嵌入式Linux輕量級(jí)圖形應(yīng)用庫(kù)應(yīng)該如何設(shè)計(jì)

Linux是一套免費(fèi)使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，是一個(gè)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(yùn)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(jì)思想，是一個(gè)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(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(kù)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(méi)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(kù)，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(kù)，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(jiǎn)單的畫(huà)點(diǎn)、畫(huà)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(kù)的設(shè)計(jì)。

1 Microwindows的分層結(jié)構(gòu)

Microwindows是一個(gè)著名的開(kāi)放源碼的嵌入式GUI軟件，專門(mén)用于小型嵌入式設(shè)備上開(kāi)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(yǔ)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(kù)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(jiàn)圖1）。底層驅(qū)動(dòng)層是面向基本的圖形輸出和鍵盤(pán)、鼠標(biāo)或觸摸屏的驅(qū)動(dòng)程序，在程序中通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就能訪問(wèn)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(lái)。它通過(guò)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(lái)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(pán)等。我們使用設(shè)備對(duì)象（device object）的概念來(lái)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(kāi)和關(guān)閉顯示器、設(shè)置調(diào)色板、返回屏幕屬性、讀寫(xiě)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(pán)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(kāi)、關(guān)閉、畫(huà)點(diǎn)線等方法;鍵盤(pán)設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)體KBDDEVICE定義打開(kāi)、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(kāi)的顯示屏幕和位圖的長(zhǎng)、寬、位色等屬性值。

中間引擎層也叫設(shè)備與平臺(tái)無(wú)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(wú)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(guò)調(diào)用底層屏幕驅(qū)動(dòng)Framebuffer或SVGALib來(lái)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(jiǎn)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(kù)就是基于該原理來(lái)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(lái)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(kāi)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(xiě)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(kù)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(kāi)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(kù)就顯得非常重要。它占用較少的磁盤(pán)空間和較少的內(nèi)存開(kāi)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(kù)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(lái)，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(kù)。

該圖形應(yīng)用庫(kù)類似于Turboc C，支持灰度/彩色LCD和PS/2鍵盤(pán)，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(huà)線、區(qū)域填充、畫(huà)多邊形、剪貼和圖形模塊等。顯然，由于圖形庫(kù)以framebufer為基礎(chǔ)，無(wú)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。

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