Qt/Embedded在嵌入式Linux系統(tǒng)中的應用

    摘要：分析和討論Qt/Embedded的主流版本3.x系列的底層實現(xiàn)技術；結合2.x版本系列和3.x版本系列，在兩種不同的硬件平臺（Intel PXA255開發(fā)系統(tǒng)與筆者自行設計的Motorola MC9328 MX1開發(fā)系統(tǒng)）上的移植過程，討論Qt/Embedded的底層設備接口與應用移植技術。

    關鍵詞：Qt/Embedded嵌入式Linux framebuffer 驅動接口

引言

隨著嵌入式Linux應用的不斷發(fā)展，嵌入式處理器運算能力的不斷增強，越來越多的嵌入式設備開始采用較為復雜的GUI系統(tǒng)，手持設備中的GUI系統(tǒng)發(fā)展得非常迅速。傳統(tǒng)的GUI系統(tǒng)，如Microwindows等，由于項目規(guī)模較小、功能較為薄弱，缺乏等三方軟件開發(fā)的支持等諸多原因，在比較高級的手持或移動終端設備（如PDA、Smart-Phone、車載導航系統(tǒng)）中應用較少。

Qt/Embedded是著名的Qt庫開發(fā)商Trolltech公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本，開發(fā)人員多為KDE項目的核心開發(fā)人員。許多基于Qt的X Window程序可以非常方便地移植到Qt/Embedded上，與X11版本的Qt在最大程度上接口兼容，延續(xù)了在X上的強大功能，在底層徹底摒棄了X lib，僅采用framebuffer作為底層圖形接口。Qt/Embedded類庫完全采用C++封裝。豐富的控件資源和較好的可移植性是Qt/Embedded最為優(yōu)秀的一方面，使用X下的開發(fā)工具Qt Designer可以直接開發(fā)基于Qt/Embedded的UI（用戶操作接口）界面。越來越多的第三方軟件公司也開始采用Qt/Embedded開發(fā)嵌入式Linux下的應用軟件。其中非常著名的Qt Palmtop Environment（Qtopia）早期是一個第三方的開源項目，并已經成功應用于多款高檔PDA。Trolltech公司針對Smart-Phone中的應用需求，于2004年5月底發(fā)布了Qtopia的Phone版本。

1 Qt/Embedded的實現(xiàn)技術基礎分析

橫向來看，由于發(fā)布的版權問題，Qt/Embedded采用兩種方式進行發(fā)布：在GPL協(xié)議下發(fā)布的free版與專門針對商業(yè)應用的commercial版本。二者除了發(fā)布方式外，在源碼上沒有任何區(qū)別?？v向看來，當前主流的版本為Qtopia的2.x系列與最新的3.0x系列。其中2.0版本系統(tǒng)較多地應用于采用Qtopia作為高檔PDA主界面的應用中；3.x版本系列則應用于功能相對單一，但需要高級GUI圖形支持的場合，如Volvo公司的遠程公交信息系統(tǒng)。圖1為Qt/Embedded的實現(xiàn)結構。

3.x版本系列的Qt/Embedded相對于2.x版本系統(tǒng)增加了許多新的模塊，如SQL數(shù)據(jù)庫查詢模塊等。幾乎所有2.x版本中原有的類庫，在3.x版本中都得到極大程度的增強。這就極大地縮短了應用軟件的開發(fā)時間，擴大了Qt/Embedded的應用范圍。

    在代碼設計上，Qt/Embedded巧妙地利用了C++獨有的機制，如繼承、多態(tài)、模板等，具體實現(xiàn)非常靈活。但其底層代碼由于追求與多種系統(tǒng)、多種硬件的兼容，代碼補丁較多，風格稍顯混亂。

1．1 Qt/Embedded的圖形引擎實現(xiàn)基礎

Qt/Embedded的底層圖形引擎基于framebuffer。Framebuffer是在Linux內核架構版本2.2以后推出的標準顯示設備驅動接口。采用mmap系統(tǒng)調用，可以將framebuffer的顯示緩存映射為可連續(xù)訪問的一段內存儲針。由于目前比較高級的ARM體系的嵌入式CPU中大多集成了LCD控制模塊，LCD控制模塊一般采用雙DMA控制器組成的專用DMA通道。其中一個DMA可以自動從一個數(shù)據(jù)結構隊列中取出并裝入新的參數(shù)，直到整個隊列中的DMA操作都已完成為止。另外一個DMA與畫面緩沖區(qū)相關，這部分由兩個DMA控制器交替執(zhí)行，并每次都自動按照預定的規(guī)則改變參數(shù)。雖然使用了雙DMA，但這兩個DMA控制器的交替使用對于CPU來說是不可見的。CPU所獲得的只是由兩個DMA組成的一個“通道”而已。

Framebuffer驅動程序的實現(xiàn)分為兩個方面：一方面是對LCD及其相關部分的初始化，包括畫在緩沖區(qū)的創(chuàng)建和對DMA通道的設置；另外一方面是對畫面緩沖區(qū)的讀寫，具體到代碼為read、write、lseek等系統(tǒng)調用接口。至于將畫面緩沖區(qū)的內容輸出到LCD顯示屏上，則由硬件自動完成。對于軟件來說是透明的。當對于DMA通道和畫面緩沖區(qū)設置完成后，DMA開始正常工作，并將緩沖區(qū)中的內容不斷發(fā)送到LCD上。這個過程是基于DMA對于LCD的不斷刷新的?；谠撎匦?，framebuffer驅動程序必須將畫面緩沖區(qū)的存儲空間（物理空間）重新映射到一個不加高緩存和寫緩存的虛擬地址區(qū)間中，這樣能才保證應用程序通過mmap將該緩存映射到用戶空間后，對于該畫面緩存的寫操作能夠實時的體現(xiàn)在LCD上。

在Qt/Embedded中，Qscreen類為抽象出的底層顯示設備基類，其中聲明了對于顯示設備的基本描述和操作方式，如打開、關閉、獲得顯示能力、創(chuàng)建GFX操作對象等。另外一個重要的基類是QGfx類。該類抽象出對于顯示設備的具體操作接口（圖形設備環(huán)境），如選擇畫刷、畫線、畫矩形、alpha操作等。以上兩個基類是Qt/Embedded圖形引擎的底層抽象。其中所有具體函數(shù)基本都是虛函數(shù)，Qt/Embedded對于具體的顯示設備，如Linux的framebuffer、Qt Virtual Framebuffer做的抽象接口類全都由此繼承并重載基類中的虛函數(shù)實現(xiàn)。圖2為Qt/Embedded中底層圖形引擎實現(xiàn)結構。

圖2

    在圖2中，對于基本的framebuffer設備，Qt/Embedded用QlinuxFbScreen來處理。針對具體顯示硬件（如Mach卡、Voodoo卡）的加速特性，Qt/Embedded從QlinuxFbScreen和圖形設備環(huán)境模板類QgfxRaster<depth,type>繼承出相應子類，并針對相應硬件重載相關虛函數(shù)。

Qt/Embedded在體系上為C/S結構，任何一個Qt/Embedded程序都可以作為系統(tǒng)中唯一的一個GUI Server存在。當應用程序首次以系統(tǒng)GUI Server的方式加載時，將建立QWSServer實體。此時調用QWSServer::openDisplay()函數(shù)創(chuàng)建窗體，在QWSServer::openDisplay（）中對QWSDisplay：：Data中的init()加以調用；根據(jù)QgfxDriverFactory實體中的定義（QLinuxFbScreen）設置關鍵的Qscreen指針qt_screen并調用connect()打開顯示設備（dev/fb0）。在QWSServer中所有對于顯示設備的調用都由qt_screen發(fā)起。至此完成了Qt/Embedded中QWSServer的圖形發(fā)生引擎的創(chuàng)建。當系統(tǒng)中建立好GUI Server后，其它需要運行的Qt/Embedded程序在加載后采用共享內存及有名管道的進程通信方式，以同步訪問模式獲得對共享資源framebuffer設備的訪問權。

1.2 Qt/Embedded的事件驅動基礎

Qt/Embedded中與用戶輸入事件相關的信號，是建立在對底層輸入設備的接口調用之上的。Qt/Embedded中的輸入設備，分為鼠標類與鍵盤類。以3.x版本系列為例，其中鼠標設備的抽象基類為QWSMouse Handler，從該類又重新派生出一些具體的鼠標類設備的實現(xiàn)類。該版本系列的Qt/Embedded中，鼠標類設備的派生結構如圖3所示。

與圖形發(fā)生引擎加載方式類似的，在系統(tǒng)加載構造QWSServer時，調用QWSServer::openMouse與QWSServer::openKeyboard函數(shù)。這兩個函數(shù)分別調用QmouseDriverFactory::create()與QkbdDriverFactory::create()函數(shù)。這時會根據(jù)Linux系統(tǒng)的環(huán)境變量QWS_MOUSE_PROTO與QWS_KEYBOARD獲得鼠標類設備和鍵盤類設備的設備類型和設備節(jié)點。打開相應設備并返回相應設備的基類句柄指針給系統(tǒng)，系統(tǒng)通過將該基類指令強制轉換為對應的具體子類設備指針，獲得對具體鼠標類設備和鍵盤類設備的調用操作。

值得注意的是，雖然幾乎鼠標類設備的功能上基本一致，但由于觸摸屏和鼠標底層接口并不一樣，會造成對上層接口的不一致。舉例來講，從鼠標驅動接口中幾乎不會得到絕對位置信息，一般只會讀到相對移動量。另外，鼠標的移動速度也需要考慮在內，而觸摸屏接口則幾乎是清一色的絕對位置信息和壓力信息。針對此類差別，Qt/Embedded將同一類設備的接口部分也給予區(qū)別和抽象，具體實現(xiàn)在QmouseDriverInterface類中。鍵盤類設備也存在類似問題，同樣引入了QkbdDriver Inteface來解決。具體實現(xiàn)此處暫不多述。

2 Qt/Embedded的移植與應用

針對Qt/Embedded的實現(xiàn)特點，移植該嵌入式GUI系統(tǒng)一般分為以下幾個步驟：

①設計硬件開發(fā)平臺，并移植Linux操作系統(tǒng)；

②采用靜態(tài)鏈接進Linux內核的方式，根據(jù)該平臺顯示設備的顯示能力，開發(fā)framebuffer驅動程序；

③開發(fā)針對該平臺的鼠標類設備驅動程序，一般為觸摸屏或USB鼠標；

④開發(fā)針對該平臺的鍵盤類設備驅動程序，一般為板載按鈕或USB鍵盤（該部分可選）；

⑤根據(jù)framebuffer驅動程序接口，選擇并修改Qt/Embedded中的QlinuxFbScreen和QgfxRaster類；

⑥根據(jù)鼠標類設備驅動程序，實現(xiàn)該類設備在Qt/Embedded中的操作接口；

⑦根據(jù)鍵盤類設備驅動程序，實現(xiàn)該類設備在Qt/Embedded中的操作接口（該部分可選）；

⑧根據(jù)需要選擇Qt/Embedded的配置選項，交叉編譯Qt/Embedded的動態(tài)庫；

⑨交叉編譯Qt/Embedded中的Example測試程序，在目標平臺上運行測試。

Framebuffer設備驅動程序提供出的接口是標準的，除了注意endian問題外，配置Qt/Embedded時選擇相應的色彩深度支持即可，因此該部分的移植難點就在于framebuffer驅動程序的實現(xiàn)。Qt/Embedded部分的QWSServer打開/dev/中的framebuffer設備后讀出相應的顯示能力（屏幕尺寸、顯示色彩深度），模板QgfxRaster<depth.type>將根據(jù)色彩深度在用戶空間設備創(chuàng)建出與顯示緩存同樣大小的緩沖作為雙緩沖，并采用正確方式進行顯示。

    2.1 在PXA255平臺上移植和應用

在筆者參與設計的某Smart-Phone開發(fā)平臺中，GUI系統(tǒng)實現(xiàn)方案采用了Qt/Embedded 2.3.7和Qtopia 1.7.0（基于Qt/Embedded 2.x系列的手持套件），硬件平臺采用了基于Intel XScale PXA255處理器的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)。該開發(fā)系統(tǒng)采用640×480分辨率的TFT LCD和PXA255內部LCD控制模塊作為顯示設備，ADS7846N作為外部電阻式觸摸屏控制器；另外，采用了五方向按鍵作為板載鍵盤。由于該系統(tǒng)采用了ISP1161作為USB Host控制器，較好地支持了USB接口的鍵盤和鼠標，操作系統(tǒng)為ARM Linux 2.4.19。參考Linux 2.4.19內核目錄drivers/input部分，可以按照標準內核中input device接口設計實現(xiàn)觸摸屏和鍵盤，在實現(xiàn)了基于ISP1161的EHCI驅動程序后，移植標準的USB接口的人機界面設備驅動HID和USB鍵盤、鼠標的驅動程序后，可以獲得對于該類設備的調用接口。此過程不屬本文討論范疇，此處暫不多述。

Qt/Embedded 2.x系列對于輸入設備的底層接口與3.x系列不同，觸摸屏設備和鍵盤設備需要根據(jù)具體的驅動程序接口在Qt/Embedded中設備實現(xiàn)對應的設備操作類。其中對應于鼠標類設備的實現(xiàn)位于src/kernel/qmouse_qws.cpp中。由于觸摸屏在實現(xiàn)原理上存在著A/D量化誤差的問題，因此所有的觸摸屏接口實現(xiàn)類需要從特殊的QcalibratedMouseHandler繼承，并獲得校正功能。

Qt/Embedded 2.x中對于鍵盤響應的實現(xiàn)函數(shù)位于src/kernel/qkeyboard_qws.cpp中。在qkeyboard_qws.h中，定義了鍵盤類設備接口的基類QWSKeyboardHandler，移植時需要根據(jù)鍵盤驅動程序從該類派生出實現(xiàn)類，實現(xiàn)鍵盤事件處理函數(shù)processKeyEvent()，并在QWSServer::newKeyboardHandler函數(shù)中注冊自己的鍵盤類設備即可。其中對于點擊鍵的鍵碼定義在Qt/Embedded的命名空間——src/kernel/qnamespace.h中。

圖4為筆者在該Smart-Phone開發(fā)平臺上移植Qt/Embedded 2.3.7和Qtopia 1.7.0后顯示的截圖。

2.2 在MC9328平臺上移植和應用

在某車載導航輔助系統(tǒng)的開發(fā)平臺設計中，采用了Qt/Embedded 3.3.2版本作為其GUI系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。硬件平臺采用自行設計的以Motorola MC9328 MX1為核心的開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CPU內部LCD控制器和240×320分辨率的16 bpp TFT LCD作為顯示設備，采用I2C總線擴展出16按鍵以及MX1集成的ASP模塊和電阻觸摸屏。操作系統(tǒng)為ARM Linux 2.4.18。

Qt/Embedded 3.x版本系統(tǒng)中與底層硬件接口相關部分的源碼位于src/embedded/目標中。該部分包含三類設備的接口：framebufer、鼠標與鍵盤。參照該目標中相關設備的具體接口代碼，根據(jù)自身硬件臺增添接口即可。

由于系統(tǒng)LCD的岔道率為240×320，物理尺寸較小，在實現(xiàn)其于該系統(tǒng)的framebuffer驅動程序時并沒有將其本身與Linux字符控制臺設備掛靠，因此framebuffer并不具備TEXT模式的工作方式。在移植Qt/Embedded時，無需作framebuffer設備的工作方式轉換。正確配置色彩顯示支持后，Qt/Embedded能夠在LCD顯示出正確的圖形。由于該平臺的顯示系統(tǒng)為縱向320行，在設計時考慮到人對于非手持設備的視覺習慣為寬度大于高度的觀察方式，為了符合這種習慣性的觀察方式，在移植Qt/Embedded時采用了Transformed的旋轉圖形顯示方式在軟件上實現(xiàn)了顯示方向的轉換變化。

鼠標設備接口這一基類QWSMouseHandler的實現(xiàn)位于src/embedded/qmouse_qws.cpp中。與2.x版本系列不同的是，3.x中所有的Linux觸摸屏示例接口代碼均實現(xiàn)在src/embedded/qmouselinuxtp_qws.cpp中的QWSLinuxTPMouseHandler類中。其中對于不同型號的觸摸屏的接口實現(xiàn)代碼，采用不同的宏定義和預編譯的方式將它們分隔開。筆者還通過從QWSLinuxTPMouseHandler中繼承自身觸摸屏接口類，替代原有的QWSLinuxTPMouseHandlerPrivate類，而在QWSLinuxTPMouseHandler生成自身觸摸屏接口對象的方式，較好地將移植部分的代碼與原有比較混亂的代碼分隔開來。

圖4

    3.x中鍵盤接口基類們于src/embedded/qkbd_qws.cpp中，為QWSKeyboardHandler。實現(xiàn)I2C總線擴展出的16鍵鍵盤接口類方式與觸摸屏類似，此處不多述。需要注意的是，Qt/Embedded提供了事件過濾器（key event filter）的接口，在鍵盤點擊事件從QWSServer截獲并發(fā)送到相應的client之前會經過函數(shù)QWSServer::KeyboardFilter。在此函數(shù)中可以按照自身需求生成新的鍵盤點擊事件，而后利用QWSServer::sendKeyEvent()發(fā)送新的點擊事件到client中。利用該方式可以將各種鍵盤點擊無法輸入的unicode字符轉換出來，從而可以在較少的按鍵鍵盤上實現(xiàn)多unicode字符輸入法。Qt/Embedded 3.x鍵盤接口的移植與鼠標設備接口類似，此處不多述。

3 總結

隨著嵌入式處理器運算能力的不斷提高，對外設支持的不斷豐富，嵌入式Linux系統(tǒng)的應用也逐漸增多。Qt/Embedded延續(xù)了Qt在桌面系統(tǒng)的所有功能，豐富的API接口和基于組件的編程模型使得嵌入式Linux系統(tǒng)中的應用程序開發(fā)更加便捷。由于Qt/Embedded本身面向高端的手持設備和移動設備，將成為未來嵌入式系統(tǒng)的主要GUI。