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嵌入式Linux的MiniGUI研究和移植
摘要：分析嵌入式操作系統(tǒng)下典型的圖形用戶界面MiniGUI的結(jié)構(gòu)和特點，并提出將其移植到SUNPLUS的DVD720上的方案。關(guān)鍵詞：圖形用戶界面(GUI) 嵌入式系統(tǒng) Frame Buffer
引 言
1 嵌入式Linux下的GUI概況
1.1 GUI在嵌入式系統(tǒng)中的地位
隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，PDA、機頂盒、DVD/VCD播放機及WAP手機已經(jīng)迅速普及。圖形用戶界面（GUI）的廣泛流行，是當(dāng)今計算機技術(shù)的重大成就之一。它極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，因此實時嵌入式系統(tǒng)對GUI的需求越來越明顯，而這一切均要求有一個高性能、高可靠的GUI 的支持。
由于嵌入式系統(tǒng)實時性要求非常高，對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，太過龐大和臃腫。這樣，這些系統(tǒng)對輕型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的實現(xiàn)
盡管實時嵌入式系統(tǒng)對GUI的需求越來越明顯，(范文先生網(wǎng)www.qkfawen.com收集整理)但目前GUI的實現(xiàn)方法各有不同[1]：
�、� 某些大型廠商有能力自己開發(fā)滿足自身需要的GUI系統(tǒng)。
�、� 某些廠商沒有將GUI作為一個軟件層從應(yīng)用程序中剝離，GUI的支持邏輯由應(yīng)用程序自己來負(fù)責(zé)。
�、� 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)教師魏永明先生開發(fā)，是一種面向嵌入式系統(tǒng)或者實時系統(tǒng)的圖形用戶界面支持系統(tǒng)。它主要運行于Linux控制臺，實際可以運行在任何一種具有POSIX線程支持的 POSIX兼容系統(tǒng)上。MiniGUI同時也是國內(nèi)最早出現(xiàn)的幾個自由軟件項目之一。稍后將對它作詳細(xì)的介紹。
�。�2）MicroWindows
MicroWindows[3]是一個著名的開放源碼的嵌入式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Win32 API，接口試圖和Win32完全兼容。它還實現(xiàn)了一些Win32用戶模塊功能。MicroWindows采用分層設(shè)計方法，以便不同的層面能夠在需要的時候改寫，基本上用 C 語言實現(xiàn)。MicroWindows已經(jīng)支持 Intel 16位和32位CPU、MIPS R4000 以及 ARM 芯片；但作為一個窗口系統(tǒng)，該項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)件的實現(xiàn)還很不完備，鍵盤和鼠標(biāo)等的驅(qū)動還很不完善。
�。�3）OpenGUI
OpenGUI[4]在Linux系統(tǒng)上存在已經(jīng)很長時間了。這個庫是用C++編寫的，只提供C++接口。OpenGUI基于一個用匯編實現(xiàn)的x86圖形內(nèi)核，提供了一個高層的C/C++圖形/窗口接口。OpenGUI提供了二維繪圖原語、消息驅(qū)動的API及BMP文件格式支持。OpenGUI功能強大，使用方便。OpenGUI 支持鼠標(biāo)和鍵盤的事件，在Linux上基于Frame buffer或者SVGALib實現(xiàn)繪圖。由于其基于匯編實現(xiàn)的內(nèi)核并利用MMX指令進(jìn)行了優(yōu)化，OpenGUI運行速度非�？�。正由于其內(nèi)核用匯編實現(xiàn)，可移植性受到了影響。通常在驅(qū)動程序一級，性能和可移植性是矛盾的，必須找到一個折衷。
�。�4）QT/Embedded
QT/Embedded[5]是著名的QT庫開發(fā)商Trolltech 的面向嵌入式系統(tǒng)的QT版本。這個版本的主要特點是可移植性較好，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)不是開放源碼的，如果使用這個庫，可能需要支付昂貴的授權(quán)費用。
2 MiniGUI的特點和體系結(jié)構(gòu)
2.1 MiniGUI的特點
MiniGUI的主要特點有[1]：
◇ 遵循GPL條款的純自由軟件。
◇ 提供了完備的多窗口機制，包括：
多個單獨線程中運行的多窗口；
單個線程中主窗口的附屬；
對話框和預(yù)定義的控件類（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PC
X 等常見圖像文件的支持。
◇ Windows的資源文件支持，如位圖、圖標(biāo)、光標(biāo)、插入符、定時器及加速鍵等。
◇ 小巧。包含全部功能的庫文件大小為300 KB左右。
◇ 可配置�？筛鶕�(jù)項目需求進(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)點嵌入式系統(tǒng)等關(guān)鍵應(yīng)用程序中得到了實際應(yīng)用。
◇ 可移植性好。目前，MiniGUI可以在X Window 和Linux控制臺上運行。中科院EEOS開發(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)和鍵盤的驅(qū)動；中間層是MiniGUI 的核心層，包括窗口系統(tǒng)必不可少的各個模塊；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)核級線程支持的C函數(shù)庫。
利用GAL和IAL，大大提高了MiniGUI的可移植性，并且使程序的開發(fā)和調(diào)試變得更加容易�？梢栽赬 Window上開發(fā)和調(diào)試自己的MiniGUI程序，通過重新編譯就可以讓MiniGUI應(yīng)用程序運行在特殊的嵌入式硬件平臺上。
3 MiniGUI的移植
筆者的項目DVD720工作在μC/OS嵌入式操作系統(tǒng)下，核心CPU為MIPS芯片。該平臺是SUNPLUS公司提供的一個多媒體平臺，不僅僅實現(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，并為用戶提供了編程接口，使用戶可以在DVD上對Lego公司的機器人進(jìn)行控制。為了給用戶提供一個友好的界面，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。DVD720平臺的體系結(jié)構(gòu)如圖2[6]所示。由于MiniGUI的分層實現(xiàn)，需要考慮的只是HAL接口下的各驅(qū)動程序：鼠標(biāo)驅(qū)動程序、鍵盤驅(qū)動程序及圖形驅(qū)動程序。
3.1 鼠標(biāo)和鍵盤驅(qū)動程序
鼠標(biāo)驅(qū)動程序非常簡單。抽象意義上講，初始化鼠標(biāo)后，每次用戶移動鼠標(biāo)，就可以得到一個X 和 Y 方向上的位移值。驅(qū)動程序內(nèi)部維護(hù)鼠標(biāo)的當(dāng)前位置，用戶移動鼠標(biāo)后，當(dāng)前位置被加上位移值，并通過上層Cursor支持，反映到屏幕上，用戶就會認(rèn)為鼠標(biāo)被正確地“移動”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。鍵盤驅(qū)動程序的實現(xiàn)也比較簡單，在此不作詳細(xì)的介紹。
3.2 圖形驅(qū)動程序
HAL提供的接口函數(shù)大多與圖形相關(guān)，主要就是通過調(diào)用圖形驅(qū)動程序來完成任務(wù)的。圖形驅(qū)動程序屏蔽了底層驅(qū)動的細(xì)節(jié)，實現(xiàn)底層驅(qū)動相關(guān)的功能，而不是硬件相關(guān)的一些功能，如一些畫圓和畫線的GDI函數(shù)、普通的剪切，可直接在HAL接口層實現(xiàn)。
DVD720的顯示驅(qū)動是基于Frame buffer的驅(qū)動程序的。通過對SDRAM中的frame buffer和video bitstream buffer寫入，就可以實現(xiàn)對TV和顯示器的刷新。像素的寫入方式和順序如圖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)動程序，將其實現(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，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)存屏幕是一個偽屏幕。在對屏幕圖形操作過程中，比如移動窗口，先生成一個內(nèi)存屏幕，將物理屏幕的一個區(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。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)。分別是畫點、讀點、畫水平線、畫豎直線及畫一個實心矩形。之所以在底層實現(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)的像素畫到屏幕上。PutBoxMask 與PutBox的唯一區(qū)別是，如果要畫的像素是白色，就不會被畫到屏幕上，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)能成功運行在我們的DVD720平臺上。作為底層支持的GUI系統(tǒng)，MiniGUI也應(yīng)該像操作系統(tǒng)一樣是開放源碼的自由軟件，并應(yīng)該得到開發(fā)商的共同推動。到目前為止，已經(jīng)有多家嵌入式系統(tǒng)開發(fā)商采用MiniGUI開發(fā)嵌入式系統(tǒng)，并且已經(jīng)開發(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)行開發(fā)：
◇ 建立一個 C++ 類庫來封裝MiniGUI的A
PI；
◇ 建立基于傳統(tǒng)進(jìn)程級客戶/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頂盒。
隨著MiniGUI不斷推廣和功能的加強，它也將在實際應(yīng)用中不斷走向成熟。實時嵌入式系統(tǒng)上的GUI開發(fā)正處于開始階段。在這個領(lǐng)域，有許多技術(shù)難題等待自由軟件程序員去解決。
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