基于uITRON操作系統(tǒng)的嵌入式GUI設(shè)計(jì)
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本設(shè)計(jì)是在東南大學(xué)國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)的，并在遵循uITRON 3.0標(biāo)準(zhǔn)的RTOS-ASIX OS基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一套適合于手持設(shè)備、儀器儀表等應(yīng)用的圖形用戶界面——ASIX Window。該圖形用戶界面采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，基于消息循環(huán)和事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，構(gòu)建了比較完整的窗口系統(tǒng)，為用戶提供了類Win32 API的用戶編程接口?？紤]到一般嵌入式應(yīng)用的屏幕較小，以及嵌入式系統(tǒng)處理器與存儲(chǔ)器容量的限制，ASIX Window在設(shè)計(jì)上放棄了窗口剪切等復(fù)雜特性，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少了對系統(tǒng)資源的占用。由于采用基于控件的設(shè)計(jì)概念，ASIX Window非常適合裁減，可以根據(jù)用戶的需求方便地增加或刪減控件，增加了系統(tǒng)的可裁減性。該圖形用戶界面已成功應(yīng)用于PDA，電子詞典，稅控收款機(jī)等多款產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。
1 與操作系統(tǒng)內(nèi)核的接口
ASIX Window的整體架構(gòu)是基于消息分發(fā)，消息循環(huán)以及消息處理之上的。整個(gè)ASIX OS平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，最底層的是系統(tǒng)的消息源，包括中斷（鍵盤、觸摸屏等）和定時(shí)器，一般將它們統(tǒng)稱為中斷源。中斷發(fā)生后，進(jìn)入中斷處理程序，該中斷處理程序維護(hù)其對應(yīng)的緩沖區(qū)后（如果它需要緩沖區(qū)），設(shè)置事件發(fā)生（通過調(diào)用內(nèi)核的事件標(biāo)志系統(tǒng)調(diào)用）。因?yàn)橄到y(tǒng)任務(wù)是阻塞在這個(gè)事件標(biāo)志上的，而且系統(tǒng)任務(wù)的優(yōu)先級最高，系統(tǒng)任務(wù)將被內(nèi)核調(diào)度運(yùn)行，系統(tǒng)任務(wù)根據(jù)所發(fā)生事件的類型，來進(jìn)行相應(yīng)的處理。比如說，如果是筆中斷事件，中斷處理程序?qū)⒐P的坐標(biāo)信息存放在相應(yīng)的緩沖區(qū)中，并設(shè)置相應(yīng)的事件標(biāo)志，系統(tǒng)任務(wù)將筆坐標(biāo)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)活動(dòng)區(qū)域（Active Area）的消息，并由系統(tǒng)任務(wù)將這個(gè)消息發(fā)送到當(dāng)前需要該中斷事件的任務(wù)中。LCD顯示，鍵盤和筆中斷一定是由前臺(tái)任務(wù)（擁有屏幕的任務(wù)）接管的，其他外圍設(shè)備所對應(yīng)的中斷源則由占用該資源的任務(wù)接管。
每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)自己的信箱（Mail Box），在每個(gè)信箱上都維護(hù)著一條消息隊(duì)列，所有發(fā)往該任務(wù)的消息都連接在這個(gè)隊(duì)列中。任務(wù)代碼應(yīng)該通過消息循環(huán)不斷地從該隊(duì)列中取消息并處理，如果消息隊(duì)列為空，則該任務(wù)阻塞，由ASIX OS內(nèi)核選擇下一個(gè)就緒的高優(yōu)先級任務(wù)運(yùn)行。
系統(tǒng)任務(wù)是內(nèi)核的擴(kuò)展，提供系統(tǒng)基本的服務(wù)功能和接口。它接管系統(tǒng)所有的中斷資源并將相應(yīng)的中斷事件翻譯成為相應(yīng)的系統(tǒng)消息，并將該消息分發(fā)到對應(yīng)的應(yīng)用程序任務(wù)；系統(tǒng)任務(wù)同時(shí)維護(hù)系統(tǒng)中所有任務(wù)的信息，負(fù)責(zé)確定前臺(tái)任務(wù)（擁有顯示屏幕和用戶輸入焦點(diǎn)的任務(wù)，前臺(tái)任務(wù)不一定是CPU正在運(yùn)行的任務(wù)）以及前臺(tái)任務(wù)的切換。系統(tǒng)任務(wù)阻塞在底層中斷的事件標(biāo)志上，系統(tǒng)任務(wù)擁有最高的優(yōu)先級。
在系統(tǒng)任務(wù)之上是服務(wù)任務(wù)。服務(wù)任務(wù)負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)的其他擴(kuò)展服務(wù)。服務(wù)任務(wù)沒有屏幕顯示（類似于Linux中的守護(hù)進(jìn)程），服務(wù)任務(wù)阻塞在自己的消息隊(duì)列上。服務(wù)任務(wù)擁有第二高的優(yōu)先級。
圖1 ASIX OS的總體架構(gòu)
應(yīng)用程序任務(wù)是用戶使用的各個(gè)應(yīng)用。應(yīng)用任務(wù)阻塞在自己的消息隊(duì)列上，所有的應(yīng)用程序一般都應(yīng)該擁有屏幕顯示，所有的應(yīng)用程序在同一優(yōu)先級上。
2 窗口管理
ASIX Windows是基于消息驅(qū)動(dòng)的圖形用戶接口。從ASIX Windows的角度來看，應(yīng)用程序是由一組窗口和控件組成的，程序的功能是通過窗口的操作來實(shí)現(xiàn)的?？丶窃?ASIX Windows中定制的具有特定功能的獨(dú)立模塊，例如：按鈕、菜單、下拉框、軟鍵盤等。在 ASIX Windows中,每一個(gè)控件在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上都被描述為一個(gè)窗口（也就是說，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，窗口和控件是一樣的）,不同的是，控件是作為某個(gè)窗口的子窗口。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上將窗口與控件統(tǒng)一，使得整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡單，對窗口的操作與對控件的操作可以統(tǒng)一到一起，這使得系統(tǒng)的編程接口可以統(tǒng)一到窗口的操作函數(shù)上。在 ASIX Windows中所有的窗口操作，不管是窗口或是控件，都使用這些統(tǒng)一的函數(shù)。系統(tǒng)通過下面這個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來對所有的控件進(jìn)行管理。
typedef struct asix_window
{ struct asix_window *prev; //指向前一個(gè)兄弟窗口
struct asix_window *next; //指向后一個(gè)兄弟窗口
struct asix_window *child; //指向子窗口鏈表
/*本窗口的相關(guān)ID */
WNDCLASS *wndclass; //指向本窗口的窗口類
U32 task_id; //本窗口所屬任務(wù)的任務(wù)號
U32 wnd_id; //本窗口ID號
U32 parent_id; //本窗口的父窗口ID號
/*本窗口的位置、狀態(tài)、風(fēng)格以及窗口標(biāo)題等*/
U32 status; //本窗口狀態(tài)
U16 x; //本窗口左上角X坐標(biāo)
U16 y; //本窗口左上角Y坐標(biāo)
U16 width; //本窗口的寬度
U16 hight; //本窗口的高度
char *caption; //本窗口標(biāo)題
U32 style; //本窗口風(fēng)格
/*指向本窗口私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針 */
void *ctrl_str; //指向本窗口的私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
} ASIX_WINDOW;
實(shí)際上，不同的控件擁有不同的功能和結(jié)構(gòu)，所以它們的操作是不同的。為了擁有統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，為每一個(gè)不同的窗口或控件定義了相應(yīng)的窗口類，窗口類實(shí)際上是每種控件的模版，這個(gè)模版定義了與該控件相關(guān)的內(nèi)容。當(dāng)應(yīng)用程序員調(diào)用CreatWindow函數(shù)創(chuàng)建某類控件時(shí)， CreatWindow查找該類控件的窗口類，并根據(jù)窗口類中的定義，調(diào)用與該控件相關(guān)的創(chuàng)建函數(shù)，進(jìn)行實(shí)際的創(chuàng)建工作。然后CreatWindow填寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，描述該控件類的實(shí)例，并將其鏈接到系統(tǒng)窗口鏈表中去，以便后續(xù)的管理。利用窗口類描述不同控件設(shè)計(jì)的同時(shí)，可以將不同控件的開發(fā)獨(dú)立于系統(tǒng)構(gòu)架的實(shí)現(xiàn)，使得控件的開發(fā)可以獨(dú)立進(jìn)行。使用獨(dú)立窗口類來描述每個(gè)控件的另一個(gè)好處是可以非常方便的對ASIX Window進(jìn)行裁減。下面給出窗口類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義。
typedef struct window_class
{ U8wndclass_id; //窗口類的ID號
// CreateWindow() 調(diào)用本函數(shù)執(zhí)行控件的具體創(chuàng)建
STATUS (*create)(char *caption, U32 style, U16 x, U16 y, U16 width, U16 hight, U32 wndid, U32 menu, void **ctrl_str, void *exdata);
// DestroyWindow() 調(diào)用本函數(shù)執(zhí)行控件的具體刪除
STATUS (*destroy)(void *ctrl_str);
// DefWindowProc() 調(diào)用本函數(shù)進(jìn)行消息處理
STATUS (*msg_proc)( U32 win_id, U16 asix_msg, U32 lparam,void *data, U16 wparam, void *reserved);
//GetMessage() 調(diào)用本函數(shù)進(jìn)行底層消息的翻譯與轉(zhuǎn)換
STATUS (*msg_trans)(void *ctrl_str, U16 msg_type, U32 areaId,P_U16 data, U32 size, PMSG trans_msg);
//RePaintWindow() 調(diào)用本函數(shù)重繪本窗口類控件
STATUS (*repaint)(void *ctrl_str, U32 lparam);
//SetWindowText() 調(diào)用本函數(shù)設(shè)置本窗口類控件的標(biāo)題
STATUS (*caption)(void *ctrl_str, char *caption, void *exdata);
} WNDCLASS;
圖2 任務(wù)鏈表與窗口鏈表
圖2所示是系統(tǒng)中窗口鏈表的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)還維護(hù)了一張任務(wù)鏈表，每個(gè)任務(wù)控制塊（TCB）中都保留了指向本任務(wù)窗口鏈表的首指針。
3 消息傳遞與處理
每個(gè)窗口（Form）都擁有自己的消息處理函數(shù)，該函數(shù)接收來自系統(tǒng)（包括窗口和控件）的消息并作相應(yīng)的處理和動(dòng)作。每一個(gè)窗口處理函數(shù)實(shí)際上就是一個(gè)消息循環(huán)，窗口函數(shù)通過取消息函數(shù)ASIXGetMessage()獲得系統(tǒng)任務(wù)，并發(fā)送給該窗口的消息進(jìn)行處理。ASIXGetMessage ()獲得系統(tǒng)消息并進(jìn)行相應(yīng)的處理和消息轉(zhuǎn)換(實(shí)際上是將底層操作系統(tǒng)所提供的硬件消息轉(zhuǎn)換成ASIX Window的消息，該函數(shù)通過調(diào)用相應(yīng)窗口類所定義的消息翻譯函數(shù)msg_trans()實(shí)現(xiàn)消息的轉(zhuǎn)換)，然后窗口函數(shù)對消息進(jìn)行分檢并作相應(yīng)的處理，這部分代碼是用戶自己定制的，實(shí)際上是用戶程序處理來自窗口和控件的消息，用來實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用程序的功能。窗口函數(shù)調(diào)用ASIX Windows的控件消息處理函數(shù)DefWindowProc()，該函數(shù)是一個(gè)消息過濾器及轉(zhuǎn)換器，它接管非用戶的，屬于控件自己的消息（這個(gè)消息可能來自用戶的操作）。它首先掃描由取消息函數(shù)獲得的消息，檢查其中是否有屬于 ASIX Windows控件的消息。如果該消息屬于某個(gè)控件，則消息處理函數(shù)調(diào)用系統(tǒng)窗口鏈表中該控件所對應(yīng)的窗口類所指明的消息處理函數(shù)，處理這個(gè)消息執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作并可能發(fā)出相應(yīng)的消息（例如，當(dāng)用戶點(diǎn)擊某按鈕時(shí)，控件消息處理函數(shù)將接管該點(diǎn)擊事件，并執(zhí)行按鈕被點(diǎn)擊的動(dòng)畫，同時(shí)發(fā)送一條該按鈕被點(diǎn)擊的消息）。
4 圖形接口
ASIX Window的圖形接口設(shè)計(jì)引入了硬件抽象層的概念，圖形函數(shù)（Graphic API）不直接操縱硬件，而是通過調(diào)用硬件抽象層提供的一組基本函數(shù)來作具體的圖形繪制工作。硬件抽象層函數(shù)將按照設(shè)備相關(guān)的格式將要顯示的內(nèi)容首先填寫到系統(tǒng)內(nèi)存的一片緩沖區(qū)（VRAM）中， 然后硬件抽象層的函數(shù)將根據(jù)傳入的參數(shù)決定是否將數(shù)據(jù)復(fù)制到LCD控制器。如果所調(diào)用函數(shù)的應(yīng)用任務(wù)當(dāng)前擁有LCD（前臺(tái)任務(wù)），則將數(shù)據(jù)送往LCD控制器，否則該函數(shù)僅僅將數(shù)據(jù)寫入VRAM緩沖區(qū)（該任務(wù)是后臺(tái)任務(wù)）。硬件抽象層還提供了一個(gè)叫做Refresh的函數(shù)，該函數(shù)將把當(dāng)前VRAM中的內(nèi)容復(fù)制到 LCD控制器的數(shù)據(jù)寄存器中。系統(tǒng)任務(wù)在應(yīng)用任務(wù)切換的時(shí)候調(diào)用Refresh 函數(shù)，將切換進(jìn)來的任務(wù)中所屬VRAM的數(shù)據(jù)刷新到LCD中去，實(shí)現(xiàn)屏幕的切換，如圖3所示。
圖3 ASIX Window的圖形上下文
為了避免圖形函數(shù)重入時(shí)帶來的問題，以及不同應(yīng)用任務(wù)擁有不同屏幕以及相應(yīng)屬性的問題，在新的設(shè)計(jì)中采用了圖形上下文（Graphic Context，簡稱GC）的結(jié)構(gòu)。每個(gè)需要用到屏幕的應(yīng)用任務(wù)都擁有自己的圖形上下文，該結(jié)構(gòu)中保存與硬件無關(guān)的顯示屬性，比如當(dāng)前色、背景色、當(dāng)前線寬、當(dāng)前填充模式、光標(biāo)的位置、閃爍頻率、光標(biāo)大小、顯示緩沖區(qū)(VRAM)的頭指針、物理屏幕在邏輯屏幕中的位置坐標(biāo)等信息。
實(shí)際上，這樣的設(shè)計(jì)一方面可以實(shí)現(xiàn)邏輯屏幕的概念，即應(yīng)用程序可以在比實(shí)際物理屏幕大的屏幕上繪制圖形；另一方面，不管應(yīng)用任務(wù)在前臺(tái)（擁有 LCD）還是在后臺(tái)(不擁有LCD)，都可以進(jìn)行圖形函數(shù)的調(diào)用。如果是前臺(tái)任務(wù)，繪制的圖形會(huì)立刻顯示在LCD上；如果是后臺(tái)任務(wù)，圖形被暫時(shí)“繪制” 到該任務(wù)的VRAM中，等下次該后臺(tái)任務(wù)切換到前臺(tái)時(shí)，系統(tǒng)任務(wù)（System Task）將調(diào)用Refresh 函數(shù)將該任務(wù)的VRAM刷新到LCD上。
結(jié)語
根據(jù)以上內(nèi)容,設(shè)計(jì)完成了ASIX Window GUI 的原型系統(tǒng),并在PDA應(yīng)用中采用了該GUI。為了方便應(yīng)用程序員的開發(fā)，還在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于MS VC++的GUI模擬器。圖4所示是ASIX Window在PDA系統(tǒng)和模擬器上的應(yīng)用。ASIX Window編譯后的核心非常小巧,長度只有200 KB左右。在可移植性方面，該GUI已成功地移植到了68000、X86、ARM等處理器平臺(tái)上。
圖4 ASIX Window在PDA上的應(yīng)用以及模擬器截圖
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