嵌入式Linux的MiniGUI研究

1 嵌入式Linux下的GUI概况

1.1 GUI在嵌入式系统中的地位

　　随着嵌入式系统的广泛应用，PDA、机顶盒、DVD/VCD播放机及WAP手机已经迅速普及。图形用户界面（GUI）的广泛流行，是当今计算机技术的重大成就之一。它极大地方便了非专业用户的使用，因此实时嵌入式系统对GUI的需求越来越明显，而这一切均要求有一个高性能、高可靠的GUI 的支持。由于嵌入式系统实时性要求非常高，对GUI的要求也更高。这些系统一般不希望建立在庞大累赘的、非常消耗系统资源的操作系统和GUI之上，比如Windows或X Window，太过庞大和臃肿。这样，这些系统对轻型GUI的需求更加突出。

另外嵌入式系统往往是一种定制设备，它们对GUI的需求也各不相同。有些系统只要求一些图形功能，而有些系统要求完备的GUI支持，因此，GUI也必须是可定制的。嵌入式系统对GUI的基本要求包括轻型、占用资源少、高性能、高可靠性及可配置。

1.2 目前嵌入式系统中GUI的实现。

　　尽管实时嵌入式系统对GUI的需求越来越明显，但目前GUI的实现方法各有不同,主要有以下几点：

　　① 某些大型厂商有能力自己开发满足自身需要的GUI系统。

　　② 某些厂商没有将GUI作为一个软件层从应用程序中剥离，GUI的支持逻辑由应用程序自己来负责。

　　③ 采用某些比较成熟的GUI系统，比如 MiniGUI、MicroWindows 或者其它GUI系统。

　　比较常用的有如下几种GUI系统：精简的X Window 系统、MiniGUI、MicroWindows、OpenGUI及QT/Embedded 等。下面简单介绍这些系统。

　　（1）MiniGUI

　　MiniGUI由原清华大学教师魏永明先生开发，是一种面向嵌入式系统或者实时系统的图形用户界面支持系统。它主要运行于Linux控制台，实际可以运行在任何一种具有POSIX线程支持的 POSIX兼容系统上。MiniGUI同时也是国内最早出现的几个自由软件项目之一。稍后将对它作详细的介绍。

　　（2）MicroWindows

MicroWindows是一个著名的开放源码的嵌入式GUI软件。MicroWindows提供了现代图形窗口系统的一些特性。MicroWindows API接口支持类Win32 API，接口试图和Win32完全兼容。它还实现了一些Win32用户模块功能。MicroWindows采用分层设计方法，以便不同的层面能够在需要的时候改写，基本上用 C 语言实现。MicroWindows已经支持 Intel 16位和32位CPU、MIPS R4000 以及 ARM 芯片；但作为一个窗口系统，该项目提供的窗口处理功能还需要进一步完善，比如控件或构件的实现还很不完备，键盘和鼠标等的驱动还很不完善。

　　（3）OpenGUI

OpenGUI在Linux系统上存在已经很长时间了。这个库是用C++编写的，只提供C++接口。OpenGUI基于一个用汇编实现的x86图形内核，提供了一个高层的C/C++图形/窗口接口。OpenGUI提供了二维绘图原语、消息驱动的API及BMP文件格式支持。OpenGUI功能强大，使用方便。OpenGUI 支持鼠标和键盘的事件，在Linux上基于Framebuffer或者SVGALib实现绘图。由于其基于汇编实现的内核并利用MMX指令进行了优化，OpenGUI运行速度非常快。正由于其内核用汇编实现，可移植性受到了影响。通常在驱动程序一级，性能和可移植性是矛盾的，必须找到一个折衷。

　　（4）QT/Embedded

　　QT/Embedded是著名的QT库开发商Trolltech 的面向嵌入式系统的QT版本。这个版本的主要特点是可移植性较好，许多基于QT的X Window程序可以非常方便地移植到嵌入式系统；但是该系统不是开放源码的，如果使用这个库，可能需要支付昂贵的授权费用。

（5）Pure X架构

Tiny X Server是XFree86 Project的一部分，由Keith Pachard先生所发展，而他本身就是XFree86专案的核心成员之一。一般的X Server都太过于庞大，因此Keith Packard就以XFree86为基础，精简了不少东西而成Tiny X Server，它的体积可以小到几百Kb而已，非常适合应用于嵌入式环境。

以纯X Window System搭配Tiny X Server架构来说，最大的优点就是弹性与开发速度，因为与桌面的X架构相同，因此相对于很多以Qt、GTK+、FLTK等开发的软件可以很容易地移植上来。

虽然移植方便，但是却有体积大的缺点，由于很多软件本来是针对桌面环境开发的，因此无形之中具备了桌面环境中很多复杂的功能。因此“调校”变成采用此架构最大的课题，有时候重新改写都可能比调校所需的时间还短。表1.1为这几种嵌入式GUI的特点比较。

 

表1.1  嵌入式GUI的特点比较

属性GUI	MiniGUI	MicroWindows	OpenGUI	QT/Embedded	Pure X架构
代码量	小巧（300K）			大（最简800K）	稍大
性能	好	有待完善	好	非常好
移植性	好		较差	好	非常好
库函数	C语言	基本C语言	C++	C++
经济性	自由软件	自由软件		商业/源码公开
内核实现	C语言		汇编
汉字编辑	多字符集	无统一接口

2  MiniGUI的特点、优势和体系结构

2.1 MiniGUI的特点

　　MiniGUI的主要特点有：

　　◇ 遵循GPL条款的纯自由软件。

　　◇ 提供了完备的多窗口机制，包括：

　　   1）多个单独线程中运行的多窗口；

　　   2）单个线程中主窗口的附属；

　　   3）对话框和预定义的控件类（按钮、单行和多行编辑框、列表框、进度条及工具栏等）；

　　   4）消息传递机制。

　　◇ 多字符集和多字体支持，目前支持 ISO8859-1、GB2312及Big5 等字符集，并且支持各种光栅字体和 TrueType、Type 1 等矢量字体。

　　◇ 全拼和五笔等汉字输入法支持。

　　◇ BMP、GIF、JPEG及PCX 等常见图像文件的支持。

◇ Windows的资源文件支持，如位图、图标、光标、插入符、定时器及加速键等。

◇ 插入符、定时器、加速键等。

2.2 MiniGUI优势

　　◇ 小巧。包含全部功能的库文件大小为300 KB左右。

　　◇ 可配置。可根据项目需求进行定制配置和编译。

　　◇ 高稳定性和高性能。MiniGUI已经在Linux发行版安装程序、CNC系统及蓝点嵌入式系统等关键应用程序中得到了实际应用。

　　◇ 可移植性好。目前，MiniGUI可以在X Window 和Linux控制台上运行。中科院EEOS开发组已经成功地将MiniGUI移植到了他们的POSIX兼容系统上。蓝点软件（北京）研发中心也已经成功地将 MiniGUI移植到了两款基于StrongARM的嵌入式系统上。

                MiniGUI本身的占用空间非常小，以嵌入式Linux操作系统为例，一个典型的MiniGUI系统存储空间占用情况如表1.2所示。

表1.2  典型MiniGUI系统空间占用情况

组成部分	容  量	说    明
Linux内核	300k~1M	由系统决定
MiniGUI支持库	500k~700k	由编译选项决定
MiniGUI字体、位图等资源	400k	由应用程序确定，可缩小到200k以内
GB输入法码表	200k	不是必需的，由应用程序确定
应用程序	1M~2M	由应用程序确定

从上表可以看出，系统总体的占有空间应该在2M~5M左右。在某些系统上，功能完备的MiniGUI系统本身所占用的空间可进一步缩小到1MB以内，所以比较适合嵌入式系统。

2.3 MiniGUI的体系结构

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2.1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。

从整体结构上看，MiniGUI是分层设计的，层次结构如图2.2所示。在最底层，GAL和IAL提供底层图形接口以及鼠标和键盘的驱动；中间层是MiniGUI 的核心层，包括窗口系统必不可少的各个模块；最顶层是API，即编程接口。GAL和IAL为 MiniGUI提供了底层的Linux控制台或者X Window 上的图形接口以及输入接口，而Pthread用于提供内核级线程支持的C函数库。

利用GAL和IAL，大大提高了MiniGUI的可移植性，并且使程序的开发和调试变得更加容易。可以在X Window上开发和调试自己的MiniGUI程序，通过重新编译就可以让MiniGUI应用程序运行在特殊的嵌入式硬件平台上。

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2.3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 MiniGUI的移植与编程

      3.1 MiniGUI的移植

要运行MiniGUI系统需要满足一些前提条件：

1）             支持POSIX.X的Linux系统，包括Linux2.0、Linux2.4，也包括uClinux等非标准的Linux系统；

2）             Linux的Framebuffer驱动程序功能正常添加，对于没有Framebuffer支持的Linux系统，需要编写特定的图形引擎才能运行MiniGUI；

3）             运行MiniGUI-Threads版本需要POSIX兼容线程库的支持；

4）             运行MiniGUI-Lite版本需要UNIX Domain套接字机制的支持。

下面简单介绍一下MiniGUI移植过程的整个编译过程：

1）  搭建开发环境

2）  编译MiniGUI

3）  安装资源文件

4）  编译MDE，其中MDE是MiniGUI的综合演示程序。

       3.2 MiniGUI编程实现

MiniGUI是一个典型的消息驱动的GUI系统，每个MiniGUI程序都是从MiniGUIMain函数开始的。应用程序先以CreateMainWindow函数创建一个主窗口，由于窗口创建的时候缺省是不可见的，我们通过ShowWindow函数显示该窗口，最后通过GetMessage（&MsgvhMainWnm）进入消息循环。

下例编写了一个简单的Hello，world！程序，程序清单如下。

#endif

/*消息处理函数*/

Static int HelloWinproc(HWND hWnd,int nessage,WPARAM wParam,LPARAM lparam)

{

HDC hdc;

Switch(message){

    Case MSG_PAINT: /*显示*/

         Hdc = BeginPaint(hWnd);

         TextOut(hdc,100,100,”Hello world!”);

         EndPaint(hWnd,hdc);

         Return 0;

    Case MSG_CLOSE:

         DestroyMainWindow(hWnd); /*注销掉*/

         PostQuitMessage(hWnd);

         Return 0;

}

/*主函数*/

int MiniGUIMain(int argc,const char* argv[])

{

MSG Msg;

HWND hMainWnd;

MAINWINCREATE CreateInfo;

#ifdef _LITE_VERSION

SetDesktopRect(0,0,800,600);

#endif

CreateInfo.dwStyle = WS_VISIBLE | WS_BORDER | WS_CAPTION;/*窗口风格*/

CreateInfo.dwExStyle = WS_EX_NONE;           /*窗口的附加风格*/

CreateInfo.spCaption = “HelloWorld”;              /*窗口的标题*/

CreateInfo.hMenu = 0;                           /*附加到窗口上的菜单句柄*/

CreateInfo.hCursor = GetSystemCursor(0);           /*窗口中所使用鼠标光标句柄*/

CreateInfo.hIcon = 0;                            /*程序图标*/

CreateInfo.MainWindowProc = HelloWinProc;        /*消息处理函数指针*/

CreateInfo.lx = 0;                                /*窗口在屏幕上的位置及大小*/

CreateInfo.ty = 0;

CreateInfo.rx = 320;

CreateInfo.by = 240;

CreateInfo.iBkColor = CORLOR_lightwhite;          /*窗口背景颜色*/

CreateInfo.dwAddData = 0;                        /*附带给窗口的一个32位值*/

CreateInfo.hHosting = HWND_DESKTOP;           /*消息队列所属窗口*/

/*建立主窗口*/

hMainWnd = CreateMainWindow(&CreateInfo);

if(hMainWnd == HWND_INVALID)

    return -1;

/*显示主窗口*/

ShowWindow(hMainWnd,SW_SHOWNORMAL);

/*进入消息循环*/

While(GetMessate(&Mag,hMainWnd)){

     TranslateMessage(&Msg);

     DispatchMessage(&Msg);

}

MainWindowThreadCleanup(hMainWnd);

Return 0;

}

4 总结与展望

　　到目前为止，已经有多家嵌入式系统开发商采用MiniGUI开发嵌入式系统，并且已经开发出了许多重要的应用程序。我们期望能够有更多的人加入MiniGUI的开发，共同促成MiniGUI成为嵌入式 Linux系统上的标准GUI。

随着MiniGUI不断推广和功能的加强，它也将在实际应用中不断走向成熟。实时嵌入式系统上的GUI开发正处于开始阶段。在这个领域，有许多技术难题等待自由软件程序员去解决。