DirectFB在嵌入式遠(yuǎn)程桌面控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

　　在“軟件變服務(wù)”的背景下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)，即網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，占據(jù)了越來(lái)越重要的地位。這種模式的特點(diǎn)是：客戶端只進(jìn)行顯示和輸入，不進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)都運(yùn)行和存儲(chǔ)在服務(wù)器端。為了在有限的資源條件下，如手機(jī)，PDA等便攜終端上實(shí)現(xiàn)便捷的移動(dòng)桌面效果，本文提出一種基于嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程桌面控制方案，其基本思想是盡可能地減少終端資源占用，最大限度地增強(qiáng)其適用范圍，以此達(dá)到增強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值的目的。具體方案是通過(guò)Directvnc 的移植來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于Directvnc 與其它Unix 系統(tǒng)不同的是它通過(guò)輕量級(jí)圖形庫(kù)DirectFB 使用Linux 幀緩沖設(shè)備。DirectFB 在FrameBuffer 的基礎(chǔ)上提供了圖形加速等多種功能，顯示速度快，鏈接庫(kù)較小，可以在一定程度上節(jié)省系統(tǒng)資源，另外，directvnc工作在幀緩沖層，平臺(tái)獨(dú)立性好，摒棄了對(duì)龐大低效的X Window 等標(biāo)準(zhǔn)嵌入式系統(tǒng)圖形化用戶界面的依賴(lài)，這一功能對(duì)于資源有限的嵌入式系統(tǒng)和PDA 等環(huán)境下是非常有效的。

　　1 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式的實(shí)現(xiàn)

　　1.1 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式

　　系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式（virtual network computing，VNC），該模式由VNC 服務(wù)器、RFB（遠(yuǎn)程幀緩存） 協(xié)議和VNC 客戶端3 部分組成。Directvnc 作為客戶端，它使用圖形用戶界面顯示與進(jìn)行輸入輸出控制，通過(guò)互連網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問(wèn)與控制服務(wù)器。RealVNC 作為服務(wù)器端，它進(jìn)行大量的計(jì)算并提供幀緩存變化到客戶端顯示設(shè)備，減輕了客戶端負(fù)荷。RealVNC 功能成熟，高效實(shí)用，完全跨平臺(tái)，兼容性好，可廣泛應(yīng)用于多種操作系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。系統(tǒng)通信通過(guò)RFB 協(xié)議來(lái)完成，RFB是一個(gè)架構(gòu)在TCP/IP上遠(yuǎn)程圖形用戶的簡(jiǎn)單協(xié)議，通過(guò)TCP/IP 協(xié)議簇連接，是基于字節(jié)流或消息的可靠傳輸。它是真正的瘦客戶協(xié)議。

　　1.2 基于RFB 的瘦客戶端實(shí)現(xiàn)

      因?yàn)镽FB 工作在幀緩存級(jí)別上，所以它可以應(yīng)用于所有的窗口系統(tǒng)，例如：X11，Windows 和Mac 系統(tǒng)，重要的是對(duì)客戶端硬件的需求少能支持更廣范圍的硬件環(huán)境。

　　在協(xié)議的設(shè)計(jì)上，對(duì)客戶端的任務(wù)實(shí)現(xiàn)也盡可能的簡(jiǎn)單，這體現(xiàn)在：

　?。?）顯示編碼源語(yǔ)。

　　顯示編碼源語(yǔ)有基于像素和基于圖形兩種繪圖源語(yǔ)。RFB 的顯示編碼方式基于像素，其顯示更新在服務(wù)器端處理，客戶端僅需要顯示像素?cái)?shù)據(jù)?？蛻舳擞?jì)算簡(jiǎn)單、平臺(tái)獨(dú)立性好。

　?。?）系統(tǒng)最初握手階段對(duì)像素?cái)?shù)據(jù)格式和編碼類(lèi)型協(xié)商的設(shè)計(jì)。

　　像素格式涉及如何通過(guò)像素值來(lái)實(shí)現(xiàn)不同顏色的重現(xiàn)，最常用的像素格式是24 位或16 位真彩色。像素格式描述了像素?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)所用的格式，定義了像素在內(nèi)存中的編碼方式。

　　（3）編碼方式。

　　編碼是根據(jù)一定的協(xié)議或格式把模擬信息轉(zhuǎn)換成比特流的過(guò)程。在RFB 協(xié)議中，編碼就是將每一個(gè)矩形像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為包含該矩形像素點(diǎn)的位置、寬度和高度信息以及編碼類(lèi)型的前綴，再加上經(jīng)過(guò)此編碼方式編碼的數(shù)據(jù)本身。RFB 協(xié)議主要采用的編碼方式是二維運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)編碼（2DRLE）的變種，如Raw、CopyRectangle、RRE（Rise-and-Run-Lengeh）、CoRRE（Compact RRE）和缺省時(shí)使用的Hextile。實(shí)際上常用的有2DRLE、Hextil 以及CopyRectangle 編碼，他們?yōu)樽烂嫣峁┳詈玫膲嚎s方法。在RFB 中壓縮編碼算法比不高，但由于算法簡(jiǎn)單，故對(duì)客戶端的圖形顯示引擎設(shè)計(jì)要求很低，客戶端程序也相對(duì)簡(jiǎn)單。

　　（4） 顯示更新機(jī)制。

　　RFB 的顯示協(xié)議是基于一個(gè)簡(jiǎn)單的畫(huà)圖原理，即將每一個(gè)矩形像素點(diǎn)放在給定的位置（x,y）上。

　　幀緩存的更新通過(guò)一系列塊操作來(lái)完成，這種更新像素塊的操作效率較低，但是通過(guò)多種像素編碼壓縮方式的靈活選擇可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬、客戶端計(jì)算速度和服務(wù)器處理的速度之間的效率折中，從而實(shí)現(xiàn)高效率的圖形顯示。顯示更新機(jī)制包括更新時(shí)機(jī)及刷新模式。更新時(shí)機(jī)有客戶端拉動(dòng)和服務(wù)器端推動(dòng)兩種，每種更新時(shí)機(jī)又可采用懶惰更新和急切更新兩種刷新模式。RFB 更新請(qǐng)求是客戶端驅(qū)動(dòng)型的懶惰更新，只有在服務(wù)器端收到客戶端的請(qǐng)求時(shí)才會(huì)向其發(fā)送若干命令緩沖合并后的顯示更新。對(duì)于一些應(yīng)用，在相同區(qū)域上的更新往往非常頻繁，這樣如果網(wǎng)絡(luò)非常慢或者客戶端處理能力不強(qiáng)時(shí)，客戶端驅(qū)動(dòng)的更新機(jī)制使得客戶端的顯示質(zhì)量可以得到調(diào)整。

　　總之，在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式下，RFB協(xié)議盡可能地減少終端資源占用并提高網(wǎng)絡(luò)利用率，基本提供了一個(gè)比較瘦的客戶端。

　　2 DirectFB 圖形系統(tǒng)

　　2.1 DirectFB 簡(jiǎn)介

　　DirectFB 項(xiàng)目是由德國(guó)Convergence 公司推動(dòng)的Opensource 計(jì)劃的一部分，是面向嵌入式設(shè)備專(zhuān)注于Linux Frame-Buffer 開(kāi)發(fā)的小巧、強(qiáng)大、靈活和易于使用的圖形系統(tǒng)，提供一些基本的圖形加速、輸入設(shè)備處理提取、透明窗口和多重顯示層的功能，以最低限度的資源使用和開(kāi)銷(xiāo)，提供最大的硬件加速度性能。

　　Linux 下有多種圖形子系統(tǒng)函數(shù)庫(kù)可供選擇，如Xlib、SDL、Allegro、Mesa3D 和DirectFB 等。其中DirectFB 定位于中高階層的繪圖、游戲應(yīng)用、STB（Set-Top-Box）、MHP（multi-mediahome platform），支持dev/fb、osx、sdl、x11、/dev/men 等系統(tǒng)，它在嵌入式開(kāi)發(fā)中具有很多優(yōu)勢(shì)：

　?、傩∏汕乙浦残院?；

　?、谥С钟布D形加速、輸入設(shè)備的處理和抽象、無(wú)縫整合窗體系統(tǒng)；

　?、郦?dú)立的資源管理；

　?、茏裱_(kāi)源許可證。

　　2.2 DirectFB 圖形系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖形加速

　　DirectFB 圖形系統(tǒng)構(gòu)建在FrameBuffer 圖形引擎之上，是一個(gè)完整的硬件抽象層，提供了對(duì)每個(gè)圖形操作的軟件回饋，由于這一功能還沒(méi)有被底層硬件支持，因此需要一種能夠提取圖形的硬件設(shè)備的支持。DirectFB 體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示，DirectFB 圖形芯片驅(qū)動(dòng)程序訪問(wèn)顯存映射的圖形處理器I/O端口向圖形處理器提交命令，即實(shí)際的硬件加速的啟動(dòng)是在用戶空間完成的。

　　FrameBuffer是內(nèi)核中的一種驅(qū)動(dòng)程序接口，它將顯示設(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(gè)映像，將其映射到進(jìn)程地址空間直接進(jìn)行讀寫(xiě)操作，而讀寫(xiě)操作可以立即反映到屏幕上。DirectFB 作為抽象層可以直接訪問(wèn)FrameBuffer，對(duì)它進(jìn)行顯卡工作模式（分辨率，顏色深度，時(shí)序），映射顯存等設(shè)置，并在其上直接輸出圖形。這種在內(nèi)核級(jí)實(shí)現(xiàn)圖形的方案加快了顯示速度，節(jié)省了系統(tǒng)資源，從而提高效率。

　　2.3 DirectFB 在嵌入式系統(tǒng)上的移植

　　Directvcn 依賴(lài)DirectFB 庫(kù)實(shí)現(xiàn)功能，需要對(duì)DirectFB 進(jìn)行移植。DirectFB 的交叉編譯條件是在Linux 內(nèi)核2.2 以上，并運(yùn)行幀緩沖（Framebuffer），以及必要的依賴(lài)庫(kù)，比如zlib、libjpeg、libpng、freetype 等。完成設(shè)計(jì)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是：

　　Ubuntu8.04 操作系統(tǒng)，嵌入式Linux 開(kāi)發(fā)環(huán)境。使用ELDK4.1交叉編譯器。步驟如下：

　?。?） 從http://www.directfb.org/downloads/Core/獲取源代碼DirectFB-1.2.5.tar.gz 并解壓。

　　（2）交叉編譯依賴(lài)庫(kù)并安裝到指定路徑下：

　　-prefix=/usr/local/arm/eldk-4.1/usr/bin/arm-linux

　?。?）設(shè)置交叉編譯環(huán)境變量，如PREFIX、LDFLAGS、CFLAGS、PKG_CONFIG_PATH 等路徑，配置并交叉編譯DirectFB-1.2.5。

　?。?） 在rootfs/etc 下為directvnc 編輯配置文件directfbrc，內(nèi)容如下：

　　編譯之前，去掉Makefile 中OMAP 驅(qū)動(dòng)的編譯，由于它是TI 的OMAP 系列CPU 專(zhuān)用的，在此包中缺少頭文件，會(huì)引起編譯錯(cuò)誤。#make #make install 編譯成功后在/usr/directfb 下會(huì)生成圖形支持庫(kù)的相關(guān)文件包。

　　3 嵌入式遠(yuǎn)程桌面控制的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 Directvnc 及其功能框圖

　　Directvnc 應(yīng)用VNC 服務(wù)器所使用的遠(yuǎn)程幀緩沖協(xié)議（RFB）。其協(xié)議消息分為3 個(gè)階段：握手、初始化和協(xié)議交互。

　　最初的握手階段主要是對(duì)協(xié)議版本、像素?cái)?shù)據(jù)的格式和編碼類(lèi)型進(jìn)行協(xié)商。第二步對(duì)報(bào)文初始化，主要是本客戶端和服務(wù)器端初始化消息。最后是正常的信息交互階段，客戶端發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器端響應(yīng)并送回結(jié)果。所有的消息都由一個(gè)消息類(lèi)型字節(jié)和詳細(xì)的消息數(shù)據(jù)組成。因此Directvnc 的運(yùn)行流程大致可以分為登陸服務(wù)器，初始化連接，信息交互和退出4部分。如圖2 所示。

　　3.2 Directvnc 的移植

　　DirectVNC系列的configure沒(méi)考慮做移植的配置，所以有些依賴(lài)庫(kù)的路徑需要改正。比如libjpeg，它會(huì)默認(rèn)使用系統(tǒng)/usr/lib 下的庫(kù)。同理需要指定頭文件：Xmd.h、keysymdef.h、jpeglib.h、jconfig.h、jmorecfg.h，或者直接從系統(tǒng)中復(fù)制過(guò)來(lái)。當(dāng)然也可以寫(xiě)一個(gè)用于交叉編譯的Makefile。由于版本不同數(shù)據(jù)定義更新，需要注意的是dfb.c 文件的第33 行：DFBCard-Capabilities caps 應(yīng)修改成DFBGraphicsDeviceDescription caps；RFB 輸入?yún)f(xié)議是基于鍵盤(pán)和多鍵鼠標(biāo)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)共站類(lèi)型，輸入事件也可以由其它非標(biāo)準(zhǔn)I/0 設(shè)備產(chǎn)生，由于本系統(tǒng)采用觸摸屏輸入實(shí)現(xiàn)控制，因此可以注釋掉69-70 行：

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　DirectFB 在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，充分利用了圖像加速功能，減輕了CPU 的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)性能。隨著其廣泛的應(yīng)用，嵌入式GUI 的性能也將得到提高。嵌入式遠(yuǎn)程桌面控制系統(tǒng)平臺(tái)性能的優(yōu)化方面有如下可行的改進(jìn)方向：對(duì)硬件加速進(jìn)行優(yōu)化，即將加速模塊從用戶空間移到硬件的驅(qū)動(dòng)中，GUI 中只需要用統(tǒng)一的接口調(diào)用硬件加速功能，同時(shí)在GUI 中添加對(duì)顯卡芯片未提供的加速功能的軟件實(shí)現(xiàn)，這樣簡(jiǎn)化了GUI 維護(hù)，提高了系統(tǒng)的性能。對(duì)RFB 安全機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，即利用OpenSSL 密碼算法函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)安全通信通道，或者在正常的協(xié)議交互中對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行算法簡(jiǎn)單高效的加密。