嵌入式Linux下Qt/Embedded應用關鍵技術研究

隨著后PC時代的到來，嵌入式系統(tǒng)的性能有了大幅度的提高，應用范圍也越來越廣，當初的一些簡單的人機交互接口已經無法滿足人們的要求，在嵌入式系統(tǒng)中也逐漸出現(xiàn)了圖形用戶界面(Graphic User Interface，GUI)，特別是在一些消費類產品中。嵌入式系統(tǒng)中的GUI就是在嵌入式系統(tǒng)中為特定的硬件設備或環(huán)境而設計的圖形用戶界面系統(tǒng)，由于受到目前嵌入式系統(tǒng)本身特點的影響，并受其發(fā)展限制，所以嵌入式系統(tǒng)中的GUI應該有如下特點[1]：

1)占用的存儲空間以及運行時占用資源少。

2)運行速度以及響應速度快。

3)可靠性高。

4)便于移植和定制。

Linux有開放的源碼、高效穩(wěn)定的內核、良好的開發(fā)環(huán)境以及支持多種硬件平臺等特點，而且由于Linux的可配置性和模塊化，一個Linux內核經過配置和裁減可以只占用幾百K左右的存儲空間，使其在嵌入式系統(tǒng)中也得到廣泛應用[2]。

QT/Embedded是一個用于嵌入式系統(tǒng)的圖形用戶界面系統(tǒng)，能夠高效、穩(wěn)定地運行于嵌入式 Linux系統(tǒng)下，能為用戶提供可靠的交互功能。

本文就旨在于對這樣的嵌入式GUI QT/Embedded應用中的一些關鍵問題進行研究。

1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)目前主要有Vxwork、pSOS、Palm OS、Neculeus 和 Windows CE。但這些專用操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產品，其價格昂貴，不適合低端嵌入式產品開發(fā)。而且，源代碼的封閉性在很大程度上限制了開發(fā)者的開發(fā)。嵌入式 Linux操作系統(tǒng)彌補了這些不足，Linux操作系統(tǒng)是遵循GPL公約，并且有運行穩(wěn)定、源碼開放的特點，被認為是未來嵌入式操作系統(tǒng)的最佳選擇。

2 QT/Embedded的特點和結構

QT/Embedded是著名的QT庫開發(fā)商Trolltech公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本[3]。許多基于Qt的 X Window程序可以非常方便地移植到Qt/Embedded上，僅采用Framebuffer作為底層圖形接口。Qt/Embedded類庫完全采用 C++封裝。豐富的控件資源和較好的可移植性是Qt/Embedded最為優(yōu)秀的一方面，使用X下的開發(fā)工具Qt Designer可以直接開發(fā)基于Qt/Embedded的UI(用戶操作接口)界面。下圖為Qt/Embedded的實現(xiàn)結構。

圖1 Qt/Embedded的實現(xiàn)結構

Qt/Embedded在代碼設計上，巧妙地利用了C++的面向對象機制，如繼承、多態(tài)、模板等，具體實現(xiàn)非常靈活。

3 關鍵技術

3.1 Qt/Embedded的圖形引擎實現(xiàn)

Qt/Embedded的底層圖形引擎基于Framebuffer。Framebuffer是在Linux內核架構版本2.2以后新推出的標準顯示設備驅動接口。采用mmap系統(tǒng)調用，可以將Framebuffer的顯示緩存映射為可連續(xù)訪問的一段內存空間。由于目前比較高級的ARM體系的嵌入式 CPU中大多集成了LCD控制模塊，LCD控制模塊一般采用雙DMA控制器組成的專用DMA通道。其中一個DMA可以自動從一個數(shù)據(jù)結構隊列中取出并裝入新的參數(shù)，直到整個隊列中的DMA操作都已完成為止。另外一個DMA與畫面緩沖區(qū)相關。雖然使用了雙DMA，但這兩個DMA控制器的交替使用對于CPU來說是不可見的，CPU所獲得只是由兩個DMA組成的一個通道而已。

Framebuffer驅動程序的實現(xiàn)分為兩個方面：一方面是對LCD及其相關部分的初始化，包括緩沖區(qū)的創(chuàng)建和對DMA通道的設置;另外一方面是對畫面緩沖區(qū)的讀寫，有read、write、lseek等系統(tǒng)調用接口。對于將畫面緩沖區(qū)的內容輸出到LCD顯示屏上，由硬件自動完成，對于軟件來說是透明的。當對于DMA通道和畫面緩沖區(qū)設置完成后，DMA開始正常工作，并將緩沖區(qū)中的內容不斷發(fā)送到LCD上。這個過程是基于DMA對于LCD的不斷刷新。

在Qt/Embedded中，Qscreen類是抽象出的底層顯示設備基類，它聲明了對于顯示設備的基本描述和操作方式，如打開、關閉、獲得顯示能力等。另外還有一個重要的基類是QGfx類，此類抽象出對于顯示設備的具體操作接口，如選擇畫刷、畫線、畫矩形等。這兩個基類是Qt/Embedded圖形引擎的底層抽象，其中所有具體函數(shù)基本上都是虛函數(shù)，Qt/Embedded對于具體的顯示設備，如Linux的Framebuffer、Qt Virtual Framebuffer做的抽象接口類全都由此繼承并重載虛函數(shù)實現(xiàn)。

圖2 Qt/Embedded中鼠標設備抽象派生結構

3.2 Qt/Embedded的事件驅動

Qt/Embedded中與用戶輸入事件相關的信號是建立在對底層輸入設備的接口調用。Qt/Embedded中的輸入設備主要有鼠標和鍵盤設備。在2.x和3.x版本系列中鼠標設備的抽象基類為QWSMouseHander，從該類又重新派生出一些具體的鼠標類設備的實現(xiàn)類，鼠標類設備的派生結構如圖2。鍵盤類設備接口的基類QWSKeyboardHandler，移植時需要根據(jù)鍵盤驅動程序從該類派生出實現(xiàn)類，實現(xiàn)鍵盤事件處理函數(shù) processKeyEvent()，并在QWSServer::setKeyboardHandler函數(shù)中注冊自已的鍵盤類設備。其中對于點擊鍵碼定義在QT/Embedded的命名空間src/kernel/qnamespace.h中。

3.3 QT/Embedded的移植

本文使用的系統(tǒng)采用320*240分辨率的TFT LCD和S3C2410內部LCD控制模塊為顯示設備，S3C2410有內部觸摸屏控制器和USB Host控制器，可采用USB接口的鼠標、鍵盤或觸摸屏作為輸入設備。Linux操作系統(tǒng)內核為2.4.18。

Qt/Embedded的移植首先要準備好要使用的源文件。需要準備的源文件有：qt-x11-2.3.2.tar.gz，提供qvfb虛擬緩沖幀工具，uic用戶界面編譯器和Designer Qt應用程序設計工具等。Qt/Embedded直接寫入幀緩沖，而在宿主機上則是通過qvfb(vitural framebuffer)來模擬幀緩沖。qvfb是X窗口用來運行和測試Qtopia應用程序的系統(tǒng)程序，允許在桌面上開發(fā)Qt嵌入式程序，而不需要在命令臺和X11之間來回切換。qvfb使用了共享存儲區(qū)域(虛擬的幀緩沖)來模擬幀緩沖并且在一個窗口中模擬一個應用，顯示的區(qū)域被周期性的改變和更新。通過指定顯示設備的寬度和顏色深度，虛擬出來的緩沖幀和物理的顯示設備在每個像素上保持一致。這樣在每次調試應用時不需要總是刷新嵌入式設備的Flash存儲空間，從而加速了應用的編譯、鏈接和運行周期。qt-embedded-2.3.7.tar.gz和qt-embedded- 2.3.7.tar.bz2，提供Qt庫的支持。qtopia-free-1.7.0.tar.gz，提供應用程序開發(fā)包桌面環(huán)境。tmake- 1.11.tar.gz，用于生成和管理Makefile。[!--empirenews.page--]

Qt/Embedded到目標設備的移植也需要相應的交叉編譯工具鏈，交叉編譯就是在主機平臺編譯器鏈接產生運行于目錄平臺的可執(zhí)行文件，可采用Cygwin平臺下的arm-linux-gcc.exe系列編譯器。

3.4 添加應用到qtopia

Qtopia即QPE(Qt Palmtop Environment)是由著名的Trolltech公司基于Qt的嵌入式版本Qt/Embedded庫的基礎上，專門針對PDA、智能手機這類運行嵌入式Linux的移動計算設備和手持設備所開發(fā)的開放源碼的一套應用程序包和開發(fā)庫。移植好Qt/Embedded和Qtopia后，需要將編寫的應用程序添加到Qtopia。要為開發(fā)的應用程序建立好一個圖標文件，然后要重新交叉編譯Qtopia，建立.desktop文件，將其保存在 qtopia/apps/applications目錄下。最后制作新的文件系統(tǒng)映像文件，把新建的應用程序文件加入其中，若要使QPE能夠自動運行，需要對嵌入式系統(tǒng)上的Linux啟動過程進行修改，主要是要修改etc/profile里的腳本文件。

4 結論

QT能穩(wěn)定、可靠地運行于Linux 系統(tǒng)下，并且可以快速構建一個可視化嵌入式軟件系統(tǒng)。本文的創(chuàng)新之處是分析了嵌入式Linux+QT/Embedded圖形系統(tǒng)的嵌入式圖形軟件開發(fā)中的關鍵技術，這種開發(fā)模式可以大大縮短嵌入式可視化軟件的開發(fā)周期。

參考文獻：

[1] 紀競舟,付宇卓.基于ARMLINUX的嵌入式GUI的研究和移植[J].計 算 機 仿 真,2004,22(3):224-238

[2]吳姣梅,李紅艷等.改善嵌入式Linux實時性能的方法研究[J].微計算機信息,2006,1:72-74

[3] Xterm(中國)軟件技術有限公司.Qt程序設計[M].北京:清華大學出版社,2002