嵌入式Linux系统中的GUI系统的研究与移植

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:针对嵌入式Linux系统中几种常见的GUI(Graphic User Interface)系统,讨论嵌入式GUI实现的底层技术方式;详细分析Microwindows、MiniGUI、Qt/Embedded等三种GUI的实现特点、体系结构、API接口。结合这三种嵌入式GUI在以Motorola i,MX1为核心的实际应用系统中移植开发的问题,讨论移植技术与中文化技术。 关键词:嵌入式Linux GUI 应用与移植 中文化 引言 嵌入式GUI为嵌入式系统提供了一种应用于特殊场合的人们交互接口。嵌入式GUI要求简单、直观、可靠、占用资源小且反应快速,以适应系统硬件资源有限的条件。另外,由于嵌入式系统硬件本身的特殊性,嵌入式GUI应具备高度可移植性与可裁减性,以适应不同的硬件条件和使用需求。总体来讲,嵌入式GUI具备以下特点: *体积小; *运行时耗用系统资源小; *上层接口与硬件无关,高度可移植; *高可靠性; *在某些应用场合应具备实时性。 1 基于嵌入式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,应用至少抽象出两类设备:基于图形显示设备(如VGA卡)的图形抽象层GAL(Graphic Abstract Layer),基于输入设备(如键盘,触摸层等)的输入抽象层IAL(Input Abstract Layer)。GAL层完成系统对具体的显示硬件设备的操作,极大程度上隐蔽各种不同硬件的技术实现细节,为诮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,可以极大程序地提高嵌入式GUI的可移植性,如图1所示。 目前应用于嵌入式Linux系统中比较成熟,功能也比较强大的GUI系统底层支持库有SVGA lib、LibGGI、Xwindow、framebuffer等。 2 三种嵌入式GUI系统的分析与比较 2.1 Microwindows Microwindows是一个典型的基于Server/Clinent体系结构的GUI系统,基本分为三层,如图2所示。 最底层是面向图形显示和键盘、鼠标或触摸屏的驱动程序;中间层提供底层硬件的抽象接口,并进行窗口管理;最高层分别提供兼容于X Window和ECMA APIW(Win32子集)的API。其中使用Nano-X接口的API与X接口兼容,但是该接口没有提供窗口管理,如窗口移动和窗口剪切等高级功能,系统中需要首先启动nano-X的Server程序nanoxserver和窗口管理程序nanowm。用户程序连接nano-X的Server获得自身的窗口绘制操作。使用ECMA APIW编写的应用程序无需nanox-server和nanowm,可直接运行。 Microwindows提供了相对完善的图形功能和一些高级的特性,如Alpha混合、三维支持和TrueType字体支持等。该系统为了提高运行速度,也改进了基于Socket套接字的X实现模式,采用了基于消息机制的Server/Client传输机制。Microwindows也有一些通用的窗口控件,但其图形引擎存在许多问题,可以归纳如下: *无任何硬件加速能力; *图形引擎中存在许多低效算法,如在圆弧图函数的逐点判断剪切的问题。 由于该项目缺乏一个强有力的核心代码维护人员,2003年Microwindows推出版本0.90后,该项目的发展开始陷于停滞状态。 2.2 MiniGUI MiniGUI是由国内自由软件开发人员设计开发的,目标是为基于Linux的实时嵌入式系统提供一个轻量级的图形用户界面支持系统。MiniGUI的体系架构如图3所示。 MiniGUI分为最底层的GAL层和IAL层,向上为基于标准POSIX接口中pthread库的Mini-thread架构和基于Server/Client的Mini-Lite架构。其中前者受限于thread模式对于整个系统的可靠性影响——进程中某个thread的意外错误可能导致整个进程的崩溃,该架构应用于系统功能较为单一的场合。Mini-Lite应用于多进程的应用场合,采用多进程运行方式设计的Server/Client架构能够较好地解决各个进程之间的窗口管理、Z序剪切等问题。MiniGUI还有一种从Mini-Lite衍生出的standalone运行模式。与Lite架构不同的是,standalone模式一次只能以窗口最大化的方式显示一个窗口。这在显示屏尺寸较小的应用场合具有一定的应用意义。 MiniGUI的GAL层技术SVGA lib、LibGGI、基于framebuffer的native图形引擎以及哑图形引擎等,对于Trolltech公司的QVFB在X Window下也有较好的支持。IAL层则支持Linux标准控制台下的GPM鼠标服务、触摸屏、标准键盘等。 MiniGUI下丰富的控件资源也是MiniGUI的特点之一。当前MiniGUI的最新版本是1.3.3。该版本的控件中已经添加了窗口皮肤、工具条等桌面GUI中的高级控件支持。 2.3 QT/Embedded Qt/Embedded是著名的Qt库开发商Trolltech公司开发的面向嵌入式系统的Qt版本。因为Qt是KDE等项目使用的GUI支持库,许多基于Qt的X Window程序因此可以非常方便地移植到Qt/Embedded上。Qt/Embedded同样是Server/Client结构。 Qt/Embedded延续了Qt在X上的强大功能,在底层摒弃了X lib,仅采用framebuffer作为底层图形接口。同时,将外部输入设备抽象为keyboard和mouse输入事件,底层接口支持键盘、GPM鼠标、触摸屏以及用户自定义的设备等。 Qt/Embedded类库完全采用C++封装。丰富的控件资源和较好的可移植性是Qt/Embedded最为优秀的一方面。它的类库接口完全兼容于同版本的Qt-X11,使用X下的开发工具可以直接开发基于Qt/Embedded的应用程序QUI界面。 与前两种GUI系统不同的是,Qt/Embedded的底层图形引擎只能采用framebuffer。这就注定了它是针对高端嵌入式图形领域的应用而设计的。由于该库的代码追求面面俱到,以增加它对多种硬件设备的支持,造成了其底层代码比较凌乱,各种补丁较多的问题。Qt/Embedded的结构也过于复杂臃肿,很难进行底层的扩充、定制和移植,尤其是用来实现signal/slot机制的moc文件。 Qt/Embedded当前的最新版本为3.3.2,能够支持Trolltech的手持应用套件Qtopia的Qt/Embedded最高版本为2.3.8。Trolltech公司将于2004年末推出的Qt/Embedded 3为基础的Qtopia 2应用套件。 3 三种嵌入式GUI的移植与中文化 在进行以上三种嵌入式GUI的研究和移植过程中,硬件平台采用自行设计的以Motorola MC9328 MX1为核心的开发系统。该系统采用CPU内部LCD控制器和320%26;#215;240分辨率的16bpp TFT LCD作为显示设备,使用I2C总线扩展出16按键的键盘,同时配置了9位A/D量化精度的电阻触摸屏作为鼠标类输入设备;同时移植了ARM Linux作为操作系统。以下分别讨论这三种嵌入式GUI的底层移植和中文化技术。 移植以上三种嵌入式GUI系统,需要首先实现Linux内核中的framebuffer驱动。对应于开发系统为MC9328中的LCD控制器,该部分驱动程序必须以静态方式编译进内核,在系统启动时由传递进内核的启动参数激活该设备。I2C键盘的驱动程序和触摸屏的驱动程序实现后,作为Linux内核模块在使用时动态加载。 3.1 Microwindows的移植 Microwindows驱动层相应的源码目录为src/drivers/。其中以scr*开头的源码是针对显示设备的驱动接口,以mou*开头的源码文件为鼠标设备(包括触摸屏)的驱动接口,以kbd*开头的源码文件针对键盘设备的驱动接口。移植过程中需要实现自己的设备驱动接口提供给Microwindows使用,就必须按照指定的接口格式编写相应的scr、mou、kbd的底层支持。这种方式实现简单,条理也很清晰。 显示设备驱动接口:Microwindows的图形发生引擎支持framebuffer,修改src/中的config文件指定使用framebuffer作为底层图形支持引擎;但需要注意嵌入式Linux的framebuffer较少支持控制台字符模式,需要修改Microwindows中对framebuffer的操作部分以关闭显示模式的转换。 在应用程序开发移植中需要注意的是:使用ECMAAPIW接口设计的程序无需nano-X的Server程序和nanowm,如图2所示。系统中可以直接启动使用该接口编写的用户程序;但需要注意的是,一个系统中如同时存在使用两种不同的API接口编写的进程,会造成nano-X的Server与ECMA APIW的进程对系统硬件资源的使用竞争,双方的程序将无法正常显示或响应应用户输入。 在为Microwindows增加中文显示的支持时,主要工作包括两个部分。一部分是系统字体的中文支持。此处使用等宽光栅字体,主要负责窗口标题和内置控件的中文绘制,将字体编译进Microwindows内核中,光栅信息作为一维数组,显示时按照字符偏移量从该数组中调出相应的光栅信息显示即可。除此之外,当程序调用CreateFont时,需要在内部实现为打开文件系统中的字体文件。通过修改src/engine/devfont.c中的GdCreateFont部分,添加相应的hzk(汉字库)支持,便可以实现在CreateFont时创建出一个支持GB2312字符集的逻辑字体,并使用外部字体进行显示。在应用程序设计时,如果没有调用SelectObjectu将外部字体选入,中文显示时将默认使用系统字体。 3.2 MiniGUI 由于MiniGUI较好地将硬件设备抽象为GAL层和IAL层,移植时只需要针对自身的硬件特点按照GAL层调用接口和IAL层调用接口来做内部实现即可。图4为MiniGUI的GAL层结构示意,IAL层结构类似。 实现了framebuffer的Linux驱动后,配置MiniGUI选择Native的GAL引擎,便可以使用framebuffer作为MiniGUI的图形发生引擎。 MiniGUI的IAL层将输入设备的输入事件最终映射为GUI系统API层的消息事件。IAL层默认处理两种设备的输入操作:键盘设备和鼠标设备。键盘设备向上层提供不同的按键输入信息,鼠标设备提供点击、抬起和落笔坐标等的信息。在实现MiniGUI与输入设备驱动的接口时,采用Select的方式获得输入设备的动作,并转换为消息队列中的消息。消息参数按照Win32接口定义为点击键编号或鼠标当前的坐标(其中触摸屏事件与鼠标事件类似)。通过编写针对硬件开发系统的IAL支持代码,实现了IAL层的移植。 MiniGUI中多字体和字符集支持是通过设备上下文(DC)的逻辑字体(LOGFONT)实现的,创建逻辑字体时指定相应的字符集,其内部实现为对于所需显示字符的所属字符集的识别处理,最终调用相应字符集的处理函数族。应用程序在启动时,可切换系统字符集,如GB2312、BIG5、EUCKR、UJIS。MiniGUI的这种字符集支持方式不同于采用UNICODE的解决方案。在节省系统资源的意义上讲,这种实现更加适合于嵌入式系统应用,是MiniGUI的一大创新点。MiniGUI同时支持包括ttf、bdf、type 1、vbf等多种字体格式,可以根据需要配置MiniGUI来支持相应字体的显示。 3.3 Qt/Embedded的移植 Qt/Embedded的底层图形引擎完全依赖于framebuffer,因此在移植时需考虑目标平台的Linux内核版本和framebuffer驱动程序的实现情况,包括分辨率和颜色深度等在内的信息。当前嵌入式CPU大多内部集成LCD控制器,并支持多种配置方式。除少数CPU低色彩配置时的endian问题外,Qt/Embedded能够较好地根据系统已有的framebuffer驱动接口构建上层的图形引擎。 Qt/Embedded图形发生引擎中的图形绘制操作函数都是由源泉码目录src/kernel/中的src/kernel/qgfxreaster_qws.cpp中所定义的QgfxRasterBase类发起声明的。对于设备更加底层的抽象描述,则在src/kernel目录中的qgfx_qws.cpp中的Qscreen类中给予相应定义。这些是对framebuffer设备直接操作的基础,包括点、线、区域填充、alpha混合、屏幕绘制等函数均在其中定义实现。在framebuffer驱动程序调试通过后,配置Qt/Embedded的编译选项,可以保证Qt/Embedded的图形引擎正常工作。 Qt/Embedded中的输入设备,同样分为鼠标类与键盘类。其中鼠标设备在源泉码目录中的src/kernel/qwsmouse_qws.cpp中实现,从该类又重新派生出一些特殊鼠标类设备的实现类,其派生结构如图5所示。 根据具体的硬件驱动程序实现的接口,可以实现类似的接口函数。 Qt/Embedded中对于键盘响应的实际函数位于src/kernel/qkeyboard_qws.cpp中,在qkeyboard_qws.h中,定义了键盘类设备接口的基类QWSKeyboardHandler。具体的键盘硬件接口依然要建立在键盘驱动程序基础上,移植时需要根据键盘驱动程序从该类派生出实现类,实现键盘事件处理函数processKeyEvent()即可。 Qt/Embedded内部对于字符集的处理采用了UNICODE编码标准。Qt/Embedded内部对于字符集的处理采用了UNICODE编码标准。Qt/Embedded同时支持两种对于其它编码标准(如GB2312和GBK)的支持方式:静态编译和动态插件装载。通过配置config.h文件添加相应的编码支持宏定义,可以获得其它编码标准向UNICODE的转换支持,从而在Qfont类中得以转换与显示。由于UNICODE涵盖了中文部分,Qt/Embedded对中文支持也非常好。 Qt/Embedded能够支持TTF、PFA/PFB、BDF 和QPF字体格式。由于自身采用UNICODE编码方式对字符进行处理,在一定程序上导致了能够使用的字体文件体积的增大。为了解决这一问题,Qt/Embedded采用了QPF格式,使用makeqpf等工具可以将TTF等格式的字体转换至QPF格式。图6为笔者在自行设计的MC9328系统上移植Qt/Embedded和Qtopia套件后,增加中文支持后的显示截图。Qt/Embedded版本为2.3.7,Qtopia版本为1.7.0。 4 结论 综上所述,一个具备良好移植性的嵌入式GUI系统,其底层接口应该在很大程度上隐藏具体硬件的实现细节,抽象出GAL与IAL层。对于字符集的支持,也可以从MiniGUI的字符集支持方式和Qt/Embedded的UNICODE支持方式上获得启发。
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