嵌入式Linux系统中的GUI系统的研究与移植

 

引言

嵌入式GUI为嵌入式系统提供了一种应用于特殊场合的人们交互接口。嵌入式GUI要求简单、直观、可靠、占用资源小且反应快速，以适应系统硬件资源有限的条件。另外，由于嵌入式系统硬件本身的特殊性，嵌入式GUI应具备高度可移植性与可裁减性，以适应不同的硬件条件和使用需求。总体来讲，嵌入式GUI具备以下特点：

*体积小；

*运行时耗用系统资源小；

*上层接口与硬件无关，高度可移植；

*高可靠性；

*在某些应用场合应具备实时性。
1 基于嵌入式Linux的GUI系统底层实现基础

一个能够移植到多种硬件平台上的嵌入式GUI系统，应用至少抽象出两类设备：基于图形显示设备（如VGA卡）的图形抽象层GAL（Graphic Abstract Layer），基于输入设备（如键盘，触摸层等）的输入抽象层IAL（Input Abstract Layer）。GAL层完成系统对具体的显示硬件设备的操作，极大程度上隐蔽各种不同硬件的技术实现细节，为诮程序开发人员提供统一的图形编程接口。 IAL层则需要实现对于各类不同输入设备的控制操作，提供统一的调用接口。GAL层与IAL层的设计概念，可以极大程序地提高嵌入式GUI的可移植性，如图1所示。

目前应用于嵌入式Linux系统中比较成熟，功能也比较强大的GUI系统底层支持库有SVGA lib、LibGGI、Xwindow、framebuffer等。

2 三种嵌入式GUI系统的分析与比较

2．1 Microwindows

Microwindows是一个典型的基于Server/Clinent体系结构的GUI系统，基本分为三层，如图2所示。

最底层是面向图形显示和键盘、鼠标或触摸屏的驱动程序；中间层提供底层硬件的抽象接口，并进行窗口管理；最高层分别提供兼容于X Window和ECMA APIW（Win32子集）的API。其中使用Nano-X接口的API与X接口兼容，但是该接口没有提供窗口管理，如窗口移动和窗口剪切等高级功能，系统中需要首先启动nano-X的Server程序nanoxserver和窗口管理程序nanowm。用户程序连接nano-X的Server获得自身的窗口绘制操作。使用ECMA APIW编写的应用程序无需nanox-server和nanowm，可直接运行。

Microwindows提供了相对完善的图形功能和一些高级的特性，如Alpha混合、三维支持和TrueType字体支持等。该系统为了提高运行速度，也改进了基于Socket套接字的X实现模式，采用了基于消息机制的 Server/Client传输机制。Microwindows也有一些通用的窗口控件，但其图形引擎存在许多问题，可以归纳如下：

*无任何硬件加速能力；

*图形引擎中存在许多低效算法，如在圆弧图函数的逐点判断剪切的问题。

由于该项目缺乏一个强有力的核心代码维护人员，2003年Microwindows推出版本0.90后，该项目的发展开始陷于停滞状态。

2.2 MiniGUI

MiniGUI是由国内自由软件开发人员设计开发的，目标是为基于Linux的实时嵌入式系统提供一个轻量级的图形用户界面支持系统。MiniGUI的体系架构如图3所示。

MiniGUI分为最底层的GAL层和IAL层，向上为基于标准POSIX接口中 pthread库的Mini-thread架构和基于Server/Client的Mini-Lite架构。其中前者受限于thread模式对于整个系统的可靠性影响——进程中某个thread的意外错误可能导致整个进程的崩溃，该架构应用于系统功能较为单一的场合。Mini-Lite应用于多进程的应用场合，采用多进程运行方式设计的Server/Client架构能够较好地解决各个进程之间的窗口管理、Z序剪切等问题。MiniGUI还有一种从 Mini-Lite衍生出的standalone运行模式。与Lite架构不同的是，standalone模式一次只能以窗口最大化的方式显示一个窗口。这在显示屏尺寸较小的应用场合具有一定的应用意义。

MiniGUI的GAL层技术SVGA lib、LibGGI、基于framebuffer的native图形引擎以及哑图形引擎等，对于Trolltech公司的QVFB在X Window下也有较好的支持。IAL层则支持Linux标准控制台下的GPM鼠标服务、触摸屏、标准键盘等。

MiniGUI下丰富的控件资源也是MiniGUI的特点之一。当前MiniGUI的最新版本是1.3.3。该版本的控件中已经添加了窗口皮肤、工具条等桌面GUI中的高级控件支持。

2．3 QT/Embedded

Qt/Embedded是著名的Qt库开发商Trolltech公司开发的面向嵌入式系统的Qt版本。因为Qt是KDE等项目使用的GUI支持库，许多基于Qt的X Window程序因此可以非常方便地移植到Qt/Embedded上。Qt/Embedded同样是Server/Client结构。

Qt/Embedded延续了Qt在X上的强大功能，在底层摒弃了X lib，仅采用framebuffer作为底层图形接口。同时，将外部输入设备抽象为keyboard和mouse输入事件，底层接口支持键盘、GPM鼠标、触摸屏以及用户自定义的设备等。

Qt/Embedded类库完全采用C++封装。丰富的控件资源和较好的可移植性是Qt/Embedded最为优秀的一方面。它的类库接口完全兼容于同版本的Qt-X11，使用X下的开发工具可以直接开发基于Qt/Embedded的应用程序QUI界面。

与前两种GUI系统不同的是，Qt/Embedded的底层图形引擎只能采用 framebuffer。这就注定了它是针对高端嵌入式图形领域的应用而设计的。由于该库的代码追求面面俱到，以增加它对多种硬件设备的支持，造成了其底层代码比较凌乱，各种补丁较多的问题。Qt/Embedded的结构也过于复杂臃肿，很难进行底层的扩充、定制和移植，尤其是用来实现 signal/slot机制的moc文件。

Qt/Embedded当前的最新版本为3.3.2，能够支持Trolltech的手持应用套件Qtopia的Qt/Embedded最高版本为2.3.8。Trolltech公司将于2004年末推出的Qt/Embedded 3为基础的Qtopia 2应用套件。

3 三种嵌入式GUI的移植与中文化

在进行以上三种嵌入式GUI的研究和移植过程中，硬件平台采用自行设计的以 Motorola MC9328 MX1为核心的开发系统。该系统采用CPU内部LCD控制器和320×240分辨率的16bpp TFT LCD作为显示设备，使用I2C总线扩展出16按键的键盘，同时配置了9位A/D量化精度的电阻触摸屏作为鼠标类输入设备；同时移植了ARM Linux作为操作系统。以下分别讨论这三种嵌入式GUI的底层移植和中文化技术。

移植以上三种嵌入式GUI系统，需要首先实现Linux内核中的framebuffer驱动。对应于开发系统为MC9328中的LCD控制器，该部分驱动程序必须以静态方式编译进内核，在系统启动时由传递进内核的启动参数激活该设备。I2C键盘的驱动程序和触摸屏的驱动程序实现后，作为Linux内核模块在使用时动态加载。

3．1 Microwindows的移植

Microwindows驱动层相应的源码目录为src/drivers/。其中以 scr*开头的源码是针对显示设备的驱动接口，以mou*开头的源码文件为鼠标设备（包括触摸屏）的驱动接口，以kbd*开头的源码文件针对键盘设备的驱动接口。移植过程中需要实现自己的设备驱动接口提供给Microwindows使用，就必须按照指定的接口格式编写相应的scr、mou、kbd的底层支持。这种方式实现简单，条理也很清晰。

显示设备驱动接口：Microwindows的图形发生引擎支持framebuffer，修改src/中的config文件指定使用framebuffer作为底层图形支持引擎；但需要注意嵌入式Linux的framebuffer较少支持控制台字符模式，需要修改Microwindows中对framebuffer的操作部分以关闭显示模式的转换。

在应用程序开发移植中需要注意的是：使用ECMAAPIW接口设计的程序无需nano-X 的Server程序和nanowm，如图2所示。系统中可以直接启动使用该接口编写的用户程序；但需要注意的是，一个系统中如同时存在使用两种不同的 API接口编写的进程，会造成nano-X的Server与ECMA APIW的进程对系统硬件资源的使用竞争，双方的程序将无法正常显示或响应应用户输入。

在为Microwindows增加中文显示的支持时，主要工作包括两个部分。一部分是系统字体的中文支持。此处使用等宽光栅字体，主要负责窗口标题和内置控件的中文绘制，将字体编译进Microwindows内核中，光栅信息作为一维数组，显示时按照字符偏移量从该数组中调出相应的光栅信息显示即可。除此之外，当程序调用CreateFont时，需要在内部实现为打开文件系统中的字体文件。通过修改src/engine/devfont.c中的GdCreateFont部分，添加相应的hzk（汉字库）支持，便可以实现在CreateFont 时创建出一个支持GB2312字符集的逻辑字体，并使用外部字体进行显示。在应用程序设计时，如果没有调用SelectObjectu将外部字体选入，中文显示时将默认使用系统字体。

3.2 MiniGUI

由于MiniGUI较好地将硬件设备抽象为GAL层和IAL层，移植时只需要针对自身的硬件特点按照GAL层调用接口和IAL层调用接口来做内部实现即可。图4为MiniGUI的GAL层结构示意，IAL层结构类似。

实现了framebuffer的Linux驱动后，配置MiniGUI选择Native的GAL引擎，便可以使用framebuffer作为MiniGUI的图形发生引擎。

MiniGUI的IAL层将输入设备的输入事件最终映射为GUI系统API层的消息事件。 IAL层默认处理两种设备的输入操作：键盘设备和鼠标设备。键盘设备向上层提供不同的按键输入信息，鼠标设备提供点击、抬起和落笔坐标等的信息。在实现 MiniGUI与输入设备驱动的接口时，采用Select的方式获得输入设备的动作，并转换为消息队列中的消息。消息参数按照Win32接口定义为点击键编号或鼠标当前的坐标（其中触摸屏事件与鼠标事件类似）。通过编写针对硬件开发系统的IAL支持代码，实现了IAL层的移植。

MiniGUI中多字体和字符集支持是通过设备上下文（DC）的逻辑字体（LOGFONT）实现的，创建逻辑字体时指定相应的字符集，其内部实现为对于所需显示字符的所属字符集的识别处理，最终调用相应字符集的处理函数族。应用程序在启动时，可切换系统字符集，如GB2312、BIG5、EUCKR、UJIS。MiniGUI的这种字符集支持方式不同于采用UNICODE的解决方案。在节省系统资源的意义上讲，这种实现更加适合于嵌入式系统应用，是MiniGUI的一大创新点。MiniGUI同时支持包括ttf、bdf、 type 1、vbf等多种字体格式，可以根据需要配置MiniGUI来支持相应字体的显示。

3．3 Qt/Embedded的移植

Qt/Embedded的底层图形引擎完全依赖于framebuffer，因此在移植时需考虑目标平台的Linux内核版本和framebuffer驱动程序的实现情况，包括分辨率和颜色深度等在内的信息。当前嵌入式CPU大多内部集成LCD 控制器，并支持多种配置方式。除少数CPU低色彩配置时的endian问题外，Qt/Embedded能够较好地根据系统已有的framebuffer驱动接口构建上层的图形引擎。

Qt/Embedded图形发生引擎中的图形绘制操作函数都是由源泉码目录 src/kernel/中的src/kernel/qgfxreaster_qws.cpp中所定义的QgfxRasterBase类发起声明的。对于设备更加底层的抽象描述，则在src/kernel目录中的qgfx_qws.cpp中的Qscreen类中给予相应定义。这些是对framebuffer 设备直接操作的基础，包括点、线、区域填充、alpha混合、屏幕绘制等函数均在其中定义实现。在framebuffer驱动程序调试通过后，配置 Qt/Embedded的编译选项，可以保证Qt/Embedded的图形引擎正常工作。

Qt/Embedded中的输入设备，同样分为鼠标类与键盘类。其中鼠标设备在源泉码目录中的src/kernel/qwsmouse_qws.cpp中实现，从该类又重新派生出一些特殊鼠标类设备的实现类，其派生结构如图5所示。

根据具体的硬件驱动程序实现的接口，可以实现类似的接口函数。

Qt/Embedded中对于键盘响应的实际函数位于 src/kernel/qkeyboard_qws.cpp中，在qkeyboard_qws.h中，定义了键盘类设备接口的基类 QWSKeyboardHandler。具体的键盘硬件接口依然要建立在键盘驱动程序基础上，移植时需要根据键盘驱动程序从该类派生出实现类，实现键盘事件处理函数processKeyEvent（）即可。

Qt/Embedded内部对于字符集的处理采用了UNICODE编码标准。 Qt/Embedded内部对于字符集的处理采用了UNICODE编码标准。Qt/Embedded同时支持两种对于其它编码标准（如GB2312和 GBK）的支持方式：静态编译和动态插件装载。通过配置config.h文件添加相应的编码支持宏定义，可以获得其它编码标准向UNICODE的转换支持，从而在Qfont类中得以转换与显示。由于UNICODE涵盖了中文部分，Qt/Embedded对中文支持也非常好。

Qt/Embedded能够支持TTF、PFA/PFB、BDF 和QPF字体格式。由于自身采用UNICODE编码方式对字符进行处理，在一定程序上导致了能够使用的字体文件体积的增大。为了解决这一问题， Qt/Embedded采用了QPF格式，使用makeqpf等工具可以将TTF等格式的字体转换至QPF格式。图6为笔者在自行设计的MC9328系统上移植Qt/Embedded和Qtopia套件后，增加中文支持后的显示截图。Qt/Embedded版本为2.3.7，Qtopia版本为 1.7.0。

4 结论

综上所述，一个具备良好移植性的嵌入式GUI系统，其底层接口应该在很大程度上隐藏具体硬件的实现细节，抽象出GAL与IAL层。对于字符集的支持，也可以从MiniGUI的字符集支持方式和Qt/Embedded的UNICODE支持方式上获得启发。