嵌入式Linux的MiniGUI研究和移植

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，PDA、機(jī)頂盒、DVD/VCD播放機(jī)及WAP手機(jī)已經(jīng)迅速普及。圖形用戶(hù)界面（GUI）的廣泛流行，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的重大成就之一。它極大地方便了非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)的使用，因此實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)對(duì)GUI的需求越來(lái)越明顯，而這一切均要求有一個(gè)高性能、高可靠的GUI 的支持。

由于嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求非常高，對(duì)GUI的要求也更高。這些系統(tǒng)一般不希望建立在龐大累贅的、非常消耗系統(tǒng)資源的操作系統(tǒng)和GUI之上，比如Windows或X Window，太過(guò)龐大和臃腫。這樣，這些系統(tǒng)對(duì)輕型GUI的需求更加突出。另外嵌入式系統(tǒng)往往是一種定制設(shè)備，它們對(duì)GUI的需求也各不相同。有些系統(tǒng)只要求一些圖形功能，而有些系統(tǒng)要求完備的GUI支持，因此，GUI也必須是可定制的。嵌入式系統(tǒng)對(duì)GUI的基本要求包括輕型、占用資源少、高性能、高可靠性及可配置[1]。

1.2 目前嵌入式系統(tǒng)中GUI的實(shí)現(xiàn)

　　盡管實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)對(duì)GUI的需求越來(lái)越明顯，但目前GUI的實(shí)現(xiàn)方法各有不同[1]：

① 某些大型廠商有能力自己開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足自身需要的GUI系統(tǒng)。

② 某些廠商沒(méi)有將GUI作為一個(gè)軟件層從應(yīng)用程序中剝離，GUI的支持邏輯由應(yīng)用程序自己來(lái)負(fù)責(zé)。③ 采用某些比較成熟的GUI系統(tǒng)，比如 Mini GUI、MicroWindows 或者其它GUI系統(tǒng)。

比較常用的有如下幾種GUI系統(tǒng)：緊縮的X Window 系統(tǒng)、MiniGUI、MicroWindows、OpenGUI及QT/Embedded 等。下面簡(jiǎn)單介紹這些系統(tǒng)。

（1）MiniGUI

MiniGUI[2]由原清華大學(xué)教師魏永明先生開(kāi)發(fā)，是一種面向嵌入式系統(tǒng)或者實(shí)時(shí)系統(tǒng)的圖形用戶(hù)界面支持系統(tǒng)。它主要運(yùn)行于Linux控制臺(tái)，實(shí)際可以運(yùn)行在任何一種具有POSIX線(xiàn)程支持的 POSIX兼容系統(tǒng)上。MiniGUI同時(shí)也是國(guó)內(nèi)最早出現(xiàn)的幾個(gè)自由軟件項(xiàng)目之一。稍后將對(duì)它作詳細(xì)的介紹。

（2）MicroWindows

MicroWindows[3]是一個(gè)著名的開(kāi)放源碼的嵌入式GUI軟件。MicroWindows提供了現(xiàn)代圖形窗口系統(tǒng)的一些特性。MicroWindows API接口支持類(lèi)Win32 API，接口試圖和Win32完全兼容。它還實(shí)現(xiàn)了一些Win32用戶(hù)模塊功能。MicroWindows采用分層設(shè)計(jì)方法，以便不同的層面能夠在需要的時(shí)候改寫(xiě)，基本上用 C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。MicroWindows已經(jīng)支持 Intel 16位和32位CPU、MIPS R4000 以及 ARM 芯片；但作為一個(gè)窗口系統(tǒng)，該項(xiàng)目提供的窗口處理功能還需要進(jìn)一步完善，比如控件或構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)還很不完備，鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等的驅(qū)動(dòng)還很不完善。

（3）OpenGUI

OpenGUI[4]在Linux系統(tǒng)上存在已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了。這個(gè)庫(kù)是用C++編寫(xiě)的，只提供C++接口。OpenGUI基于一個(gè)用匯編實(shí)現(xiàn)的x86圖形內(nèi)核，提供了一個(gè)高層的C/C++圖形/窗口接口。OpenGUI提供了二維繪圖原語(yǔ)、消息驅(qū)動(dòng)的API及BMP文件格式支持。OpenGUI功能強(qiáng)大，使用方便。OpenGUI 支持鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的事件，在Linux上基于Frame buffer或者SVGALib實(shí)現(xiàn)繪圖。由于其基于匯編實(shí)現(xiàn)的內(nèi)核并利用MMX指令進(jìn)行了優(yōu)化，OpenGUI運(yùn)行速度非?？?。正由于其內(nèi)核用匯編實(shí)現(xiàn)，可移植性受到了影響。通常在驅(qū)動(dòng)程序一級(jí)，性能和可移植性是矛盾的，必須找到一個(gè)折衷。

（4）QT/Embedded

QT/Embedded[5]是著名的QT庫(kù)開(kāi)發(fā)商Trolltech 的面向嵌入式系統(tǒng)的QT版本。這個(gè)版本的主要特點(diǎn)是可移植性較好，許多基于QT的X Window程序可以非常方便地移植到嵌入式系統(tǒng)；但是該系統(tǒng)不是開(kāi)放源碼的，如果使用這個(gè)庫(kù)，可能需要支付昂貴的授權(quán)費(fèi)用。

2 MiniGUI的特點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)

2.1 MiniGUI的特點(diǎn)

MiniGUI的主要特點(diǎn)有[1]：
遵循GPL條款的純自由軟件。
提供了完備的多窗口機(jī)制，包括：
多個(gè)單獨(dú)線(xiàn)程中運(yùn)行的多窗口；
單個(gè)線(xiàn)程中主窗口的附屬；
　　對(duì)話(huà)框和預(yù)定義的控件類(lèi)（按鈕、單行和多行編輯框、列表框、進(jìn)度條及工具欄等）；
　　消息傳遞機(jī)制。
多字符集和多字體支持，目前支持 ISO8859-1、GB2312及Big5 等字符集，并且支持各種光柵字體和 TrueType、Type 1 等矢量字體。
全拼和五筆等漢字輸入法支持。
BMP、GIF、JPEG及PCX 等常見(jiàn)圖像文件的支持。
Windows的資源文件支持，如位圖、圖標(biāo)、光標(biāo)、插入符、定時(shí)器及加速鍵等。
小巧。包含全部功能的庫(kù)文件大小為300 KB左右。
可配置?？筛鶕?jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行定制配置和編譯。
高穩(wěn)定性和高性能。MiniGUI已經(jīng)在Linux發(fā)行版安裝程序、CNC系統(tǒng)及藍(lán)點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)等關(guān)鍵應(yīng)用程序中得到了實(shí)際應(yīng)用。
可移植性好。目前，MiniGUI可以在X Window 和Linux控制臺(tái)上運(yùn)行。中科院EEOS開(kāi)發(fā)組已經(jīng)成功地將MiniGUI移植到了他們的POSIX兼容系統(tǒng)上。藍(lán)點(diǎn)軟件（北京）研發(fā)中心也已經(jīng)成功地將 MiniGUI移植到了兩款基于StrongARM的嵌入式系統(tǒng)上。

2.2 MiniGUI的體系結(jié)構(gòu)

從整體結(jié)構(gòu)上看，MiniGUI是分層設(shè)計(jì)的，層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。在最底層，GAL和IAL提供底層圖形接口以及鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)；中間層是MiniGUI 的核心層，包括窗口系統(tǒng)必不可少的各個(gè)模塊；最頂層是API，即編程接口。GAL和IAL為 MiniGUI提供了底層的Linux控制臺(tái)或者X Window 上的圖形接口以及輸入接口，而Pthread用于提供內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程支持的C函數(shù)庫(kù)。
利用GAL和IAL，大大提高了MiniGUI的可移植性，并且使程序的開(kāi)發(fā)和調(diào)試變得更加容易?？梢栽赬 Window上開(kāi)發(fā)和調(diào)試自己的MiniGUI程序，通過(guò)重新編譯就可以讓MiniGUI應(yīng)用程序運(yùn)行在特殊的嵌入式硬件平臺(tái)上。 

3 MiniGUI的移植
筆者的項(xiàng)目DVD720工作在μC/OS嵌入式操作系統(tǒng)下，核心CPU為MIPS芯片。該平臺(tái)是SUNPLUS公司提供的一個(gè)多媒體平臺(tái)，不僅僅實(shí)現(xiàn)DVD的播放，還包含一些附加功能，例如游戲、卡拉OK、VOD及上網(wǎng)等功能，并為用戶(hù)提供了編程接口，使用戶(hù)可以在DVD上對(duì)Lego公司的機(jī)器人進(jìn)行控制。為了給用戶(hù)提供一個(gè)友好的界面，以及從易用性和通用性方面考慮，將MiniGUI移植到我們的DVD720平臺(tái)。DVD720平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)如圖2[6]所示。由于MiniGUI的分層實(shí)現(xiàn)，需要考慮的只是HAL接口下的各驅(qū)動(dòng)程序：鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序、鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序及圖形驅(qū)動(dòng)程序

3.1 鼠標(biāo)和鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序
鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序非常簡(jiǎn)單。抽象意義上講，初始化鼠標(biāo)后，每次用戶(hù)移動(dòng)鼠標(biāo)，就可以得到一個(gè)X 和 Y 方向上的位移值。驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)部維護(hù)鼠標(biāo)的當(dāng)前位置，用戶(hù)移動(dòng)鼠標(biāo)后，當(dāng)前位置被加上位移值，并通過(guò)上層Cursor支持，反映到屏幕上，用戶(hù)就會(huì)認(rèn)為鼠標(biāo)被正確地“移動(dòng)”了?，F(xiàn)在有各種各樣的鼠標(biāo)，例如MS鼠標(biāo)、PS/2鼠標(biāo)、總線(xiàn)鼠標(biāo)及GPM鼠標(biāo)等，其主要差別在于初始化和數(shù)據(jù)包格式上。鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)也比較簡(jiǎn)單，在此不作詳細(xì)的介紹。

3.2 圖形驅(qū)動(dòng)程序

HAL提供的接口函數(shù)大多與圖形相關(guān)，主要就是通過(guò)調(diào)用圖形驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成任務(wù)的。圖形驅(qū)動(dòng)程序屏蔽了底層驅(qū)動(dòng)的細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)底層驅(qū)動(dòng)相關(guān)的功能，而不是硬件相關(guān)的一些功能，如一些畫(huà)圓和畫(huà)線(xiàn)的GDI函數(shù)、普通的剪切，可直接在HAL接口層實(shí)現(xiàn)。

DVD720的顯示驅(qū)動(dòng)是基于Frame buffer的驅(qū)動(dòng)程序的。通過(guò)對(duì)SDRAM中的frame buffer和video bitstream buffer寫(xiě)入，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)TV和顯示器的刷新。像素的寫(xiě)入方式和順序如圖3所示[6]。

下面介紹各接口函數(shù)：

Open，Close

基本的初始化和關(guān)閉函數(shù)。在Open函數(shù)里要選擇子圖形驅(qū)動(dòng)程序，將其實(shí)現(xiàn)的函數(shù)賦給本PSD 結(jié)構(gòu)的函數(shù)指針。這里只考慮基于Frame buffer的圖形引擎的初始化。
SetPalette，GetPalette

當(dāng)使用8位或以下的圖形模式時(shí)，要使用系統(tǒng)調(diào)色板。這里是調(diào)色板處理函數(shù)，它們和Windows API中的概念類(lèi)似。Linux系統(tǒng)利用ioctl 提供了處理調(diào)色板的接口。

AllocateMemGC，MapMemGC，F(xiàn)reeMemGC

內(nèi)存屏幕是一個(gè)偽屏幕。在對(duì)屏幕圖形操作過(guò)程中，比如移動(dòng)窗口，先生成一個(gè)內(nèi)存屏幕，將物理屏幕的一個(gè)區(qū)域拷貝到內(nèi)存屏幕，再拷貝到物理屏幕的新位置，這樣就減少了屏幕直接拷貝的延時(shí)。AllocateMemGC用于給內(nèi)存屏幕分配空間，MapMemGC做一些初始化工作，而FreeMemGC則釋放內(nèi)存屏幕。

DrawPixel、ReadPixel、DrawHLine、DrawVLine及FillRect

這些是底層圖形函數(shù)。分別是畫(huà)點(diǎn)、讀點(diǎn)、畫(huà)水平線(xiàn)、畫(huà)豎直線(xiàn)及畫(huà)一個(gè)實(shí)心矩形。之所以在底層實(shí)現(xiàn)這么多函數(shù)，是為了提高效率。圖形函數(shù)支持多種畫(huà)圖模式，常用的有直接設(shè)置或Alpha混合模式，從而可以支持各種圖形效果。

PutHLine、GetHLine、PutVLine、GetVLine、PutBox、GetBox及PutBoxMask

Get* 函數(shù)用于從屏幕拷貝像素到一塊內(nèi)存區(qū)，而Put*函數(shù)用于將存放于內(nèi)存區(qū)的像素畫(huà)到屏幕上。PutBoxMask 與PutBox的唯一區(qū)別是，如果要畫(huà)的像素是白色，就不會(huì)被畫(huà)到屏幕上，從而達(dá)到一種透明的效果。

4 總結(jié)與展望

到目前為止，我們的移植工作已經(jīng)順利完成。MiniGUI已經(jīng)能成功運(yùn)行在我們的DVD720平臺(tái)上。作為底層支持的GUI系統(tǒng)，MiniGUI也應(yīng)該像操作系統(tǒng)一樣是開(kāi)放源碼的自由軟件，并應(yīng)該得到開(kāi)發(fā)商的共同推動(dòng)。到目前為止，已經(jīng)有多家嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商采用MiniGUI開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了許多重要的應(yīng)用程序。我們期望能夠有更多的人加入MiniGUI的開(kāi)發(fā)，共同促成MiniGUI成為嵌入式 Linux系統(tǒng)上的標(biāo)準(zhǔn)GUI。盡管MiniGUI目前的功能已經(jīng)非常強(qiáng)大，并且已經(jīng)成功應(yīng)用于許多嵌入式系統(tǒng)，但還需要在如下領(lǐng)域進(jìn)行開(kāi)發(fā)： 

建立一個(gè) C++ 類(lèi)庫(kù)來(lái)封裝MiniGUI的API；

建立基于傳統(tǒng)進(jìn)程級(jí)客戶(hù)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的 MiniGUI，以便能夠讓MiniGUI適合于一些較大的嵌入式系統(tǒng)，比如支持全功能瀏覽器的機(jī)頂盒。
隨著MiniGUI不斷推廣和功能的加強(qiáng)，它也將在實(shí)際應(yīng)用中不斷走向成熟。實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)上的GUI開(kāi)發(fā)正處于開(kāi)始階段。在這個(gè)領(lǐng)域，有許多技術(shù)難題等待自由軟件程序員去解決。