關(guān)于嵌入式Linux輕量級圖形應(yīng)用庫的設(shè)計

Linux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，是一個基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。它能運行主要的UNIX工具軟件、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它支持32位和64位硬件。Linux繼承了Unix以網(wǎng)絡(luò)為核心的設(shè)計思想，是一個性能穩(wěn)定的多用戶網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。

嵌入式Linux系統(tǒng)的很多應(yīng)用領(lǐng)域，諸如消費類電子產(chǎn)品、測量控制設(shè)備等，圖形用戶界面不僅在技術(shù)上是軟件系統(tǒng)設(shè)計的一個重點，而且在商業(yè)上也關(guān)系到用戶對該產(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)計對圖形用戶界面的要求也不同，一般大致可以分為單進程方式的輕量級圖形界面和多任務(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、機頂盒、DVD/VCD播放機、WAP手機等產(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、畫線、圖片顯示和中西文輸入/顯示等，同時考慮到成本、占資源大小和穩(wěn)定性等諸多因素，因此在對Microwindows進行相應(yīng)裁減的基礎(chǔ)上進行應(yīng)用圖形庫的設(shè)計。

1 Microwindows的分層結(jié)構(gòu)

Microwindows是一個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語言實現(xiàn)，可移植性好，能夠在嵌入式Linux上運行。目前，它不僅可以在支持Framebuffer的32位嵌入式Linux系統(tǒng)上運行，還可以在SVGALib庫上運行，甚至可以被移植到16位的ELKS和實模式的MSDOS上。

Microwindows采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，共有三層(見圖1)。底層驅(qū)動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，是一個可移植的圖形引擎，提供點線繪制、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，同時提供窗口管理。

底層驅(qū)動層也叫設(shè)備與平臺相關(guān)層，這一層的功能是將系統(tǒng)與設(shè)備和操作系統(tǒng)平臺的具體細(xì)節(jié)屏蔽起來。它通過實際的設(shè)備驅(qū)動程序接口或者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)備對象(device object)的概念來描述一類設(shè)備，每一個對象描述了一類實際設(shè)備的屬性和方法。比如，屏幕設(shè)備對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、讀寫像素點等)。

最底層實際上是以設(shè)備對象的方式為中間層提供了一個抽象的設(shè)備驅(qū)動界面。Microwindows在這一層中對屏幕、鼠標(biāo)、觸摸屏和鍵盤等設(shè)備分別定義了一個對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中，屏幕設(shè)備驅(qū)動結(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、畫點線等方法;鍵盤設(shè)備驅(qū)動結(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)備與平臺無關(guān)層，這一層的功能是提供一個可以為各種應(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現(xiàn)各種圖形函數(shù)和輸入設(shè)備的功能函數(shù)。對于中間層，它向下看到的是各類設(shè)備對象，向上則是要提供一個抽象的核心圖形界面，使得上面的應(yīng)用層對它所使用的到底是什么設(shè)備對象不用去理會。當(dāng)運行在Linux系統(tǒng)中時，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Framebuffer或SVGALib來實現(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現(xiàn)其應(yīng)用程序編程接口(API)以及窗口和消息機制等。Microwindows實現(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)計使得其能夠在需要的時候易于改寫和定制，能夠運行在任何支持Framebufer的Linux系統(tǒng)(2.2以上版本的內(nèi)核)中，這些特點使得Microwindows在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用十分廣泛。

2 圖形應(yīng)用庫的設(shè)計

盡管Microwindwos已經(jīng)提供了一個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)計一個面向低端的、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)計思路是以Microwindows驅(qū)動層和獨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)建一個盡可能小的、滿足繪圖、顯示、中文輸入等功能的輕量級圖形應(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)動支持1/2/4/8/l6/32bpp，能進行相應(yīng)的中西文輸入和顯示;具有強大的繪圖功能，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)上運行，具有較好的移植性、易使用性、穩(wěn)定性。