基于ulTRON操作系統(tǒng)的嵌入式GUI設計

隨著嵌入式系統(tǒng)技術的不斷發(fā)展，各類嵌入式應用對人機交互界面的要求也越來越高，這就使得對嵌入式圖形用戶界面的需求越來越迫切。與一般系統(tǒng)上的圖形用戶界面相比，嵌入式系統(tǒng)圖形用戶界面要求輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、可配置等特點。 本設計是在東南大學國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術研究中心自主研發(fā)的，并在遵循uITRON 3.0標準的RTOS-ASIX OS基礎上設計出一套適合于手持設備、儀器儀表等應用的圖形用戶界面一一ASIX Window。該圖形用戶界面采用面向對象的設計思想，基于消息循環(huán)和事件驅動機制，構建了比較完整的窗口系統(tǒng)，為用戶提供了類Win32 API的用戶編程接口?？紤]到一般嵌入式應用的屏幕較小，以及嵌入式系統(tǒng)處理器與存儲器容量的限制，ASIX Window在設計上放棄了窗口剪切等復雜特性，大大降低了系統(tǒng)的復雜性，減少了對系統(tǒng)資源的占用。由于采用基于控件的設計概念，ASIX Window非常適合裁減，可以根據用戶的需求方便地增加或刪減控件，增加了系統(tǒng)的可裁減性。該圖形用戶界面已成功應用于PDA，電子詞典，稅控收款機等多款產品設計中。 1 與操作系統(tǒng)內核的接口 ASIX Window的整體架構是基于消息分發(fā)，消息循環(huán)以及消息處理之上的。整個ASIX OS平臺的結構如圖1所示。圖1中，最底層的是系統(tǒng)的消息源，包括中斷(鍵盤、觸摸屏等)和定時器，一般將它們統(tǒng)稱為中斷源。中斷發(fā)生后，進入中斷處理程序，該中斷處理程序維護其對應的緩沖區(qū)后(如果它需要緩沖區(qū))，設置事件發(fā)生(通過調用內核的事件標志系統(tǒng)調用)。因為系統(tǒng)任務是阻塞在這個事件標志上的，而且系統(tǒng)任務的優(yōu)先級最高，系統(tǒng)任務將被內核調度運行，系統(tǒng)任務根據所發(fā)生事件的類型，來進行相應的處理。比如說，如果是筆中斷事件，中斷處理程序將筆的坐標信息存放在相應的緩沖區(qū)中，并設置相應的事件標志，系統(tǒng)任務將筆坐標的數據轉換為相應活動區(qū)域(Active Area)的消息，并由系統(tǒng)任務將這個消息發(fā)送到當前需要該中斷事件的任務中。LCD顯示，鍵盤和筆中斷一定是由前臺任務(擁有屏幕的任務)接管的，其他外圍設備所對應的中斷源則由占用該資源的任務接管。

每個任務都有一個自己的信箱(Mail B0x)，在每個信箱上都維護著一條消息隊列，所有發(fā)往該任務的消息都連接在這個隊列中。任務代碼應該通過消息循環(huán)不斷地從該隊列中取消息并處理，如果消息隊列為空，則該任務阻塞，由ASIX OS內核選擇下一個就緒的高優(yōu)先級任務運行。 系統(tǒng)任務是內核的擴展，提供系統(tǒng)基本的服務功能和接口。它接管系統(tǒng)所有的中斷資源并將相應的中斷事件翻譯成為相應的系統(tǒng)消息，并將該消息分發(fā)到對應的應用程序任務;系統(tǒng)任務同時維護系統(tǒng)中所有任務的信息，負責確定前臺任務(擁有顯示屏幕和用戶輸入焦點的任務，前臺任務不一定是CPU正在運行的任務)以及前臺任務的切換。系統(tǒng)任務阻塞在底層中斷的事件標志上，系統(tǒng)任務擁有最高的優(yōu)先級。 在系統(tǒng)任務之上是服務任務。服務任務負責提供系統(tǒng)的其他擴展服務。服務任務沒有屏幕顯示(類似于Linux中的守護進程)，服務任務阻塞在自己的消息隊列上。服務任務擁有第二高的優(yōu)先級。 應用程序任務是用戶使用的各個應用。應用任務阻塞在自己的消息隊列上，所有的應用程序一般都應該擁有屏幕顯示，所有的應用程序在同一優(yōu)先級上。 2 窗口管理 ASlX Windows是基于消息驅動的圖形用戶接口。從ASIXWindows的角度來看，應用程序是由一組窗口和控件組成的，程序的功能是通過窗口的操作來實現的?？丶窃贏SIX Windows中定制的具有特定功能的獨立模塊，例如：按鈕、菜單、下拉框、軟鍵盤等。在ASIX Windows中，每一個控件在數據結構上都被描述為一個窗口(也就是說，在數據結構上，窗口和控件是一樣的)，不同的是，控件是作為某個窗口的子窗口。在數據結構上將窗口與控件統(tǒng)一，使得整個系統(tǒng)的結構更簡單，對窗口的操作與對控件的操作可以統(tǒng)一到一起，這使得系統(tǒng)的編程接口可以統(tǒng)一到窗口的操作函數上。在ASIX Windows中所有的窗口操作，不管是窗口或是控件，都使用這些統(tǒng)一的函數。系統(tǒng)通過下面這個統(tǒng)一的數據結構來對所有的控件進行管理。 typedef struct asix_window { struct asix window *prey}//指向前一個兄弟窗口 struct asix_window *next;//指向后一個兄弟窗口 struct asix_window *child;//指向子窗口鏈表/*本窗口的相關ID*/ WNDCLASS *wndclass;//指向本窗口的窗口類 U32 task_id; //本窗口所屬任務的任務號 U32 wnd_id; //本窗口ID號 U32 parent_id; //本窗口的父窗口 ID號/*本窗口的位置、狀態(tài)、風格以及窗口標題等*/ U32 status; //本窗口狀態(tài) U16 x; //本窗口左上角x坐標 U16 v; //本窗口左上角Y坐標 U16 width; //本窗口的寬度 U16 hight; //本窗口的高度 char *caption} //本窗口標題 U32 style; //本窗口風格/*指向本窗口私有數據結構的指針*/ void *etrl_str; //指向本窗口的私有數據結構 }ASIX_WINDOW; 實際上，不同的控件擁有不同的功能和結構，所以它們的操作是不同的。為了擁有統(tǒng)一的操作函數接口，為每一個不同的窗口或控件定義了相應的窗口類，窗口類實際上是每種控件的模版，這個模版定義了與該控件相關的內容。當應用程序員調用CreatWindow函數創(chuàng)建某類控件時，CreatWindow查找該類控件的窗口類，并根據窗口類中的定義，調用與該控件相關的創(chuàng)建函數，進行實際的創(chuàng)建工作。然后CreatWindow填寫相應的數據結構，描述該控件類的實例，并將其鏈接到系統(tǒng)窗口鏈表中去，以便后續(xù)的管理。利用窗口類描述不同控件設計的同時，可以將不同控件的開發(fā)獨立于系統(tǒng)構架的實現，使得控件的開發(fā)可以獨立進行。使用獨立窗口類來描述每個控件的另一個好處是可以非常方便的對ASIX Window進行裁減。下面給出窗口類數據結構的定義。 typedef struct window_class { U8 wndclass_id; //窗口類的ID號//CreateWindow()調用本函數執(zhí)行控件的具體創(chuàng)建 STATUS (。create)(char‘caption，U32 style，U16 x， U16 Y，U16 width，U16 hight，U32 wndid，U32 menH，void* *etrl_str，void*exdata);//DestroyWindow()調用本函數執(zhí)行控件的具體刪除 STATUS (*destroy)(void*ctrl_str);//DefWindowProc()調用本函數進行消息處理 STATUS (。msg_proe)(U32 win_id，U16 asix_msg%26;#183;U32 lparam.void*data，U16 wparam.void*reserved);//GetMessage()調用本函數進行底層消息的翻譯與轉換 STATUS (*msg_trans)(void*ctrl_str，U16 msg_type， U32 areald.P_U16 data，U32 size，PMSG trans_msg);//RePaintWindow()調用本函數重繪本窗口類控件 STATUS (*repaint)(void*ctrl_str，U32 Iparam);//SetWindowText()調用本函數設置本窗口類控件的標題 STATUS (*caption)(void*ctrl_str，char*caption，void * exdata); }WNDCLASS; 圖2所示是系統(tǒng)中窗口鏈表的結構，系統(tǒng)還維護了一張任務鏈表，每個任務控制塊(TCB)中都保留了指向本任務窗口鏈表的首指針。[!--empirenews.page--]

3 消息傳遞與處理 每個窗口(Form)都擁有自己的消息處理函數，該函數接收來自系統(tǒng)(包括窗口和控件)的消息并作相應的處理和動作。每一個窗口處理函數實際上就是一個消息循環(huán)，窗口函數通過取消息函數ASIXGetMessage()獲得系統(tǒng)任務，并發(fā)送給該窗口的消息進行處理。ASIX(GetMes—sage()獲得系統(tǒng)消息并進行相應的處理和消息轉換(實際上是將底層操作系統(tǒng)所提供的硬件消息轉換成ASIXWindow的消息，該函數通過調用相應窗口類所定義的消息翻譯函數msg-trans()實現消息的轉換)，然后窗口函數對消息進行分檢并作相應的處理，這部分代碼是用戶自己定制的，實際上是用戶程序處理來自窗口和控件的消息，用來實現該應用程序的功能。窗口函數調用ASIX Win—dows的控件消息處理函數DefWindowProc()，該函數是一個消息過濾器及轉換器，它接管非用戶的，屬于控件自己的消息(這個消息可能來自用戶的操作)。它首先掃描由取消息函數獲得的消息，檢查其中是否有屬于ASIXWindows控件的消息。如果該消息屬于某個控件，則消息處理函數調用系統(tǒng)窗口鏈表中該控件所對應的窗口類所指明的消息處理函數，處理這個消息執(zhí)行相應的動作并可能發(fā)出相應的消息(例如，當用戶點擊某按鈕時，控件消息處理函數將接管該點擊事件，并執(zhí)行按鈕被點擊的動畫，同時發(fā)送一條該按鈕被點擊的消息)。 4 圖形接口 ASIX Windowr的圖形接口設計引入了硬件抽象層的概念，圖形函數(Graphic API)不直接操縱硬件，而是通過調用硬件抽象層提供的一組基本函數來作具體的圖形繪制工作。硬件抽象層函數將按照設備相關的格式將要顯示的內容首先填寫到系統(tǒng)內存的一片緩沖區(qū)(VRAM)中，然后硬件抽象層的函數將根據傳入的參數決定是否將數據復制到LCD控制器。如果所調用函數的應用任務當前擁有 LCD(前臺任務)，則將數據送往LCD控制器，否則該函數僅僅將數據寫人VRAM緩沖區(qū)(該任務是后臺任務)。硬件抽象層還提供了一個叫做 Refresh的函數，該函數將把當前VRAM中的內容復制到LCD控制器的數據寄存器中。系統(tǒng)任務在應用任務切換的時候調用Refresh函數，將切換進來的任務中所屬VRAM的數據刷新到LCD中去，實現屏幕的切換，如圖3所示。

為了避免圖形函數重人時帶來的問題，以及不同應用任務擁有不同屏幕以及相應屬性的問題，在新的設計中采用了圖形上下文(Graphic Context，簡稱GC)的結構。每個需要用到屏幕的應用任務都擁有自己的圖形上下文，該結構中保存與硬件無關的顯示屬性，比如當前色、背景色、當前線寬、當前填充模式、光標的位置、閃爍頻率、光標大小、顯示緩沖區(qū)(VRAM)的頭指針、物理屏幕在邏輯屏幕中的位置坐標等信息。 實際上，這樣的設計一方面可以實現邏輯屏幕的概念，即應用程序可以在比實際物理屏幕大的屏幕上繪制圖形;另一方面.不管應用任務在前臺(擁有LCD)還是在后臺(不擁有LCD)，都可以進行圖形函數的調用。如果是前臺任務，繪制的圖形會立刻顯示在LCD上;如果是后臺任務，圖形被暫時“繪制”到該任務的 VRAM中，等下次該后臺任務切換到前臺時，系統(tǒng)任務(System Task)將調用Refresh函數將該任務的VRAM刷新到LCD上。 結 語 根據以上內容，設計完成了ASIX Window GUI的原型系統(tǒng)，并在PDA應用中采用了該GUI。為了方便應用程序員的開發(fā)，還在此基礎上設計了基于MS VC++的GUI模擬器。圖4所示是ASIX Windcw在PDA系統(tǒng)和模擬器上的應用。

　 ASIX Window編譯后的核心非常小巧，長度只有2OO KB左右。在可移植性方面，該GUI已成功地移植到了68000、X86、ARM等處理器平臺上。