Microwindows在基于單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)中的移植

   引言

    microwindows是由gregory haerr組織的一個(gè)開放源碼項(xiàng)目，是嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種圖形用戶接口(gui)，該項(xiàng)目的目標(biāo)是在嵌入式linux平臺(tái)上提供與普通個(gè)人電腦類似的圖形用戶界面。作為x_windows的替代品，microwindows提供了和x_windows類似的功能，但是卻占用很少的內(nèi)存，根據(jù)用戶的配置，microwindows占用的內(nèi)存資源只有100kb~600kb左右。microwindows的核心是基于顯示設(shè)備接口的，可移植性較強(qiáng)，其本身提供了多種嵌入式系統(tǒng)常見的顯示設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。目前新版本的microwindows已經(jīng)內(nèi)建了framebuffer，因此可以不局限于linux的開發(fā)平臺(tái)，在ecos、freebsd、minix等操作系統(tǒng)上都可以運(yùn)行。在基于linux的開發(fā)平臺(tái)上，可以使用framebuffer機(jī)制直接讀寫顯存，也可以調(diào)用svgalib庫(kù)。在基于linux的framebuffer機(jī)制中，microwindows支持每像素1位、2位、4位、8位、16位、32位的色彩/灰度，并通過調(diào)色板技術(shù)將rgb格式的顏色空間轉(zhuǎn)換為目標(biāo)機(jī)上的顏色進(jìn)行顯示。microwindows系統(tǒng)可以圖形方式支持在主機(jī)平臺(tái)上的仿真目標(biāo)平臺(tái)開發(fā)，因此microwindows應(yīng)用程序就可以直接在臺(tái)式機(jī)上進(jìn)行編寫和開發(fā)，通過交叉編譯就可在目標(biāo)平臺(tái)上運(yùn)行。

    本文論述了在基于s3c44b0x的嵌入式開發(fā)平臺(tái)上，移植了?clinux操作系統(tǒng)，并通過修改內(nèi)核、編寫framebuffer幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，使?clinux內(nèi)核能夠支持幀緩沖設(shè)備，在此基礎(chǔ)上移植microwindows的方法與過程。

    microwindows的體系結(jié)構(gòu)

    針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的特性，microwindows采用了層次化結(jié)構(gòu)，每一層完成特定的功能，如圖1所示。

圖1 microwindows體系結(jié)構(gòu)

    設(shè)備驅(qū)動(dòng)層

    設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的接口函數(shù)定義在device.h中，其中包括了屏幕驅(qū)動(dòng)程序、鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序和鍵盤驅(qū)動(dòng)程序。圖形引擎層提供的與設(shè)備無關(guān)的圖形引擎例程通過調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序跟硬件設(shè)備交互，這就保證了當(dāng)平臺(tái)硬件設(shè)備發(fā)生變化的時(shí)候，只需要改寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序即可，無需修改上層代碼。microwindows 提供基于linux2.2.x內(nèi)核的幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，通過/dev/fb0 設(shè)備文件，利用mmap()系統(tǒng)調(diào)用將顯示緩存映射至系統(tǒng)內(nèi)存中。[!--empirenews.page--]

    圖形引擎層

    microwindows系統(tǒng)中的核心函數(shù)是在圖形引擎層通過調(diào)用下層硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)的。這些函數(shù)對(duì)屏幕、鼠標(biāo)、鍵盤等驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了封裝，為api提供了服務(wù)，用戶調(diào)用最上層提供的編程接口，而不需要直接調(diào)用引擎層的例程。在microwindows的源代碼中，核心的例程包括：

    devdraw.c： 主要的圖形繪制操作，描畫和填充、圓、多邊形、文本與位圖的顯示，顏色轉(zhuǎn)換相關(guān)的代碼；

    devclip.c： 剪裁操作；

    devmouse.c：處理鼠標(biāo)操作的信息；

    devkbd.c： 處理鍵盤操作的信息；

    devpalx.c： 與調(diào)色板相關(guān)的代碼；

    devimage.c: 實(shí)現(xiàn)對(duì)gif、bmp、jpeg、ppm 等格式圖形的顯示操作；

    fongt_xxxx.c: 對(duì)不同字體的顯示操作

    api

    microwindows提供了兩種類型的api，以便更好地適應(yīng)在不同平臺(tái)上應(yīng)用程序的移植。一種是與win32/win ce 基本兼容的api，支持大多數(shù)的圖形操作，它的api是基于消息機(jī)制的。另一種是采用x體系的nano-x api，它是client/server模式的，在客戶端的api函數(shù)以nx……( )命名，在服務(wù)端的api函數(shù)以gr……( )命名。

    具體實(shí)現(xiàn)

    下面具體論述microwindows在pc機(jī)和s3c44b0x開發(fā)板上的實(shí)現(xiàn)。首先，需要下載相應(yīng)的安裝包，本文下載的是0.90版本的microwindows和相應(yīng)的字庫(kù)文件。同時(shí)，由于microwindows需要使用freetype庫(kù)函數(shù)產(chǎn)生truetype字體，因此還需要下載安裝freetype，這里使用的的是1.3.1版本的freetype。

    pc機(jī)上實(shí)現(xiàn)

    解壓縮相關(guān)的安裝包，安裝freetype之后，就可以開始運(yùn)行microwindows。在解壓縮目錄中輸入命令：./xconfigure，就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的配置菜單，由于是在pc機(jī)上運(yùn)行，應(yīng)根據(jù)具體的參數(shù)配置microwindows。具體的參數(shù)配置如下：

    (1) 點(diǎn)擊compiling option ，進(jìn)入編譯選項(xiàng)。在隨后彈出的子窗口中選中optimize，點(diǎn)擊ok 返回即可。

    (2) 點(diǎn)擊platform，進(jìn)入開發(fā)平臺(tái)選項(xiàng)。由于是在pc機(jī)上運(yùn)行，選擇“linux(native)”選項(xiàng)。在其后的“option”選項(xiàng)中，按如下配置：“screen driver”選項(xiàng)中，由于是在pc機(jī)上運(yùn)行，選擇“x11”；在“mouse driver”鼠標(biāo)選項(xiàng)中，選擇“gpm mouse”；在“keyboard driver”鍵盤選項(xiàng)中，選擇“tty”。

    (3) 點(diǎn)擊“libraries to compile”，進(jìn)入鏈接庫(kù)配置選項(xiàng)。其中有nanox庫(kù)和microwindows 庫(kù)，在“nanox”的“option”選項(xiàng)中，選擇“link app into server”和“compile demos”選項(xiàng)。

    關(guān)于其他的參數(shù)配置，包括字庫(kù)、文件格式支持等應(yīng)根據(jù)具體的情況進(jìn)行配置。至此，microwindows在pc機(jī)上運(yùn)行的配置工作已經(jīng)完成，存盤退出，屏幕顯示配置成功。輸入命令：make，完成編譯工作。當(dāng)編譯完成后，在src的bin目錄下有很多演示程序，一些是基于nano—x api 的，一些是基于win32 api 的，運(yùn)行即可。

    以上簡(jiǎn)單論述了microwindows在pc機(jī)上運(yùn)行的方法與過程，pc機(jī)上的運(yùn)行過程相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要按照實(shí)際情況進(jìn)行配置，編譯即可。

    嵌入式開發(fā)板上的實(shí)現(xiàn)

    下面論述microwindows在以s3c44b0x為主控芯片的嵌入式開發(fā)板中運(yùn)行的步驟與方法。首先需要建立交叉編譯開發(fā)環(huán)境，這里建立的編譯器是arm-elf-gcc，匯編器是arm-elf-as，鏈接器為arm-elf-ld和庫(kù)管理器arm-elf-ar。接著，移植相應(yīng)的?clinux，關(guān)于此類的文章已經(jīng)較多，在此就不贅述了。最后，在clinux內(nèi)核中將s3c44b0x的幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)打開，并需要建立/dev/fb0設(shè)備節(jié)點(diǎn)，關(guān)于s3c44b0x的幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)已另文發(fā)表。至此，已經(jīng)做好microwindows移植的基礎(chǔ)工作，下面具體論述實(shí)現(xiàn)的步驟與方法。[!--empirenews.page--]

    在microwindows的配置過程中，可以利用./xconfigure命令進(jìn)入菜單配置界面,當(dāng)然也可以通過直接修改配置文件“src/config”對(duì)microwindows進(jìn)行配置。這里采用的是后者，其中幾個(gè)比較關(guān)鍵的選項(xiàng)包括體系結(jié)構(gòu)、交叉編譯器、每像素位數(shù)、幀緩沖等，具體的配置參數(shù)如下：

    (1) 關(guān)于體系結(jié)構(gòu)和編譯器選項(xiàng)

    [ 相關(guān)貼圖 ]

    (2) 每像素位數(shù)screen_pixtype= mwpf_truecolor332 對(duì)于s3c44b0x，在彩色模式下，1個(gè)字節(jié)8位(3位紅色、3位綠色、2位藍(lán)色)的圖像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)像素點(diǎn)，即像素點(diǎn)字節(jié)在存儲(chǔ)器中保存的格式為332位。因此在設(shè)定microwindows的每像素位數(shù)時(shí)將其格式設(shè)置為332，根據(jù)頭文件的定義設(shè)定為mwpf_true color332。

    (3) 幀緩沖設(shè)備由于是在嵌入式開發(fā)平臺(tái)上運(yùn)行，有別于在pc機(jī)上，此時(shí)microwindows應(yīng)該是基于幀緩沖驅(qū)動(dòng)，即需要調(diào)用/dev/fb0設(shè)備，因此參數(shù)的配置應(yīng)該為：

     還有其他某些相關(guān)的配置參數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置。至此，完成了對(duì)microwindows的配置工作，下面需要根據(jù)?clinux的特性，對(duì)microwindows的源代碼進(jìn)行相應(yīng)修改。具體需要修改的地方包括三個(gè)方面：

    在打開幀緩沖設(shè)備時(shí)，需要調(diào)用void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offsize)函數(shù)，將屏幕緩沖區(qū)映射到用戶地址空間。在基于pc機(jī)開發(fā)時(shí)，由于在linux系統(tǒng)下，參數(shù)flags默認(rèn)為map_shared，即對(duì)映射區(qū)域的寫入數(shù)據(jù)會(huì)復(fù)制回文件內(nèi)，而且允許其他映射該文件的進(jìn)程共享。由于?clinux是沒有mmu(內(nèi)存管理單元)的，因此參數(shù)flags應(yīng)為map_fixed ，即如果參數(shù)start所指的地址無法成功建立映射時(shí)，則放棄映射，不對(duì)地址做修正。因此，應(yīng)該修改文件/src/drivers/scr_fb.c，將mmap()函數(shù)中的flags參數(shù)改為map_fixed。

    如果此時(shí)直接編譯經(jīng)過配置和修改源代碼的microwindows，會(huì)提示出現(xiàn)“undefined reference to ‘_ _ctor_list’”和“undefined reference to ‘_ _dtor_list’”的錯(cuò)誤。這是由于原來在libgcc中是有_ _ctor_list和_ _dtor_list參數(shù)定義的，但在?clinux的交叉編譯鏈中，該符號(hào)被刪掉。在elf2flt的link script中提供了這兩個(gè)符號(hào)的定義，使用clinux的交叉編譯鏈編譯可執(zhí)行程序就必須用-elf2flt選項(xiàng)。因此應(yīng)在編譯的選項(xiàng)里加上“-elf2flt”，修改的文件包括demos文件夾下各個(gè)相關(guān)文件夾的makefile文件。

    由于clinux缺少mmu硬件的支持，無法實(shí)現(xiàn)fork( )函數(shù)，而只能使用vfork( )函數(shù)，因此在含有fork( )函數(shù)的文件中應(yīng)加入相應(yīng)的條件編譯指令，用vfork( )來代替fork( )。

    以上3個(gè)修改是比較重要，至此已完成了整個(gè)microwindows在s3c44b0x嵌入式開發(fā)板中的移植，編譯即可。最后，將編譯好的演示程序復(fù)制到clinux內(nèi)核中，再編譯內(nèi)核，將編譯好的內(nèi)核映像文件下載至ram中，即可運(yùn)行演示。

    結(jié)語

    本文主要論述了microwindows的體系結(jié)構(gòu)，并且介紹了在pc機(jī)上和基于s3c44b0x的嵌入式開發(fā)板上運(yùn)行的步驟和方法，指出了在開發(fā)過程應(yīng)該注意的問題。下面就可以利用相應(yīng)的開發(fā)工具開發(fā)microwindows的應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。