角色与能力。借助处理器日益强大的计算能力（有的MCU/MPU具有了 NPU，神经网络处理单元）和异构计算架构，高效的轻量化的人工智能模型得以在本地部署。这使得 GUI 不再仅仅是一个被动的“信息显示”，而是蜕变为一个主动的“智能交互代理”：它能够通过语音和视觉等进行多模态交互，能够感知用户所处的情境与意图，甚至能预测需求并提供主动服务。这种本地化的智能，不仅保证了低延迟和数据隐私，更开启了人机交互的新篇章。
开源与商业化 GUI 的协同进化。在嵌入式 GUI 领域，开源与商业并非对立，而是一种高效的分工与协作。如，开源项目LVGL扮演了市场“拓荒者”的角色，以其开放性快速普及技术，为整个生态奠定了广泛的用户基础；而商业方案则在此基础上进行“精耕细作”，通过提供专业的工具链、可靠的技术支持和企业级服务，将技术价值最大化，满足高端市场的严苛需求。很多芯片公司基于LVGL的图形库构建了GUI的开发工具，
小结
GUI本质上是人与设备交互的界面。随着产品功能日益丰富，用户对交互体验的要求也不断提高，这导致界面设计日趋复杂。GUI工具链的出现，有效降低了开发复杂界面的门槛，使开发者能将新创意快速引入嵌入式设备，从而提升了设备的交互水平。
在芯片厂商和开源社区的共同推动下，GUI生态系统日趋成熟，也加速了其在嵌入式市场的普及。当前，人工智能技术的发展，特别是设备与大模型交互能力的增强，正推动GUI进行新的演进。未来的界面需要适应AI带来的新交互模式，这为人机交互带来了新的方式。
评论(0)