基于Microwindows的嵌入式Linux輕量級(jí)圖形應(yīng)用庫的設(shè)計(jì)

嵌入式Linux系統(tǒng)的很多應(yīng)用領(lǐng)域，諸如消費(fèi)類電子產(chǎn)品、測(cè)量控制設(shè)備等，圖形用戶界面不僅在技術(shù)上是軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)，而且在商業(yè)上也關(guān)系到用戶對(duì)該產(chǎn)品接受的程度。

根據(jù)產(chǎn)品功能低高端的不同定位，系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)圖形用戶界面的要求也不同，一般大致可以分為單進(jìn)程方式的輕量級(jí)圖形界面和多任務(wù)窗口系統(tǒng)圖形用戶界面GUI，前者主要用于低端的信息終端和工業(yè)控制系統(tǒng)，后者主要用于PDA、機(jī)頂盒、DVD/VCD播放機(jī)、WAP手機(jī)等產(chǎn)品中。

目前，在Linux操作系統(tǒng)中，一般可將圖形應(yīng)用庫粗略地分為三個(gè)不同層次。第一層次是圖形基礎(chǔ)設(shè)施，它們本身沒有提供相應(yīng)的應(yīng)用程序編程接口，而是集成在操作系統(tǒng)中或采用某種封裝形式，用作其他高級(jí)圖形或者應(yīng)用程序的基本函數(shù)庫，較典型的有X Window、SVGALib、framebuffer(幀緩沖)和LibGGI等;第二層次是高級(jí)函數(shù)庫，它們提供了大量的應(yīng)用程序編程接口，較典型的有Xlib、GDK、GTK+、QT、SDL、OpenGL、PEG和DirectFB等;第三層次多任務(wù)窗口系統(tǒng)圖形用戶界面GUI，較典型的有Microwindows、OpenGUI、Qt/Embedded和MiniGUI等。

在低端的嵌入式系統(tǒng)中， 由于用戶圖形界面僅僅需要用到一些簡單的畫點(diǎn)、畫線、圖片顯示和中西文輸入/顯示等，同時(shí)考慮到成本、占資源大小和穩(wěn)定性等諸多因素，因此在對(duì)Microwindows進(jìn)行相應(yīng)裁減的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用圖形庫的設(shè)計(jì)。

1 Microwindows的分層結(jié)構(gòu)

Microwindows是一個(gè)著名的開放源碼的嵌入式GUI軟件，專門用于小型嵌入式設(shè)備上開發(fā)高性能圖形應(yīng)用程序和多任務(wù)窗口系統(tǒng)。它用C語言實(shí)現(xiàn)，可移植性好，能夠在嵌入式Linux上運(yùn)行。目前，它不僅可以在支持Framebuffer的32位嵌入式Linux系統(tǒng)上運(yùn)行，還可以在SVGALib庫上運(yùn)行，甚至可以被移植到16位的ELKS和實(shí)模式的MSDOS上。

Microwindows采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共有三層(見圖1)。底層驅(qū)動(dòng)層是面向基本的圖形輸出和鍵盤、鼠標(biāo)或觸摸屏的驅(qū)動(dòng)程序，在程序中通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就能訪問實(shí)際的硬件設(shè)備;中間引擎層提供底層硬件的抽象接口，是一個(gè)可移植的圖形引擎，提供點(diǎn)線繪制、區(qū)域填充、多邊形繪制、裁減和RGB顏色模式使用等;最高應(yīng)用層分別提供兼容于X Window 和Windows CE(Win32子集)的API，同時(shí)提供窗口管理。

底層驅(qū)動(dòng)層也叫設(shè)備與平臺(tái)相關(guān)層，這一層的功能是將系統(tǒng)與設(shè)備和操作系統(tǒng)平臺(tái)的具體細(xì)節(jié)屏蔽起來。它通過實(shí)際的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口或者OS系統(tǒng)調(diào)用來與硬件設(shè)備交互，這些硬件設(shè)備主要包括屏幕、鼠標(biāo)和鍵盤等。我們使用設(shè)備對(duì)象(device object)的概念來描述一類設(shè)備，每一個(gè)對(duì)象描述了一類實(shí)際設(shè)備的屬性和方法。比如，屏幕設(shè)備對(duì)象就描述了其各種屬性(屏幕尺寸、分辨率、像素深度、像素格式、邏輯顯存首地址等)和基本方法(打開和關(guān)閉顯示器、設(shè)置調(diào)色板、返回屏幕屬性、讀寫像素點(diǎn)等)。

最底層實(shí)際上是以設(shè)備對(duì)象的方式為中間層提供了一個(gè)抽象的設(shè)備驅(qū)動(dòng)界面。Microwindows在這一層中對(duì)屏幕、鼠標(biāo)、觸摸屏和鍵盤等設(shè)備分別定義了一個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中，屏幕設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)體SCREENDEVICE指定了諸如設(shè)備的大小、硬件使用的圖形模式等底層的顯示情況以及打開、關(guān)閉、畫點(diǎn)線等方法;鍵盤設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)體KBDDEVICE定義打開、關(guān)閉和讀取鍵值等方法; 屏幕信息的結(jié)構(gòu)體MWSCREENINFO和位圖信息的結(jié)構(gòu)體MWIMAGEINFO是兩個(gè)常用的結(jié)構(gòu)體，用以取得當(dāng)前打開的顯示屏幕和位圖的長、寬、位色等屬性值。

中間引擎層也叫設(shè)備與平臺(tái)無關(guān)層，這一層的功能是提供一個(gè)可以為各種應(yīng)用層共享的與設(shè)備無關(guān)的核心圖形引擎，其中的主要工作就是實(shí)現(xiàn)各種圖形函數(shù)和輸入設(shè)備的功能函數(shù)。對(duì)于中間層，它向下看到的是各類設(shè)備對(duì)象，向上則是要提供一個(gè)抽象的核心圖形界面，使得上面的應(yīng)用層對(duì)它所使用的到底是什么設(shè)備對(duì)象不用去理會(huì)。當(dāng)運(yùn)行在Linux系統(tǒng)中時(shí)，Microwindows提供的所有繪圖函數(shù)都是通過調(diào)用底層屏幕驅(qū)動(dòng)Framebuffer或SVGALib來實(shí)現(xiàn)的。它支持行繪制、區(qū)域填充、剪切以及RGB顏色模型，控制字體的顯示等。

最高層即應(yīng)用層，這一層的功能是按照應(yīng)用的具體要求為應(yīng)用程序提供適當(dāng)?shù)膽?yīng)用層用戶界面。當(dāng)應(yīng)用程序不需要窗口系統(tǒng)的時(shí)候，用戶自定義圖形界面將十分簡單，甚至可以什么都不做而直接使用中間層提供的抽象核心界面(本文討論的圖形應(yīng)用庫就是基于該原理來構(gòu)建的)。如果用戶需要完善多任務(wù)窗口系統(tǒng)，則可以使用抽象核心界面來實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用程序編程接口(API)以及窗口和消息機(jī)制等。Microwindows實(shí)現(xiàn)了MicrosoftWin32/WinCE圖形顯示接口(GDI)和Xlib(XWindows)接口兩種API以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。其中前者應(yīng)用于所有的Windows CE和Win32應(yīng)用程序，用于設(shè)計(jì)類Win32圖形用戶界面GUI;后者就像Nano-X，應(yīng)用于所有Linux X插件集的最底層，這樣可讓Linux圖形程序員X接口開發(fā)圖形應(yīng)用程序。

顯然，Microwindows的分層設(shè)計(jì)使得其能夠在需要的時(shí)候易于改寫和定制，能夠運(yùn)行在任何支持Framebufer的Linux系統(tǒng)(2.2以上版本的內(nèi)核)中，這些特點(diǎn)使得Microwindows在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用十分廣泛。

2 圖形應(yīng)用庫的設(shè)計(jì)

盡管Microwindwos已經(jīng)提供了一個(gè)全功能的可視化圖形用戶界面開發(fā)工具，但是由它生成的代碼量很大，在某些類低端的嵌入式Linux系統(tǒng)中不適合。

因此，設(shè)計(jì)一個(gè)面向低端的、非窗口管理的基本圖形應(yīng)用庫就顯得非常重要。它占用較少的磁盤空間和較少的內(nèi)存開銷，旨在為嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建基本的圖形用戶界面提供編程接口?；緢D形應(yīng)用庫的設(shè)計(jì)思路是以Microwindows驅(qū)動(dòng)層和獨(dú)立圖形引擎層為核心，將它們抽取出來，不再采用分層結(jié)構(gòu)，最后構(gòu)建一個(gè)盡可能小的、滿足繪圖、顯示、中文輸入等功能的輕量級(jí)圖形應(yīng)用庫。

該圖形應(yīng)用庫類似于Turboc C，支持灰度/彩色LCD和PS/2鍵盤，屏幕驅(qū)動(dòng)支持1/2/4/8/l6/32bpp，能進(jìn)行相應(yīng)的中西文輸入和顯示;具有強(qiáng)大的繪圖功能，包括畫線、區(qū)域填充、畫多邊形、剪貼和圖形模塊等。顯然，由于圖形庫以framebufer為基礎(chǔ)，無需特殊操作系統(tǒng)或圖形系統(tǒng)的支持，能很好的在嵌入式Linux系統(tǒng)上運(yùn)行，具有較好的移植性、易使用性、穩(wěn)定性。[!--empirenews.page--]

這里基于Linux2.4.19和Microwindows0.89進(jìn)行討論，主要難點(diǎn)：一是將Microwindows層次打亂后如何進(jìn)行代碼的重構(gòu)，用最少的代碼實(shí)現(xiàn)最有效的功能，二是提供中文顯示和中文輸入的支持。

2.1 結(jié)構(gòu)重構(gòu)

(1)底層驅(qū)動(dòng)層

整個(gè)系統(tǒng)的核心是鍵盤和屏幕數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們?cè)贚inux系統(tǒng)中都是被當(dāng)作文件來進(jìn)行訪問，其C代碼主要在src/drivers和src/engine目錄下。

鍵盤是通過fd=open("/dev/tty"，O_NONBLOCK)打開，利用ioctl來進(jìn)行操作的，涉及到的文件有kbd_ttyscan.c(提供鍵盤的打開、關(guān)閉等支持)。

屏幕驅(qū)動(dòng)是基于Linux內(nèi)核中framebuffer，這要求在編譯內(nèi)核的時(shí)候選擇支持framebuffer編譯參數(shù)選項(xiàng)。它是通過fd=open(env="/dev/fb0")打開，用SCREENDEVICE的指針PSD指向這片顯存，然后對(duì)這片顯存根據(jù)屏幕的不同位色設(shè)置情況為中間引擎層提供相應(yīng)的圖形操作支持，包括畫點(diǎn)線、圖片顯示、屏幕拷貝以及中西文字的顯示等等。其涉及到的文件較多，類型定義與函數(shù)聲明的頭文件有fb.h、genfont.h和genmem.h，C代碼文件有src_fb.c(提供基本的framebuffer打開和關(guān)閉等支持)、fb*.c(*為2、4、8、16、24、32，提供對(duì)應(yīng)不同灰度級(jí)別和不同位色屏幕的支持)、genmem.c(提供顯存分配)和genfont.c(提供中西文字體顯示支持)。

(2)中間引擎層

這一層是在底層驅(qū)動(dòng)層提供的設(shè)備對(duì)象支持下，完成圖形在實(shí)虛屏之間的轉(zhuǎn)換(以PSD指針作為參數(shù)來進(jìn)行)，實(shí)現(xiàn)各種圖形功能函數(shù)(以Gd...為開頭)。相關(guān)的類型定義與函數(shù)聲明頭文件有include目錄下的mwtypes.h、swap.h和winkbd.h，C代碼主要有src/engine目錄下的devarc.c(提供弧線和橢圓繪制支持)、devclip.c(提供剪貼支持)、devdraw.c(提供基本的繪圖支持)、devfont.c(提供字體字庫支持)、devimage(提供圖片繪制拷貝支持)、devkbd.c(提供鍵盤控制支持)、devrgn.c(提供區(qū)域操作動(dòng)態(tài)分配支持)和devpal*.c(*為1、2、4、8，提供調(diào)色板支持)。

在分析完驅(qū)動(dòng)層和引擎層后，將它們的相關(guān)文件放在同一個(gè)目錄下，利用gcc編譯器編譯，鏈接生成目標(biāo)文件，然后用ar歸檔命令即可生成庫文件(動(dòng)態(tài)庫和靜態(tài)庫)，只需要將這個(gè)庫文件提交給二次開發(fā)人員即可進(jìn)行圖形應(yīng)用程序的開發(fā)。

2.2 中文支持

在嵌入式Linux應(yīng)用系統(tǒng)中，控制臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序和Framebuffer驅(qū)動(dòng)程序?qū)ψ址奶幚矶际且詥巫止?jié)為基礎(chǔ)的，所以需要進(jìn)行中文化的改造。

(1)中文顯示的支持

這里采用16×16點(diǎn)陣的GB2312字庫，字模文件hzk.bin存放在/font/chinese目錄下。對(duì)于一個(gè)需要顯示的字符串，首先判斷其是屬于哪種編碼集，如果是ASCII碼，就調(diào)用Microwindows提供的GdText函數(shù)進(jìn)行顯示;如果是漢字，則根據(jù)其機(jī)內(nèi)碼得到區(qū)位碼，計(jì)算該漢字字模在字模文件中的偏移量，讀出該漢字字模，調(diào)用底層DrawPixel函數(shù)的像素點(diǎn)，并顯示這個(gè)漢字。

(2)中文輸入的支持

由于Microwindows對(duì)輸入法沒有任何支持，所以這一塊幾乎所有的代碼都需要重新編寫。目前只提供GB2312字庫的拼音輸入方法，且只能逐字輸入(見圖2)，同時(shí)也默認(rèn)字模文件hzk.bin存放在/fonts/chinese目錄下。

先定義一個(gè)拼音結(jié)構(gòu)體：

struct PY_index

{ char PY[6];//拼音的韻母

char *PY_mb;//對(duì)應(yīng)的漢字機(jī)內(nèi)碼

};

然后根據(jù)GB2312字庫和漢字的聲母、韻母定義拼音輸入法查詢碼表。查詢碼表分兩部分，第一部分是二級(jí)索引表，它將每個(gè)拼音和漢字對(duì)應(yīng)起來：

stmct PY_index PY_index_a[5]={

{"","阿啊呵腌嗄錒吖"},

……

{"i","愛哀挨礙埃癌艾唉矮哎皚藹隘暖靄捱噯璦嬡锿嗌砹”},

{"o"，"奧澳傲熬敖凹襖懊坳嗷拗鏖驁?chǎng)棸酷阱坶狁鷭嬺?quot;}};

……

strucet PY_index PY_index_z[36]={{"a","雜扎砸咋咂匝拶"},

{"ai","在再載災(zāi)仔宰哉栽崽甾"),

{"an","咱贊暫攢簪糌瓚拶昝趲鏨"),

……

{"un","尊遵樽鱒撙“},

{"uo","作做坐座左昨琢佐鑿撮柞嘬怍胙唑笮阼祚酢"}};

street PY_index PY_index_end [1] = {{"",

PY_mb_space}

};

其中PY_mb_space為常量0xffff，它用于兩個(gè)地方，一是i，v，u三個(gè)字母不能作為聲母，所以它們沒有對(duì)應(yīng)的漢字，這里就以0xffff來約定;二是表示拼音表的結(jié)束。

第二部分是一級(jí)索引表，它將26個(gè)首字母(即聲母)和其韻母對(duì)應(yīng)起來：

street PY_index code *code PY_index_headletter[27]=

{

PY_index_a,

PY_index_b,

PY_index_z,

PY_ index_end

};

有了上面定義的兩個(gè)索引表，就可以進(jìn)行漢字的輸入了。

3 結(jié)論

圖形應(yīng)用庫提供了圖形系統(tǒng)的初始化、鍵盤操作、區(qū)域塊拷貝、中西文的輸入顯示、基本圖形繪制等共計(jì)40多個(gè)API功能函數(shù)，很好的滿足了低端嵌入式Linux系統(tǒng)的圖形應(yīng)用程序開發(fā)的需要。該圖形應(yīng)用庫只有70多KB大小，占用資源少，性能穩(wěn)定，很好的滿足了低端信息終端和控制系統(tǒng)等嵌入式Linux產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要， 目前已經(jīng)成功應(yīng)用于嵌入式稅控收款機(jī)(pos)、自動(dòng)柜員機(jī)(ATM)等嵌入式產(chǎn)品中。