基于Framebuffer的嵌入式GUI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

摘要：本文研究了基于Framebuffer的嵌入式GUI的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括其體系結(jié)構(gòu)層次的建立、驅(qū)動機(jī)制的分析、微型客戶端/服務(wù)器模式的實(shí)現(xiàn)，以及基于Framebuffer的GAL與GDI的設(shè)計等關(guān)鍵內(nèi)容。
關(guān)鍵詞：嵌入式；GUI；Linux；Framebuffer

0 前言

當(dāng)前流行的商業(yè)化的GUI 系統(tǒng)包括Palm OS、Windows CE和Symbian OS 等。這些GUI 性能出眾，一般都提供完整的解決方案，對Java、多媒體的支持較好，使用它們可以很方便地構(gòu)建自己的嵌入式系統(tǒng)，縮短開發(fā)周期。但這些都是商業(yè)化產(chǎn)品，使用它們不可避免地要付出昂貴的授權(quán)費(fèi)用，沒有公開源代碼，用戶也不能很自由地定制自己的產(chǎn)品。

Linux 的出現(xiàn)給嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)帶來了新的活力，它擁有很多的優(yōu)良特性非常適合于嵌入式開發(fā)。目前國內(nèi)外基于Linux的GUI產(chǎn)品比較流行的包括MiniGUI、MicroWindows、QT/Embedded 等，其中QT/Embedded 屬于商業(yè)化的產(chǎn)品，其他屬于開源軟件。從性能、功能各個方面來說QT/Embedded 比較優(yōu)秀，但是使用它需要支付高昂的授權(quán)費(fèi)用，一般應(yīng)用在高端的PDA 和SmartPhone 等產(chǎn)品上。MiniGUI和MicroWindows均為自由軟件，只是前者遵循LGPL條款，后者遵循MPL條款，這兩個系統(tǒng)的技術(shù)路線也有所不同，MiniGUI的策略是首先建立在比較成熟的圖形引擎之上，比如Svgalib和LibGGI，開發(fā)的重點(diǎn)在于窗口系統(tǒng)、圖形接口之上，而MicroWindows目前的開發(fā)重點(diǎn)則在底層的圖形引擎之上，窗口系統(tǒng)和圖形接口方面的功能還比較欠缺，而且MiniGUI在1.6版本以后也不再提供免費(fèi)的完整功能版本下載。

FrameBuffer是Linux控制臺下的一個通用的圖形接口，它擁有良好的平臺無關(guān)性，可以支持絕大多數(shù)的硬件，因而得到愈來愈多廠家的支持，一些流行的圖形庫如QT、GTK便是基于FrameBuffer的。它的接口非常簡單，通過它可以十分方便地構(gòu)建一個圖形系統(tǒng)。而對GUI的實(shí)現(xiàn)做一個系統(tǒng)深入的分析和研究也是嵌入式系統(tǒng)研究必不可少的一個步驟。本項(xiàng)目在開發(fā)嵌入式數(shù)字控制系統(tǒng)的過程中對現(xiàn)有的嵌入式GUI系統(tǒng)做了深入的研究，包括嵌入式GUI的體系結(jié)構(gòu)層次、驅(qū)動機(jī)制，并實(shí)現(xiàn)了對自身量身定做的GAL和GDL，實(shí)現(xiàn)了滿足自身需求的嵌入式GUI系統(tǒng)。

1嵌入式GUI需求分析

與運(yùn)行在PC 機(jī)上的GUI相比，作為運(yùn)行在嵌入式設(shè)備上的程序，不可避免的要受到設(shè)備環(huán)境的限制，其實(shí)這也是所有嵌入式編程都要遇到的問題。嵌入式設(shè)備對GUI 的限制主要體現(xiàn)在：(1) CPU速度相對來說較慢，一般不具備浮點(diǎn)運(yùn)算功能或浮點(diǎn)運(yùn)算功能較弱；(2)內(nèi)存、外存容量??；(3)電量有限需要考慮節(jié)電因素。

同時，嵌入式平臺具有多樣性，不同的平臺之間性能、功能部件千差萬別，很難設(shè)計出一個GUI產(chǎn)品能夠適合任何平臺，因此就必需對GUI產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，包括所要運(yùn)行的平臺、最終用戶的需求等等，它是產(chǎn)品成功的關(guān)鍵，也決定了我們的設(shè)計方針和思想，比如實(shí)時和非實(shí)時產(chǎn)品的設(shè)計是完全不同的。這里我們設(shè)計的GUI 系統(tǒng)是為中低端嵌入式系統(tǒng)提供圖形界面能力的中間件產(chǎn)品，它應(yīng)該能滿足以Linux OS 作為產(chǎn)品系統(tǒng)平臺的中低端客戶對圖形用戶界面開發(fā)的要求，并易于第三方應(yīng)用程序的移植。具體來說，其運(yùn)行在CPU 主頻不高于400MHz（實(shí)際使用200MHz），內(nèi)存容量在64MB（實(shí)際使用16M）以下的中低端嵌入式系統(tǒng)，兼容POSIX標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，擁有完整或經(jīng)過裁減的C庫。

在設(shè)計的時候要充分考慮到這些因素，在編程時也要注意一些原則：盡量讓CPU少做事，盡量不進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，盡量減少文件操作，盡量減少內(nèi)存分配。

2 基于Linux的嵌入式GUI構(gòu)建

2.1 嵌入式GUI的體系結(jié)構(gòu)層次

    嵌入式GUI的實(shí)現(xiàn)一般要劃分成四大功能模塊：GUI用戶接口模塊、GUI對象模塊、GUI基本圖形模塊和GUI消息驅(qū)動模塊。具體功能定義如下：

    1）GUI用戶接口模塊 該模塊為上層應(yīng)用軟件開發(fā)人員提供方便、易用的API接口函數(shù)，對上層開發(fā)人員屏蔽了GUI的設(shè)備實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，讓開發(fā)人員很簡單的就可以編寫出良好的圖形用戶界面的應(yīng)用程序。

    2）GUI對象模塊 GUI對象模塊對窗口環(huán)境中的邏輯對象進(jìn)行組織管理。其中包括對象的添加、刪除引發(fā)的對象鏈表的更新，以及GUI窗口顯示的維護(hù)，如窗口切換、焦點(diǎn)切換、對象的隱藏和恢復(fù)等操作引發(fā)的對象屬性的更新，還有對不同控件的各種事件的響應(yīng)。

    3）GUI基本圖形模塊 在該模塊中實(shí)現(xiàn)了對顯示輸出設(shè)備的操作，如畫點(diǎn)、畫線、畫矩形等基本功能，還有對于字符的解析輸出，以及對圖形的解析輸出。一般它獨(dú)立于具體的設(shè)備驅(qū)動程序，與物理設(shè)備之間形成“設(shè)備抽象層”。

    4）GUI消息驅(qū)動模塊 該模塊是GUI系統(tǒng)的通訊模塊，負(fù)責(zé)GUI的消息接收和與其它任務(wù)的通訊以及消息隊(duì)列的維護(hù)。

    我們在自我裁減的Linux操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上具體實(shí)現(xiàn)了一個輕量級的嵌入式GUI系統(tǒng)，在C語言中，采用了類似于面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，同時將GUI系統(tǒng)的核心模塊設(shè)計的盡量小巧，便于測試。GUI系統(tǒng)內(nèi)核對GUI特性和使用環(huán)境進(jìn)行了高度抽象，為了增加GUI系統(tǒng)的可移植性和可擴(kuò)展性，本系統(tǒng)將與特定設(shè)備相關(guān)的功能全部分裝到了獨(dú)立的函數(shù)之中，如果要移植到其它不同的設(shè)備上去，只需要把這些與特點(diǎn)設(shè)備相關(guān)的函數(shù)部分重寫即可達(dá)到目的。本GUI系統(tǒng)采用的垂直分層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

圖1、嵌入式GUI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

用戶和嵌入式系統(tǒng)交互的過程即是用戶通過輸入設(shè)備操作GUI的應(yīng)用程序，GUI系統(tǒng)在接到用戶對該輸入事件的處理消息之后，將處理后的結(jié)果顯示在輸出設(shè)備上。因此GUI系統(tǒng)涉及的主要技術(shù)有事件驅(qū)動、輸出顯示、資源管理。其中事件驅(qū)動是GUI系統(tǒng)的核心，輸出顯示是GUI的關(guān)鍵，資源管理是GUI系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2.2 嵌入式GUI的驅(qū)動機(jī)制分析

    GUI系統(tǒng)的事件驅(qū)動機(jī)制主要是消息驅(qū)動機(jī)制。從消息機(jī)制方面來說，本GUI系統(tǒng)可以劃分為三個子系統(tǒng)：圖形處理子系統(tǒng)，輸入設(shè)備子系統(tǒng)和輸出設(shè)備子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)以圖形處理子系統(tǒng)為核心，既相對獨(dú)立又彼此聯(lián)系。

    所謂消息有兩層含義：1、消息發(fā)生的時間(事件，動態(tài)概念)：2、消息內(nèi)容(信息，靜態(tài)概念)。消息發(fā)生觸發(fā)一個事件，用以主動通知信息的到來。系統(tǒng)中消息發(fā)生時間是隨機(jī)的，由操作系統(tǒng)異步捕獲此事件，再分發(fā)給對應(yīng)的處理程序。程序起著信息處理的作用，而消息則代表到達(dá)的信息。對于可以事先判定信息的種類范圍，而不能事先預(yù)測信息到達(dá)時間的情況，有兩種處理方法：被動輪詢和主動通知。消息屬于主動通知一類。利用消息驅(qū)動計算機(jī)輸入的機(jī)制，顯得自然、簡潔。

    消息處理機(jī)制包括消息的產(chǎn)生、傳遞(發(fā)送和接收)和處理等過程。消息作為一種任務(wù)、程序、系統(tǒng)等應(yīng)用之間的信息和數(shù)據(jù)聯(lián)系，它可以由硬件事件產(chǎn)生，也可以由其它任務(wù)、程序、系統(tǒng)等應(yīng)用中產(chǎn)生，并將它們發(fā)到其它應(yīng)用中，以控制應(yīng)用的行為。

本GUI系統(tǒng)的消息處理機(jī)制如圖2所示。

圖2、系統(tǒng)的消息處理機(jī)制圖

采用這種消息機(jī)制后，模塊之間形成完全松散的耦合關(guān)系，增加了整個連接和集成的靈活性，這是通過消息和響應(yīng)的非直接、隱式調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。

    選用這種消息機(jī)制作為嵌入式GUI系統(tǒng)的設(shè)計，正好適合了嵌入式系統(tǒng)本身要求可以配置、裁剪的特點(diǎn)。嵌入式GUI本身只需要維持一個消息處理機(jī)即可，可以大大增加系統(tǒng)的可移植性。采用這種消息機(jī)制，只需要重新定義消息和響應(yīng)處理，GUI系統(tǒng)中的任何控件都可以簡單地替換為另一個控件，這一特點(diǎn)可以滿足GUI系統(tǒng)本身要求的可擴(kuò)展性，用戶可以根據(jù)自己的要求對控件進(jìn)行修改、定制和擴(kuò)展GUI系統(tǒng)的界面風(fēng)格。

    對于激勵和響應(yīng)之間沒有嚴(yán)格的時間邏輯關(guān)系的系統(tǒng)，消息是一種非常好的控制機(jī)制。消息機(jī)制完全可以滿足嵌入式GUI的調(diào)度要求。

2.3 微型客戶端/服務(wù)器模式的實(shí)現(xiàn)

從系統(tǒng)整體角度看，根據(jù)是否采用多進(jìn)程C/S 機(jī)制和服務(wù)程序的具體功能，基本可以將Linux 下的嵌入式GUI 劃分為類X GUI 和非X GUI 兩大類。

圖3、類X GUI的系統(tǒng)C/S交互機(jī)制示意圖

是否采用C/S客戶服務(wù)機(jī)制，決定于用戶的設(shè)計需求和實(shí)時性考慮。當(dāng)實(shí)時能力能夠得到滿足時，類X的GUI在系統(tǒng)健壯性和功能完備性上要大大超過非X的GUI。非X GUI往往采用單進(jìn)程多線程，所有數(shù)據(jù)和操作共享同一內(nèi)存區(qū)域，當(dāng)某個線程出現(xiàn)錯誤時容易造成整個進(jìn)程癱瘓，因此用于復(fù)雜場合的成熟的GUI大多數(shù)都采用類X GUI多進(jìn)程多客戶單服務(wù)的機(jī)制。由于類X的嵌入式GUI具有應(yīng)用普遍性，我們采用了類X GUI客戶服務(wù)結(jié)構(gòu)模式。

X GUI的原理是借鑒X Window的客戶服務(wù)機(jī)制，采用了事件驅(qū)動的設(shè)計方法。應(yīng)用程序在客戶端，輸入接口在服務(wù)器端，應(yīng)用程序通過和服務(wù)器通訊間接和輸入輸出硬件設(shè)備交互。如圖3是系統(tǒng)的類X GUI的系統(tǒng)C/S交互機(jī)制示意圖

客戶程序向服務(wù)器程序提交感興趣的事件或要阻止的事件請求，服務(wù)器主程序啟動循環(huán)收集事件(包括輸入設(shè)備上的事件)，由輸入引擎接口上的系統(tǒng)調(diào)用來接收輸入設(shè)備事件。將客戶感興趣的事件發(fā)送給客戶程序，客戶程序處理后再向服務(wù)器程序提交圖形繪制和其它操作請求。兩者之間通過IPC或socket連接的辦法來傳送事件和請求。

3 基于Framebuffer的GAL與GDI的設(shè)計

FrameBuffer是出現(xiàn)在2.2.xx內(nèi)核當(dāng)中的一種驅(qū)動程序接口。這種接口將顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)。用戶可以將它看成是顯示內(nèi)存的一個映像，將其映射到進(jìn)程地址空間之后，就可以直接進(jìn)行讀寫操作，而寫操作可以立即反應(yīng)在屏幕上。該驅(qū)動程序的設(shè)備文件一般是/dev/fb0，/dev/fbl等等。在應(yīng)用程序中，一般通過將FrameBuffer設(shè)備映射到進(jìn)程地址空間的方式使用。FrameBuffer設(shè)備還提供了若干ioctl命令，通過這些命令，可以獲得顯示設(shè)備的一些固定信息(比如顯示內(nèi)存大小)、與顯示模式相關(guān)的可變信息(比如分辨率、象素結(jié)構(gòu)、每掃描線的字節(jié)寬度)，以及偽彩色模式下的調(diào)色板信息等等。通過FrameBuffer設(shè)備，還可以獲得當(dāng)前內(nèi)核所支持的加速顯示卡的類型(通過固定信息得到)，這種類型通常是和特定顯示芯片相關(guān)的

    研究中我們發(fā)現(xiàn)，雖然己有的幾種嵌入式GUI庫在窗口管理、消息機(jī)制等應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)各不相同；但為了便于移植的特性，都有相似的設(shè)備驅(qū)動層設(shè)計。

    一個能夠移植到多種硬件平臺上的嵌入式GUI庫，應(yīng)用至少抽象出兩類設(shè)備：基于圖形顯示設(shè)備(如VGA卡)的圖形抽象層GAL ( Graphic Abstract Layer )；基于輸入設(shè)備(如鍵盤，觸摸層等)的輸入抽象層IAL ( Input Abstract Layer )。GAL層完成系統(tǒng)對具體的顯示硬件設(shè)備的操作，極大程度上隱蔽各種不同硬件的技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，為程序開發(fā)人員提供統(tǒng)一的圖形編程接口。先進(jìn)的嵌入式GUI，比如MicroWindows和MiniGUI，都支持Framebuffer。

因?yàn)镸icroWindows的GAL層代碼量小，結(jié)構(gòu)清晰而且模塊性好，非常方便修改和擴(kuò)充。因此我們借鑒MicroWindows的設(shè)備抽象層構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)需要在文件中包含src/include/device.h和src/include/mwtypes.h頭文件。前者包含對MicroWindows底層調(diào)用函數(shù)接口的聲明，后者包含MicroWindows中特定結(jié)構(gòu)的定義和一些宏定義。

    GDI對象對于GUI系統(tǒng)來說是一個很重要的概念，它可以提供給用戶更加靈活的操作方式，所以本GUI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了類似于Windows下的GDI系統(tǒng)，不像有些GUI系統(tǒng)，放棄了GDI對象概念，窗口層直接跟繪圖層交互，導(dǎo)致用戶操作起來不靈活，這樣設(shè)計也容易在遵循嵌入式軟件平臺API標(biāo)準(zhǔn)的前提下與Windows的圖形用戶接口相兼容。系統(tǒng)GDI提供了設(shè)備上下文(Device Context)操作、基本GDI對象操作〔包括畫筆、畫刷、字體、位圖、區(qū)域、填充等)，還有映射模式、背景模式和光柵操作。盡管系統(tǒng)GDI吸取了Windows GDI的一些概念和設(shè)計方法，但其作為嵌入式GUI系統(tǒng)的一部分，特別針對嵌入式環(huán)境的特點(diǎn)，取消了一些不常用的、影響效率的功能，充分挖掘GDI層的性能。由于硬件抽象層提供的圖形操作接口只有一個Surface，所以所有的基本圖形繪制及操作都需要GDI實(shí)現(xiàn)，所以提高GDI性能的重點(diǎn)是好的圖形學(xué)算法。本系統(tǒng)GDI對原有的組成元素做了一些取舍，其組成元素如表1所示：

表1、系統(tǒng)GDI組成元素表

4 結(jié)束語

本文研究了基于Framebuffer的嵌入式GUI的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括其體系結(jié)構(gòu)層次的建立、驅(qū)動機(jī)制的分析、微型客戶端/服務(wù)器模式的實(shí)現(xiàn)，以及基于Framebuffer的GAL與GDI的設(shè)計等關(guān)鍵內(nèi)容，提供了除現(xiàn)行流行方案外的嵌入式GUI的解決方案，并可根據(jù)自己系統(tǒng)需求量身定做，在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施中獲得了很好的效果。

作者簡介：趙霞 (1968-)女(漢族),河北人,高級講師,碩士,新僑職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機(jī)信息系.主要研究領(lǐng)域:計算機(jī)應(yīng)用與軟件研究.

Biography：Zhao Xia(1968-), Female(Han), Senior instructor, Master, Department of computer, Xinqiao Professional Technological Institute. Research area: Research on computer application and software development.

參考文獻(xiàn)：

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