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嵌入式Linux系統(tǒng)下Microwindows的應用
摘要：通過對嵌入式GUI軟件Microwindows進行分析并與X window進行對比，闡述Microwindows用于嵌入式設備上的優(yōu)點；簡要論述Microwindows的體系結(jié)構(gòu)和圖形應用程序接口；介紹其設備驅(qū)動特性、API、客戶機/服務器模型、畫圖機制和FLTK。關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) Microwindows Linux
引言
在進入后PC時代以后，嵌入式設備以一種無法抑制的迅猛速度普及和發(fā)展到日常生活及工作當中，眾多知名開發(fā)商為了搶占市場和爭奪利潤，競相推出各種性能優(yōu)異的軟硬件及內(nèi)核芯片。鑒于以視窗為代表的桌面操作模式取得巨大成功，該模式目前已成為國內(nèi)外開發(fā)者們在嵌入式設備中的首選方案。
近幾年，隨著Linux技術(shù)的興起，越來越多的企業(yè)和科研機構(gòu)把目光轉(zhuǎn)向嵌入式Linux的開發(fā)和研究。Linux不僅具有桌面電腦的全部功能和特性，允許修改和根據(jù)用戶的要求進行定制，而且作為一種免費的開放式源碼，還支持目前在嵌入式設計領域中常用的新型微處理器，如StrongARM、MIPS以及PowerPC等，具有穩(wěn)定、高效、易定制、易裁減、硬件支持廣泛等特點。Microwindows是一個著名的開放式源碼的嵌入式GUI軟件，目的是把圖形視窗環(huán)境引入到運行Linux的小型設備和平臺上。作為X Window系統(tǒng)的替代品，Microwindows可用更少的RAM和文件存儲空間（100K～600KB）提供相似的功能，允許設計者輕松加入各種顯示設備、鼠標、觸摸屏和鍵盤等；可移植性非常好，可用C語言和少部分匯編語言實現(xiàn)，支持Intel 16位、32位CPU，MIPS R4000以及基于ARM內(nèi)核的處理器芯片，有多種平臺支持Microwindows。
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1 X Window的不足
由于使用了帶有TCP/IP結(jié)構(gòu)的自由式開放源碼操作系統(tǒng)，使嵌入式設備進入了一個創(chuàng)新應用時代，不過這些新的應用需要考慮其資源環(huán)境，這是因為多數(shù)的嵌入式設備缺少硬件驅(qū)動和大的RAM。目前，在Linux系統(tǒng)中普遍使用X Window系統(tǒng)，如圖1所示。X Window是在20世界80年代早期由MIT、DEC等提出來的，是一個基于Client/Server結(jié)構(gòu)的視窗系統(tǒng)；允許在任一臺UNIX主機（Clients——客戶端）上運行程序，而在基于X的終端（Server——服務器）上顯示出來。在這個過程中，相當一部分代碼用于確認主機和服務器上運行的Client/Server程序是否正常。目前，大多數(shù)X的客戶端和服務器是在同一臺機器上運行，X Window服務器經(jīng)編譯后一般用于自動檢測硬件。服務器中還包含有眾多的畫圖函數(shù)，它們的位置根據(jù)執(zhí)行速度被位置在裁減層之上或之下。這些便利X Window過于臃腫和復雜，運行時需要至少8MB的內(nèi)存空間。
2 Microwindows分析比較
對于大多數(shù)嵌入式設計，尤其是在運行專用圖形程序的場合，X Window不是一種恰當?shù)倪x擇。由此而發(fā)展起來的Microwindows是專門設計用于在小型設備上開發(fā)具有高品質(zhì)圖形功能的開放式源碼桌面系統(tǒng)，有許多針對現(xiàn)代圖形視窗環(huán)境的功能部件。它的結(jié)構(gòu)設計使其可方便地加入不同的顯示、鼠標、觸屏以及鍵盤等設備。Microwindows基于2.2.0版本的Linux系統(tǒng)如圖2所示。其內(nèi)核所包含的代碼允許用戶程序?qū)D形顯示的內(nèi)存空間作為framebuffer進行存取操作，這樣在用戶程序空間中可作為內(nèi)存映射區(qū)域來直接控制圖形顯示，可使得用戶在編寫圖形程序的時候不再需要去了解底層硬件，這是目前Microwindows在嵌入式系統(tǒng)中被很多人使用的原因。
設計得在設計Microwindows時沿用了已有的兩個圖形應用程序接口（API）：一是Microsoft Windows中Win32/WinCE的圖形設備接口（GDI），它適用于所有Windows CE和Win32的應用程序；另外就Nano-X(Xlib-like界面)，它與GDK非常相似，用在Linux上，是像X的API，用于占用資源少的應用程序。這使得熟悉Windows或者是Linux X11的用戶可在熟悉的環(huán)境下開發(fā)圖形應用程序。
Microwindows在運行過程中僅需要50～250KB的內(nèi)存空間，遠小于X Windows系統(tǒng)所需空間。這主要是因為Microwindows對于在驅(qū)動層的每一個繪圖函數(shù)采用的是單進程的方式，由驅(qū)動層核驗是否裁減并調(diào)用驅(qū)動程序來繪制未被裁減的像素點或線；而在X Window系統(tǒng)中，則是出于對速度的考慮，包含所有像素點的繪制程序并分別有裁減和未裁減的版本。Microwindows完全支持新的Linux內(nèi)核的幀緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，同時支持1、2、4、8、16、24、32位像素點顯示，支持調(diào)色板、真彩色、灰度等顏色模式，并對渲染提供內(nèi)置支持。在其API函數(shù)的支持下，還可以以RGB的格式描述上述的顏色模式，系統(tǒng)中包含顏色轉(zhuǎn)換的程序，可將像素點轉(zhuǎn)換成相近的可顯示顏色或相應單色系統(tǒng)中的灰度級。雖然Microwindows支持Linux系統(tǒng)，但它是基于相對簡單的屏幕驅(qū)動界面結(jié)構(gòu)，因此，可在許多不同的實時操作系統(tǒng)（RTOS）上運行，甚至于那些無硬件的實時操作系統(tǒng)也可運行Microwindows
。這樣，可使得客戶的圖形應用程序在不的工程中共享使用，也可在不同的RTOS上運行不同的目標程序而不需要重新編寫圖形應用程序，大大提高了編程效率。
Microwindows支持圖形目標平臺的主機平臺競爭，也就是說應用于Linux的Microwindows應用程序不需要跨平臺編譯，就可在桌面上直接運行和測試，同時仍可在目標平臺上運行。這一點需通過使用Micorwindows的X11屏幕驅(qū)動器實現(xiàn)，同時驅(qū)動器可以根據(jù)像素點和顏色值來模擬目標平臺的顯示。因此，即使桌面系統(tǒng)是24位的顏色模式，它也可以以2色模式顯示目標系統(tǒng)中的應用程序。
對于那些熟悉使用Microsoft Windows或Linux X Windows的程序員頁言，經(jīng)編寫應用程序時是有一定區(qū)別的。Microsoft Windows的編程員一般使用MS-Visual C++的類庫（MFC）中的C++應用程序框架或者是更新的ATL框架，在繪制圖形時使用Win32圖形設備接口（GDI）。Windows中還包括有許多Win32 GDI中的應用界面控件，如按鈕、列表等。而X Windows系統(tǒng)提供了一個低級接口——Xlib，僅用于實現(xiàn)最低級簡單的繪圖功能，并將其封裝成程序包在需顯示時在顯示設備上運行。在用戶界面中，大多數(shù)的解決利用插件，在Xlib的上層加入插件集來實現(xiàn)更高級的函數(shù)。目前，對Microwindows的應用正在逐步地加入GTK+/GDK以及FLTK插件，以實現(xiàn)更多的用戶界面控件。
3 Microwindows的體系結(jié)構(gòu)
由于Microwindows在設計上有著明顯的分層結(jié)構(gòu)，如圖3所示，其設備與平臺相關層、設備與平臺無關層和應用層之間層次清晰、結(jié)構(gòu)明顯，因此勿需改動其整體結(jié)構(gòu)，只需在其相應的部分添加代碼即可實現(xiàn)一些更為復雜的功能。
圖3 Microwindows體系結(jié)構(gòu)
在Microwindows的最底層（設備與平臺相關層），系統(tǒng)針對顯示屏、鼠標、觸屏以及鍵盤等各定義了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和頂層結(jié)構(gòu)一樣，供圖形引擎使用，包含了針對指定設置和硬件驅(qū)動代碼。Microwindows中還包含了諸多設備和操作系統(tǒng)的各種版本的驅(qū)動程序。屏幕驅(qū)動可支持系統(tǒng)1的、2、4、8、16、24、32位顯示和調(diào)色板、真彩色、灰度等顏色模式。屏幕驅(qū)動中還包括一些入口指針，這些指針分別用讀寫像素、繪制水平或垂直線，在屏幕和內(nèi)存之間相互映射內(nèi)存空間。在實現(xiàn)這些基本指針的過程中需運行包括TrueType或Adobe Type1的字體支持、RGB顏色支持、JPEG以及BMP圖形處理等Microwindows上層函數(shù)。如果屏幕驅(qū)動中還包括有硬件加速的話，僅需更改驅(qū)動程序即可；也可在系統(tǒng)中添加觸屏、鍵盤、按鍵等的輸入。
Microwindows的中間層是圖形引擎層（也稱為設備與平臺無關層），因為所有的繪圖函數(shù)都通過調(diào)用屏幕驅(qū)動來實現(xiàn)，該層與硬件無關。圖形引擎層為應用層提供了一系列相應的入口指針調(diào)用繪圖函數(shù)，還為所有的顏色指定了RGB的顏色模型；同樣，該層也與顯示設備無關，可以由RGB值為判斷硬件中的像素值。除此之外，Microwindows還在中間層實現(xiàn)裁減功能，它采用多矩形算法，可在任意復雜的區(qū)域中實現(xiàn)繪圖功能。中間層還要控制所有字體的顯示，支持FreeType以及使用T1Lib的Adobe Type 1字體、支持比例字體，同時還支持ASCII、Unicode-16、Unicode-32、UTF-8編碼規(guī)則。
Microwindows的最高層（應用層）實現(xiàn)了窗口交互系統(tǒng)，這使得程序員既可在全屏幕顯示，也可在層疊的窗口中顯示。一層還包括事件處理，可將觸摸屏、按鍵等激發(fā)的事件傳送給應用程序。
Nano-X API允許程序可以根據(jù)Client/Server協(xié)議通過網(wǎng)絡或是本地的UNIX主機進行編譯，以同時顯示幾個運行在已連接到Microwindows服務器的嵌入式設備或遠程主機上的程序。除此之外，Client/Server協(xié)議還可以利用共享的內(nèi)存空間客戶端和服務器之間傳播數(shù)據(jù)。Nano-X可在每個客戶機上步運行，這意味著一旦發(fā)送了客戶機請求包，服務器在另一個客戶機提供服務之前一直等待，直到整個包到達為止。這使得服務器代碼非常簡單，而運行速度仍非�？�。
4 Micorowindows上的FLTK API
FLTK是一個簡單靈活的GUI工具箱，特別適用于占用資源很少的環(huán)境。它提供大多數(shù)窗口構(gòu)件一一按鈕、對話框、文本框以及出色的“賦值器”選擇（用于輸入數(shù)值的窗口構(gòu)件），還包括滑動器、滾動條、刻度盤等其它構(gòu)件。針對Microwindows GUI引擎的FLTK的Linux版本被稱為FLNX，它能用來為嵌入式環(huán)境創(chuàng)建一個出色的UI構(gòu)建器，由兩個構(gòu)件組成：FI_Widget和FLUID。FI_Widget由所有基本窗口構(gòu)件API組成，占用40～48KB的資源。FLUID（Fast Light User Interface Desigher，快速輕巧的用戶界面設計器）是用來產(chǎn)生FLTK源代碼的圖形編輯器，占用大約380KB資源（包括每個窗口構(gòu)件）。
FLTK是一個C++庫，由于大多數(shù)現(xiàn)代GUI環(huán)境都是面向?qū)ο蟮模@命名編寫的應用程序移植到類似的API中會更容易。
結(jié)語
Microwindows正在嵌入式開發(fā)領域穩(wěn)步發(fā)展，是完全免費的開放式源代碼，為嵌入式設備提供了更多的解決方案；任何對將Linux定制于PDA、掌上機或者可移動設備感興趣的人都可從因特網(wǎng)免費下載，并將其移值或開發(fā)。熟悉圖形應用程序的用戶可以很快就在該系統(tǒng)上編寫自己的圖形應用程序，在未來的嵌入式系統(tǒng)設計中，它的作用是無可限量的。
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