嵌入式Linux系统中的GUI系统的研究与移植_嵌入式系统论文
摘要：针对嵌入式linux系统中几种常见的gui（graphic user interface）系统，讨论嵌入式gui实现的底层技术方式；详细分析microwindows、minigui、qt/embedded等三种gui的实现特点、体系结构、api接口。结合这三种嵌入式gui在以motorola i,mx1为核心的实际应用系统中移植开发的问题，讨论移植技术与中文化技术。
关键词：嵌入式linux gui 应用与移植 中文化
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，今年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公司将于今年末推出的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。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。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。