嵌入式Linux系統(tǒng)下Microwindows的應(yīng)用

摘要：通過對(duì)嵌入式GUI軟件Microwindows進(jìn)行分析并與X window進(jìn)行對(duì)比，闡述Microwindows用于嵌入式設(shè)備上的優(yōu)點(diǎn)；簡要論述Microwindows的體系結(jié)構(gòu)和圖形應(yīng)用程序接口；介紹其設(shè)備驅(qū)動(dòng)特性、API、客戶機(jī)/服務(wù)器模型、畫圖機(jī)制和FLTK。

    關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) Microwindows Linux

引言

在進(jìn)入后PC時(shí)代以后，嵌入式設(shè)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(dāng)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?cè)谇度胧皆O(shè)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(jī)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(jìn)行定制，而且作為一種免費(fèi)的開放式源碼，還支持目前在嵌入式設(shè)計(jì)領(lǐng)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(diǎn)。Microwindows是一個(gè)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(yùn)行Linux的小型設(shè)備和平臺(tái)上。作為X Window系統(tǒng)的替代品，Microwindows可用更少的RAM和文件存儲(chǔ)空間（100K～600KB）提供相似的功能，允許設(shè)計(jì)者輕松加入各種顯示設(shè)備、鼠標(biāo)、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(shí)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(tái)支持Microwindows。

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(shè)備進(jìn)入了一個(gè)創(chuàng)新應(yīng)用時(shí)代，不過這些新的應(yīng)用需要考慮其資源環(huán)境，這是因?yàn)槎鄶?shù)的嵌入式設(shè)備缺少硬件驅(qū)動(dòng)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(gè)基于Client/Server結(jié)構(gòu)的視窗系統(tǒng)；允許在任一臺(tái)UNIX主機(jī)（Clients——客戶端）上運(yùn)行程序，而在基于X的終端（Server——服務(wù)器）上顯示出來。在這個(gè)過程中，相當(dāng)一部分代碼用于確認(rèn)主機(jī)和服務(wù)器上運(yùn)行的Client/Server程序是否正常。目前，大多數(shù)X的客戶端和服務(wù)器是在同一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行，X Window服務(wù)器經(jīng)編譯后一般用于自動(dòng)檢測硬件。服務(wù)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(fù)雜，運(yùn)行時(shí)需要至少8MB的內(nèi)存空間。

2 Microwindows分析比較

對(duì)于大多數(shù)嵌入式設(shè)計(jì)，尤其是在運(yùn)行專用圖形程序的場合，X Window不是一種恰當(dāng)?shù)倪x擇。由此而發(fā)展起來的Microwindows是專門設(shè)計(jì)用于在小型設(shè)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(duì)現(xiàn)代圖形視窗環(huán)境的功能部件。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其可方便地加入不同的顯示、鼠標(biāo)、觸屏以及鍵盤等設(shè)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(jìn)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(shí)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(shè)計(jì)得在設(shè)計(jì)Microwindows時(shí)沿用了已有的兩個(gè)圖形應(yīng)用程序接口（API）：一是Microsoft Windows中Win32/WinCE的圖形設(shè)備接口（GDI），它適用于所有Windows CE和Win32的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用程序。

Microwindows在運(yùn)行過程中僅需要50～250KB的內(nèi)存空間，遠(yuǎn)小于X Windows系統(tǒng)所需空間。這主要是因?yàn)镸icrowindows對(duì)于在驅(qū)動(dòng)層的每一個(gè)繪圖函數(shù)采用的是單進(jìn)程的方式，由驅(qū)動(dòng)層核驗(yàn)是否裁減并調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序來繪制未被裁減的像素點(diǎn)或線；而在X Window系統(tǒng)中，則是出于對(duì)速度的考慮，包含所有像素點(diǎn)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(shí)支持1、2、4、8、16、24、32位像素點(diǎn)顯示，支持調(diào)色板、真彩色、灰度等顏色模式，并對(duì)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(diǎn)轉(zhuǎn)換成相近的可顯示顏色或相應(yīng)單色系統(tǒng)中的灰度級(jí)。雖然Microwindows支持Linux系統(tǒng)，但它是基于相對(duì)簡單的屏幕驅(qū)動(dòng)界面結(jié)構(gòu)，因此，可在許多不同的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）上運(yùn)行，甚至于那些無硬件的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)也可運(yùn)行Microwindows。這樣，可使得客戶的圖形應(yīng)用程序在不的工程中共享使用，也可在不同的RTOS上運(yùn)行不同的目標(biāo)程序而不需要重新編寫圖形應(yīng)用程序，大大提高了編程效率。

Microwindows支持圖形目標(biāo)平臺(tái)的主機(jī)平臺(tái)競爭，也就是說應(yīng)用于Linux的Microwindows應(yīng)用程序不需要跨平臺(tái)編譯，就可在桌面上直接運(yùn)行和測試，同時(shí)仍可在目標(biāo)平臺(tái)上運(yùn)行。這一點(diǎn)需通過使用Micorwindows的X11屏幕驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器可以根據(jù)像素點(diǎn)和顏色值來模擬目標(biāo)平臺(tái)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(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用程序。

對(duì)于那些熟悉使用Microsoft Windows或Linux X Windows的程序員頁言，經(jīng)編寫應(yīng)用程序時(shí)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(yīng)用程序框架或者是更新的ATL框架，在繪制圖形時(shí)使用Win32圖形設(shè)備接口（GDI）。Windows中還包括有許多Win32 GDI中的應(yīng)用界面控件，如按鈕、列表等。而X Windows系統(tǒng)提供了一個(gè)低級(jí)接口——Xlib，僅用于實(shí)現(xiàn)最低級(jí)簡單的繪圖功能，并將其封裝成程序包在需顯示時(shí)在顯示設(shè)備上運(yùn)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(shí)現(xiàn)更高級(jí)的函數(shù)。目前，對(duì)Microwindows的應(yīng)用正在逐步地加入GTK+/GDK以及FLTK插件，以實(shí)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(shè)計(jì)上有著明顯的分層結(jié)構(gòu)，如圖3所示，其設(shè)備與平臺(tái)相關(guān)層、設(shè)備與平臺(tái)無關(guān)層和應(yīng)用層之間層次清晰、結(jié)構(gòu)明顯，因此勿需改動(dòng)其整體結(jié)構(gòu)，只需在其相應(yīng)的部分添加代碼即可實(shí)現(xiàn)一些更為復(fù)雜的功能。

圖3 Microwindows體系結(jié)構(gòu)

    在Microwindows的最底層（設(shè)備與平臺(tái)相關(guān)層），系統(tǒng)針對(duì)顯示屏、鼠標(biāo)、觸屏以及鍵盤等各定義了一個(gè)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(duì)指定設(shè)置和硬件驅(qū)動(dòng)代碼。Microwindows中還包含了諸多設(shè)備和操作系統(tǒng)的各種版本的驅(qū)動(dòng)程序。屏幕驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)這些基本指針的過程中需運(yùn)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(dòng)中還包括有硬件加速的話，僅需更改驅(qū)動(dòng)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(shè)備與平臺(tái)無關(guān)層），因?yàn)樗械睦L圖函數(shù)都通過調(diào)用屏幕驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，該層與硬件無關(guān)。圖形引擎層為應(yīng)用層提供了一系列相應(yīng)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(shè)備無關(guān)，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(shí)現(xiàn)裁減功能，它采用多矩形算法，可在任意復(fù)雜的區(qū)域中實(shí)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(shí)還支持ASCII、Unicode-16、Unicode-32、UTF-8編碼規(guī)則。

Microwindows的最高層（應(yīng)用層）實(shí)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(yīng)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(luò)或是本地的UNIX主機(jī)進(jìn)行編譯，以同時(shí)顯示幾個(gè)運(yùn)行在已連接到Microwindows服務(wù)器的嵌入式設(shè)備或遠(yuǎn)程主機(jī)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(wù)器之間傳播數(shù)據(jù)。Nano-X可在每個(gè)客戶機(jī)上步運(yùn)行，這意味著一旦發(fā)送了客戶機(jī)請(qǐng)求包，服務(wù)器在另一個(gè)客戶機(jī)提供服務(wù)之前一直等待，直到整個(gè)包到達(dá)為止。這使得服務(wù)器代碼非常簡單，而運(yùn)行速度仍非?？?。

4 Micorowindows上的FLTK API

FLTK是一個(gè)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(duì)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(dòng)器、滾動(dòng)條、刻度盤等其它構(gòu)件。針對(duì)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(gè)出色的UI構(gòu)建器，由兩個(gè)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(shè)計(jì)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(gè)窗口構(gòu)件）。

FLTK是一個(gè)C++庫，由于大多數(shù)現(xiàn)代GUI環(huán)境都是面向?qū)ο蟮?，這命名編寫的應(yīng)用程序移植到類似的API中會(huì)更容易。

結(jié)語

Microwindows正在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域穩(wěn)步發(fā)展，是完全免費(fèi)的開放式源代碼，為嵌入式設(shè)備提供了更多的解決方案；任何對(duì)將Linux定制于PDA、掌上機(jī)或者可移動(dòng)設(shè)備感興趣的人都可從因特網(wǎng)免費(fèi)下載，并將其移值或開發(fā)。熟悉圖形應(yīng)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(yīng)用程序，在未來的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，它的作用是無可限量的。