嵌入式linux系統(tǒng)GUI設(shè)計(jì)方案

嵌入式linux操作系統(tǒng)的快速發(fā)展，迫切需求一種簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互界面，為此，本文介紹了如何在FrameBuffer基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)自己的嵌入式GUI的簡(jiǎn)單方法。

1 顯示原理

1.1 顏色表示

顏色是所有繪圖操作的基礎(chǔ)。16位的LCD屏一般需要2個(gè)字節(jié)來表示。16位RGB格式一般可分為RGB565與RGB5551兩種格式。其中RGB565格式如表1所列，而其RGB5551格式如表2所列。表中的R為紅色分量，G為綠色分量，B為藍(lán)色分量。



由于顏色采用的是RGB565規(guī)則。因此。基本顏色，即紅色、綠色、藍(lán)色按照RGB565規(guī)則可分別為0xf800、0x07e0、Ox001f。由此可見，如果用十六進(jìn)制直接表示顏色會(huì)非常不便。目前，普遍為軟件工程師所接受的顏色表示方式為24位的RGB，其中R、G、B三個(gè)分量各占用一個(gè)字節(jié)，范圍是0～255。因此，應(yīng)該為MIS軟件系統(tǒng)提供一個(gè)從24位RGB轉(zhuǎn)化為16RGB的接口。該接口用宏來實(shí)現(xiàn)的具體方式如下：

#define RGB(r,g,b)  (((r>>3)<<11)∣((g>>2)<<5)∣(b>>3))

1.2 畫點(diǎn)操作

圖形設(shè)備接口的最基本操作為畫點(diǎn)，任何其它繪圖函數(shù)都是基于畫點(diǎn)來完成的。其原理是以屏的左上角第一個(gè)像素點(diǎn)為(0，0)點(diǎn)，向右為x軸，向下為y軸建立坐標(biāo)系，只要提供某點(diǎn)的橫坐標(biāo)x，縱坐標(biāo)y和顏色值，就可以通過一定的算法找到(x，y)所表示的地址，然后將該地址上的2個(gè)字節(jié)替換為指定的顏色值。例如有一塊640×480×16的LCD，像素的首地址為0x40000000，那么，其中的第2行、第3列的像素位置如圖1所示。



如果要把第2行、第3列的像素由原來的白色(0xfff)變?yōu)楹谏?0x0000)。那么，就可以根據(jù)下面的尋址方式找到地址：

最終地址=首地址+y×2×屏的寬度+x×2

其中，首地址表示第1行第1列像素所對(duì)應(yīng)的地址。由上式，該點(diǎn)的地址=0x40000000+2×2×0x280+3×2=0x40000A06。那么0x40000A06地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)應(yīng)為十六位顏色的低字節(jié)部分，而0x40000A07地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)應(yīng)為十六位顏色的高字節(jié)部分。

例如，畫點(diǎn)函數(shù)可用下面的代碼來實(shí)現(xiàn)：



其中m_pScreen_Addr是屏的首地址，m_nSereen_Width和m_nScreen_Height則分別為屏寬和屏高。這樣，就可以在畫點(diǎn)的基礎(chǔ)上根據(jù)Bresenham算法延伸出各種各樣的基本繪圖操作來，比如畫直線、畫矩形和畫圓等。

2 FrameBuffer接口

FrameBuffer是出現(xiàn)在2.2.xx內(nèi)核當(dāng)中的一種驅(qū)動(dòng)程序接口。Linux抽象出FrameBuffer這個(gè)設(shè)備可供用戶態(tài)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)直接寫屏。FrameBuffer機(jī)制模仿顯卡的功能是將顯卡硬件結(jié)構(gòu)抽象掉，然后通過FrameBuffer的讀寫直接對(duì)顯存進(jìn)行操作。用戶可以將FrameBuffer看成是顯示內(nèi)存的一個(gè)映像。在將其映射到進(jìn)程地址空間之后，就可以直接進(jìn)行讀寫操作，而且寫操作還可以立即反映在屏幕上。這種操作是抽象的、統(tǒng)一的。用戶不必關(guān)心物理顯存的位置和換頁機(jī)制等具體細(xì)節(jié)，而這些都可由FrameBuffer設(shè)備驅(qū)動(dòng)來完成。

Linux采用虛擬內(nèi)存技術(shù)，系統(tǒng)中的所有進(jìn)程之間以虛擬方式共享內(nèi)存。對(duì)每個(gè)進(jìn)程來說，它們好像都可以訪問整個(gè)系統(tǒng)的所有物理內(nèi)存。更重要的是，即使單獨(dú)一個(gè)進(jìn)程，它擁有的地址空間也可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)物理內(nèi)存。在地址空間中，進(jìn)程有權(quán)訪問虛擬內(nèi)存地址區(qū)間(比如08048000～0804c000)。這些可被訪問的合法地址區(qū)間叫做內(nèi)存區(qū)域(memory area)。通過內(nèi)核，進(jìn)程可以給自己的地址空間動(dòng)態(tài)地添加或減少內(nèi)存區(qū)域，而進(jìn)程只能訪問有效范圍內(nèi)的內(nèi)存地址。每個(gè)內(nèi)存區(qū)域也具有相應(yīng)進(jìn)程必須遵循的特定訪問屬性，如只讀、只寫、可執(zhí)行等屬性。如果一個(gè)進(jìn)程訪問了不在有效范圍中的地址，或以不正確的方式訪問了有效地址，那么，內(nèi)核將會(huì)終止該進(jìn)程，并返回“段錯(cuò)誤”信息。

在應(yīng)用程序中，一般將FrameBuffer設(shè)備映射到進(jìn)程地址空間，比如下面的程序就可打開／dev／ib0設(shè)備，并通過mmap系統(tǒng)調(diào)用來進(jìn)行地址映射，隨后用memset將屏幕清空。Struct fb_var_screen-info記錄了幀緩沖設(shè)備和指定顯示模式的可修改信息，包括顯示屏幕的分辨率、每個(gè)像素的比特?cái)?shù)和一些時(shí)序變量。實(shí)現(xiàn)以上過程的函數(shù)代碼如下：

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此外，F(xiàn)rameBuffer設(shè)備還提供了若干ioctl命令，通過這些命令可以獲得顯示設(shè)備的一些固定信息(比如顯示內(nèi)存大小)以及與顯示模式相關(guān)的可變信息(比如分辨率、象素結(jié)構(gòu)、掃描線的字節(jié)寬度)，同時(shí)可獲得偽彩色模式下的調(diào)色板信息等。

3 GUI系統(tǒng)的自主開發(fā)

嵌入式GUI的總體設(shè)計(jì)思想是把所有操作都由對(duì)象和消息驅(qū)動(dòng)，通過對(duì)現(xiàn)有GUI的分析來對(duì)多種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)GUI的要求進(jìn)行總結(jié)，然后抽象出各種組件類。嵌入式GUI的所有組件和數(shù)據(jù)都被設(shè)計(jì)成對(duì)象，組件對(duì)象通過消息來通信。嵌入式GUI在消息驅(qū)動(dòng)下可形成整體并構(gòu)成系統(tǒng)。其整體框架和體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。



系統(tǒng)中的所有消息節(jié)點(diǎn)將構(gòu)成空閑隊(duì)列和消息隊(duì)列，其中消息隊(duì)列存放當(dāng)前EGUI系統(tǒng)中沒有處理的消息。消息隊(duì)列由消息管理器進(jìn)行操作和管理。圖2中的輸入設(shè)備抽象層、操作系統(tǒng)抽象層和組件對(duì)象集合都是消息發(fā)生器，它們都會(huì)產(chǎn)生EGUI消息。調(diào)用消息管理器的操作可將生成的消息放入到消息隊(duì)列中。消息管理器用于管理消息隊(duì)列和空閑隊(duì)列，當(dāng)有消息產(chǎn)生時(shí)，消息管理器將執(zhí)行消息入隊(duì)PUSH ()操作，其處理過程是先從空閑隊(duì)列中摘下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)消息節(jié)點(diǎn)，再將它掛到消息隊(duì)列的隊(duì)尾。桌面對(duì)象管理器負(fù)責(zé)分發(fā)消息，它可通過調(diào)用消息管理器的出隊(duì)操作POP()來取得待處理的消息，處理過程是將消息隊(duì)列的第一個(gè)消息節(jié)點(diǎn)摘下，并取得該消息節(jié)點(diǎn)的信息，然后將該消息節(jié)點(diǎn)掛到空閑隊(duì)列的隊(duì)尾。桌面對(duì)象管理器取得消息后，將按照一定的策略對(duì)取得的消息進(jìn)行分發(fā)，并讓接收該消息的組件對(duì)象中的消息處理函數(shù)來處理該消息。分發(fā)消息時(shí)，如果消息指定了接收對(duì)象，則將消息路由到接收對(duì)象；而非鍵盤的系統(tǒng)消息。將被路由到桌面對(duì)象管理器的第一個(gè)子對(duì)象；對(duì)于用戶定義的消息，系統(tǒng)會(huì)將其路由到指定的對(duì)象。而組件對(duì)象處理消息時(shí)，如果處理操作要改變屏幕數(shù)據(jù)，組件對(duì)象將調(diào)用繪圖操作Draw重繪自己的外觀。整個(gè)系統(tǒng)就是這樣不斷地產(chǎn)生消息、分發(fā)消息、處理消息，從而形成一個(gè)無限循環(huán)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)EGUI運(yùn)行。

4 結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前嵌入式GUI的特點(diǎn)，本文給出了可支持漢字顯示、鍵盤輸入的多線程嵌入式GUI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用窗口模式，而且便于操作，同時(shí)具有可視化界面、操作靈活、資源占用少等優(yōu)點(diǎn)，并可支持JPG格式的圖像文件。