基于MiniGUI的多進(jìn)程圖形用戶界面的研究

0引言

嵌入式圖形用戶界面（Graphic User Interface）是嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，隨著嵌入式產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，所實(shí)現(xiàn)的功能也日益強(qiáng)大和復(fù)雜，因此對(duì)嵌入式產(chǎn)品的GUI在功能、易用性、穩(wěn)定性等方面提出了更高的要求。目前的嵌入式GUI多是基于線程實(shí)現(xiàn)，在穩(wěn)定性和功能上具有一定的局限性，所以開(kāi)發(fā)多進(jìn)程的GUI具有重要意義。

1多進(jìn)程圖形用戶界面分析

1.1   多進(jìn)程圖形用戶界面的優(yōu)勢(shì)

MiniGUI是由飛漫開(kāi)發(fā)的基于事件驅(qū)動(dòng)的圖形用戶界面支持系統(tǒng)，采用微C/S機(jī)制和分層設(shè)計(jì)模型，利用Unix域套接字實(shí)現(xiàn)客戶應(yīng)用程序和服務(wù)器程序之間的交互。早期的MiniGUI采用基于POSIX線程進(jìn)行消息傳遞和窗口管理的機(jī)制，這種實(shí)現(xiàn)能夠提供最大程度的數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)多窗口系統(tǒng)，但是也造成體系結(jié)構(gòu)上的脆弱，所有的窗口在一個(gè)進(jìn)程或者地址空間中運(yùn)行，一旦某個(gè)線程因?yàn)榉欠ǖ臄?shù)據(jù)訪問(wèn)而導(dǎo)致崩潰或終止運(yùn)行，整個(gè)圖形用戶界面系統(tǒng)都將受到影響。

在Linux系統(tǒng)中，任務(wù)是以進(jìn)程為單位實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)程主要提供兩類虛擬化資源：虛擬地址空間和虛擬CPU。前者保證了進(jìn)程在分配和管理內(nèi)存時(shí)就像機(jī)器上只有這一個(gè)進(jìn)程。類似的，虛擬CPU也使進(jìn)程看上去獨(dú)占了CPU。 Linux系統(tǒng)為進(jìn)程提供了安全的運(yùn)行環(huán)境，保證每個(gè)進(jìn)程的獨(dú)立性，一個(gè)進(jìn)程的崩潰不會(huì)危及其他進(jìn)程。因此在多進(jìn)程模式下，能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)客戶進(jìn)程，如果某個(gè)進(jìn)程不正常終止，其他的進(jìn)程不會(huì)受到影響，因此實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程GUI將極大的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 進(jìn)程間通信方式的選擇

基于多進(jìn)程的GUI能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)界面窗口的并發(fā)運(yùn)行，通過(guò)進(jìn)程間通信（IPC）實(shí)現(xiàn)窗口切換。進(jìn)程間通信有多種形式，如管道、信號(hào)、共享內(nèi)存等。

共享內(nèi)存是由內(nèi)核出于在多個(gè)進(jìn)程間交互信息的目的而保留的一塊內(nèi)存空間，多個(gè)進(jìn)程共享該內(nèi)存空間，如果一個(gè)進(jìn)程更新了其中的數(shù)據(jù)，其他的進(jìn)程會(huì)立即看到更新，而且共享內(nèi)存也是速度最快的進(jìn)程間通訊機(jī)制。因此共享內(nèi)存作為進(jìn)程間的通信方式對(duì)于多窗口GUI系統(tǒng)的編程實(shí)現(xiàn)非常合適。

1.3 基于微C/S機(jī)制的多進(jìn)程模型

對(duì)于在微C/S機(jī)制上運(yùn)行的GUI系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中只能有一個(gè)服務(wù)器程序，其余的應(yīng)用程序均為客戶程序。各客戶應(yīng)用程序分別運(yùn)行于各自不同的進(jìn)程空間中，并且根據(jù)需要在應(yīng)用程序之間通過(guò)進(jìn)程間通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成窗口切換等過(guò)程。

MiniGUI為了實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器端之間的通信，定義了一種簡(jiǎn)單方便的請(qǐng)求/響應(yīng)結(jié)構(gòu)：客戶程序通過(guò)制定的結(jié)構(gòu)將請(qǐng)求發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器處理請(qǐng)求并應(yīng)答。在圖形界面運(yùn)行后，服務(wù)器程序完成Server端連接初始化（ServerStart()），建立服務(wù)器端連接套接字Socket，其文件描述符為listenfd，進(jìn)入到偵聽(tīng)客戶連接請(qǐng)求狀態(tài)，用一個(gè)Idlehandler4Server句柄等待接收客戶端的連接請(qǐng)求消息，在接受到來(lái)自于客戶端的連接請(qǐng)求消息后進(jìn)行處理，將客戶應(yīng)用程序加入到當(dāng)前活動(dòng)列表，并將客戶端套接字文件描述符clifd加入到偵聽(tīng)文件集合中?？蛻舳顺绦蛟谕瓿蛇B接初始化后(cli_conn())建立客戶端套接字Socket，并發(fā)送連接請(qǐng)求消息給Server程序，之后采用句柄 IdelHandler4Client偵聽(tīng)服務(wù)器的返回消息。此后服務(wù)器程序進(jìn)入一個(gè)消息循環(huán)過(guò)程，在此循環(huán)過(guò)程中繼續(xù)準(zhǔn)備接收已連接的客戶程序的其他消息、新的客戶程序連接請(qǐng)求消息以及由系統(tǒng)產(chǎn)生的鼠標(biāo)、鍵盤事件消息等，并在事件消息處理完成后用函數(shù)Send2Client將需要的消息發(fā)送到相應(yīng)的客戶端應(yīng)用程序。此后客戶端應(yīng)用程序從套接字讀取由服務(wù)器程序處理后返回的消息，并把消息寫到當(dāng)前進(jìn)程的桌面隊(duì)列中，交由本進(jìn)程消息循環(huán)進(jìn)行分發(fā)和處理。在獲得消息處理結(jié)果后用cli_quest()向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)請(qǐng)求后交由handle_request按照請(qǐng)求功能號(hào)的不同調(diào)用不同的服務(wù)例程進(jìn)行處理，完成后發(fā)送一個(gè){HWND_INVALID,0}消息和應(yīng)答數(shù)據(jù)，客戶端接收服務(wù)器應(yīng)答消息，至此完成一個(gè)基本的消息循環(huán)通信過(guò)程。

基于以上的分析， MiniGUI下的基于微C/S機(jī)制的多進(jìn)程GUI通信模型如圖1所示：

相比傳統(tǒng)的嵌入式圖形界面開(kāi)發(fā)，多進(jìn)程圖形用戶界面系統(tǒng)在編程實(shí)現(xiàn)上有較大的復(fù)雜性。圖形用戶界面必須實(shí)現(xiàn)對(duì)窗口、層、異步事件、光標(biāo)或者加上觸摸屏的管理，MiniGUI本身的消息機(jī)制的管理與內(nèi)核系統(tǒng)的其他機(jī)制之間的配合等。

2圖形用戶界面的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)

2.1 圖形用戶界面的窗口管理

MiniGUI提供了豐富的圖形構(gòu)件，如窗口、對(duì)話框、控件等，能夠?qū)崿F(xiàn)各種應(yīng)用功能。MiniGUI本身是基于事件驅(qū)動(dòng)的圖形用戶界系統(tǒng)，所謂事件是指當(dāng)用戶進(jìn)行窗口操作時(shí)，如移動(dòng)鼠標(biāo)、單擊鼠標(biāo)、進(jìn)行鍵盤輸入的功能，這些動(dòng)作會(huì)觸發(fā)一個(gè)相應(yīng)的“事件”，并由支持系統(tǒng)收集，以特定方式翻譯為消息。應(yīng)用程序一般包含自己的消息隊(duì)列，以接受系統(tǒng)消息并建立循環(huán)，這樣的循環(huán)稱為消息循環(huán)。消息一般由代表消息類型的數(shù)和附加參數(shù)構(gòu)成。

多窗口系統(tǒng)在屏幕上要同時(shí)顯示多個(gè)應(yīng)用程序窗口，程序窗口之間會(huì)有相互重疊關(guān)系。所以GUI系統(tǒng)運(yùn)行后首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)根窗口，此窗口在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)由啟動(dòng)腳本運(yùn)行，是所有其他窗口的依附窗口。其他子窗口由用戶在根窗口內(nèi)點(diǎn)擊相應(yīng)圖標(biāo)產(chǎn)生，并且在子窗口內(nèi)可以繼續(xù)派生出自己的下一級(jí)子窗口，每個(gè)子窗口擁有一個(gè)窗口ID號(hào)，以標(biāo)示與上級(jí)窗口的派生關(guān)系，據(jù)此便可以追溯到根窗口，而不至于產(chǎn)生窗口管理的混亂。窗口之間的可以為同級(jí)或者上下級(jí)派生關(guān)系。相互間的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示：

2.2 多任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配

由于嵌入式設(shè)備在硬件資源上的局限性，GUI系統(tǒng)對(duì)新的任務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)先級(jí)的分配和管理，以避免低運(yùn)行級(jí)任務(wù)造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。GUI系統(tǒng)優(yōu)先運(yùn)行級(jí)別較高的任務(wù)，對(duì)新產(chǎn)生的任務(wù)按照預(yù)定方式分配相應(yīng)的運(yùn)行級(jí)別，并與當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)級(jí)別進(jìn)行比較，如果新任務(wù)是最高運(yùn)行級(jí)別的任務(wù)，則掛起其他任務(wù)直到新任務(wù)處理結(jié)束；如果是相同運(yùn)行級(jí)別的任務(wù)則把新任務(wù)加入到運(yùn)行隊(duì)列的隊(duì)尾，由內(nèi)核分配CPU時(shí)間片和內(nèi)存資源，與其他的任務(wù)一起進(jìn)行多任務(wù)的并發(fā)處理；如果新任務(wù)運(yùn)行級(jí)別最低則將被放入到系統(tǒng)等待隊(duì)列中，直到其他任務(wù)處理完成再處理新任務(wù)。判斷流程如圖3示：

圖3運(yùn)行級(jí)別判斷流程圖

3嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境構(gòu)建

完整的嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境由嵌入式目標(biāo)板和宿主機(jī)構(gòu)成，兩者通過(guò)網(wǎng)線、計(jì)算機(jī)串口和JTAG連接。用戶程序在宿主機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，交叉編譯過(guò)的程序燒寫到開(kāi)發(fā)板中的Flash芯片中。

3.1宿主機(jī)

宿主機(jī)安裝Redhat9.0操作系統(tǒng)、MiniGUI開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)工具集。工具集包括交叉編譯器gcc、調(diào)試器gdb、C函數(shù)庫(kù)glibc和二進(jìn)制工具集binutils。

3.2 目標(biāo)板

1）引導(dǎo)程序（Boot Loader）

是系統(tǒng)復(fù)位后執(zhí)行的一段代碼，首先完成系統(tǒng)硬件的初始化，包括時(shí)鐘設(shè)置、存儲(chǔ)區(qū)影射等，然后跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)內(nèi)核的入口，將系統(tǒng)控制權(quán)交給操作系統(tǒng)。 Boot Loader獨(dú)立于操作系統(tǒng)而高度依賴系統(tǒng)硬件，必須自行設(shè)計(jì)。本文采用vivi作為系統(tǒng)的引導(dǎo)程序。其啟動(dòng)分為兩個(gè)階段：第一階段代碼采用匯編語(yǔ)言編寫，主要進(jìn)行與CPU以及存儲(chǔ)設(shè)備密切相關(guān)的工作，并進(jìn)行初始化；第二階段采用C語(yǔ)言編寫，來(lái)實(shí)現(xiàn)一般的流程及對(duì)板級(jí)的一些驅(qū)動(dòng)支持。

2）Linux內(nèi)核

一般的嵌入式操作系統(tǒng)如uClinux、uC/OS-II通常運(yùn)行在沒(méi)有MMU的CPU上，因此在進(jìn)程編程時(shí)具有較大的困難度，所以選擇具有完整 Unix特性的Linux作為操作系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)板采用打過(guò)補(bǔ)丁的Linux-2.4.18-rmk7的內(nèi)核，內(nèi)核和補(bǔ)丁可以從ARM的官方網(wǎng)站上下載。在配置內(nèi)核時(shí)去掉無(wú)關(guān)的功能以減少內(nèi)核大小，如SCSI、IrDA、手柄等。

3）根文件系統(tǒng)

嵌入式根文件系統(tǒng)（root filesystem）是嵌入式Linux系統(tǒng)的核心部分 ，包含系統(tǒng)使用的軟件和庫(kù)，以及所有用來(lái)為用戶提供支持架構(gòu)和用戶使用的應(yīng)用軟件，并作為存儲(chǔ)區(qū)讀寫結(jié)果的區(qū)域。

4多進(jìn)程GUI的實(shí)現(xiàn)

基于以上分析，本圖形用戶界面系統(tǒng)采用微C/S機(jī)制，用共享內(nèi)存的進(jìn)程間通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，通過(guò)套接字實(shí)現(xiàn)客戶程序與服務(wù)器程序通信。服務(wù)器程序?qū)崿F(xiàn)窗口結(jié)構(gòu)隊(duì)列管理，獲取系統(tǒng)產(chǎn)生的鼠標(biāo)和鍵盤消息并進(jìn)行分發(fā)。客戶進(jìn)程從IPC消息隊(duì)列獲取發(fā)往自己的消息，并通過(guò)共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)窗口剪切。

經(jīng)過(guò)交叉編譯的可執(zhí)行圖形應(yīng)用程序可以通過(guò)NFS下載到開(kāi)發(fā)板，然后通過(guò)串口調(diào)試工具進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試。在應(yīng)用程序調(diào)試完成后將裁減后的MiniGUI 的函數(shù)庫(kù)、配置文件放到為開(kāi)發(fā)板準(zhǔn)備的根文件系統(tǒng)中，并把主界面的可執(zhí)行文件加入到文件系統(tǒng)的啟動(dòng)腳本，用重新得到的根文件系統(tǒng)生成鏡像文件，然后燒寫到開(kāi)發(fā)板Flash上，在開(kāi)發(fā)板啟動(dòng)后即可以進(jìn)入到圖形界面。該系統(tǒng)在嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)上能夠?qū)崿F(xiàn)多窗口運(yùn)行，并且在調(diào)用產(chǎn)生高任務(wù)級(jí)別的任務(wù)時(shí)能夠順利實(shí)現(xiàn)任務(wù)掛起功能。

5結(jié)束語(yǔ)

目前嵌入式產(chǎn)品的在功能實(shí)現(xiàn)上日益復(fù)雜化，簡(jiǎn)單的圖形用戶界面系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足用戶的實(shí)際需要，比如將來(lái)的智能手機(jī)將融入電子地圖、定位導(dǎo)航系統(tǒng)、 PDA、電子字典、多媒體播放等多功能，單一的窗口操作界面顯然不符合用戶要求。基于多進(jìn)程的GUI系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)、支持多窗口，并且具有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此必然是嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)，也是未來(lái)嵌入式圖形用戶界面的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 周立功等. ARM嵌入式MiniGUI初步與應(yīng)用開(kāi)發(fā)范例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2006。

[2] David Mosberger, Stephane Eranian，IA-64 Linux Kernel Design and Implementation[M]。Prince Hall, Jan 30, 2002

[3] MiniGUI編程指南 V2.0 [Z]。http://www.minigui.com

[4] MiniGUI API Reference Manual for V1.3 [Z]. http://www.minigui.com

[5] 鄭樺，劉清，邢航，徐智穹。構(gòu)造嵌入式Linux的文件系統(tǒng)[J]。微計(jì)算機(jī)信息，2004,20(8)：49~50