（通信与信息系统专业论文）zevio嵌入式系统gui设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文以新型数码相框开发项目为研究背景，设计并实现了一种基于嵌入 式芯片和实时操作系统的嵌入式g u i 应用方案。硬件开发平台采用l s il o g i c 公司的z e v i o1 0 2 0 多媒体应用处理器，具备低功耗、高级图像和数字音视 频处理功能。软件开发平台采用实时操作系统p c o s i i ，确保数码相框功能 切换实时稳定。基于软硬件开发平台分析，论证了采用单窗口b c g u i 是所 研发系统的图形用户界面( g u i ) 的最佳选择，实现了c g u i 与p c o s i i 系统的完美结合，达到了新型数码相框产品g u i 系统高性价比要求。 首先，简要介绍了本文的研发背景和所涉及的基本概念，通过对目前国 内外流行g u i 模式的对比分析，及对数码像框软硬件开发平台的详细研究， 提出了k t c g u i 设计方案。 其次，分析t y c g u i n 功能及特色，详细讨论t 【f c g u i 的移植原理， 给出t a c g u i 在z e v o1 0 2 0 上移植及配置的全过程，实现各层移植，最后成 功完成了系统调试。 最后，从产品实际需求出发，针对现有p c g u i 不足之处，提出并实现了 支持b m p 位图、支持a l p h a - b l e n d i n g 算法和支持屏幕汉显等优化方法。测试表 明，优化后的g u i 系统不但具有良好的实时性和稳定性，而且具备更加优雅 灵活的外观。 关键词：嵌入式系统；图形用户界面；, t c g u i ；系统移植 哈尔滨工程大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii ii i i i i i i i i i i i a bs t r a c t i ti sp r o p o s e dad e s i g no ft a i l o rm a d eg u ii n c l u d i n ge m b e d d e dc h i pa n d r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o j e c to fn e wt y p ed i g i t a lp i c t u r ef r a m e ( d p f ) s y s t e m l s il o g i cc o r p o r a t i o n s z e v i o10 2 0 ，am u l t i m e d i aa p p l i c a t i o np r o c e s s o rw a st a k e na st h eh a r d w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，w h i c hh a st h el o wp o w e rl o s s ，t h eh i 曲一q u a l i t yi m a g ea n d t h e d i g i t a l a u d i o v i d e op r o c e s s i n gf u n c t i o n t h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m p c o s i iw a st a k e na st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mw h i c hg u a r a n t e e d r e a l - t i m ef u n c t i o ns t a b l e i tp r o v e dt h a tc h o s i n gt h es i n g l ew i n d o wg c g u lw a s t h eb e s tc h o i c e ，s u c c e s s f u l l yr e a l i z e dt h ep e r f e c tu n i o nw i t ht h ep c o s - i is y s t e m ， a n dm e tt h eh i 曲一p e r f o r m a n c e t o - p r i c er a t i or e q u i r e m e n t s f i r s t l y , i ti si n t r o d u c e dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tb a c k g r o u n db r i e f l ya n d i n v o l v e dt h eb a s i cc o n c e p lt h r o u g ht h ec o n t r a s t i v ea n a l y s i so ft h ep o p u l a r d o m e s t i ca n df o r e i g ng u ip a t t e r n ，a n dt h er e s e a r c ho ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e o ft h ed p f , t h e np r o p o s e dt h ep c g u id e s i g n s e c o n d l y , i ti sa n a l y s e dc o m m o nr u n i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fp c g u i ， d i s c u s s e dp c g u it r a n s p l a n tp r i n c i p l ei nd e t a i l ，a n dg i v e nt h ee n t i r et r a n s p l a n t a n dd i s p o s i t i o np r o c e s s e si nt h ez e v o10 2 0 t h e nr e a l i z e de a c hl a y e rt r a n s p l a n t ， f i n a l l ys u c c e e d e dc o m p l e t i n gt h es y s t e md e b u g g i n g t h i r d l y , i ti sp r o p o s e d a n dr e a l i z e dt h eo p t i m i z e dm e t h o d s ，s u c ha s s u p p o r t i n g t h eb m pb i t r n a p ，s u p p o r t i n gt h ea l p h a - b l e n d i n ga l g o r i t h ma n d s u p p o r t i n gc h i n e s ec h a r a c t e r sd i s p l a yt oo v e r c o m et h o s es h o r t c o m i n g so ft h e e x i s t i n gg c g u i t h et e s tp r o v e dt h a tt h eo p t i m i z e dg r a p h i c a li n t e r f a c es y s t e mi s n o to n l yr e a lt i m ea n ds t a b i l e ，b u ta l s oh a dam o r eg r a c e f u ln i m b l ea p p e a r a n c e k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ；g c g u i ；s y s t e m t r a n s p l a n t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：荟印 日期： 伽罗年弓月，2 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文雠授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 、， 作者( 签字) ：李婶导师( 签字) ：导参是 日期：跏7 年；月，乙日瑚7 年；月，2 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 嵌入式系统( e m b e d e ds y s t e m ) 是以应用为中心、以计算机技术为基础、 软硬件可裁剪、适应于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求下的 专用计算机系统。它具有系统内核小、专用性强、系统精简、操作系统软件 固化存储等特点。目前，嵌入式系统技术己遍及制造工业、过程控制、通讯、 仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军事装备、消费类产品等众多领域，其 数量己远远超过各种通用计算机的数量。随着计算机技术和微电子技术的迅 速发展，以及信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术势必将获得 更广阔的发展空间。 图形用户界面( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 是嵌入式系统的重要组成部分之 一。友好的用户界面、图像界面及灵活的控制方式，使得操作人员可以很容 易地使用嵌入式设备。近来的市场需求调查表明，越来越多的嵌入式系统， 包括手机、p d a 、机顶盒、d v d v c d 播放机、工业实时控制等系统均需要 一个高性能，高可靠性地嵌入式g u i 的支持【1 】。 标准p c 平台具有华丽美观的g u i ，如为人所熟知的w i n d o w s 和l i n u x 。 相对于p c 平台，普通嵌入式系统的硬件条件有限，无法直接将p c 机上“庞 大”的g u i 直接“搬迁”到嵌入式系统中。嵌入式系统的g u i 要求不仅能够提 供友好的人机界面，又不能消耗过多系统资源。另一方面，嵌入式系统往往 是一种定制设备，不同产品需求对g u i 提出了不同要求。一般而言，嵌入式 系统对g u i 的要求是占用资源少、高性能、高可靠性及可配置。 随着嵌入式设备市场的壮大，g u i 系统开发已成为嵌入式系统开发过程 中的关键环节之一。开发商对于设计专用嵌入式系统g u i 的需求日渐紧迫。 是否具有一种高开发效率、低维护成本和人机交互信息丰富的g u i 系统，往 往成为嵌入式产品是否在市场上获得成功的决定性因素。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目前，嵌入式系统已成为i t 乔的又一个焦点，开发中国自主产权的嵌入 式处理器和嵌入式操作系统，对于民族i t 工业来讲，将有十分重要的战略意 义。从目前国内i t 市场来看，嵌入式系统及其产品在由家电产品和i n t e m e t 衍生出来的新型市场中占有主导地位和独特份额。 伴随着硬件技术的日益成熟以及在嵌入式系统中软件的广泛应用，软件 已逐步取代硬件成为系统的主要组成部分。之前采用硬件实现的许多功能已 改为软件实现，这使得系统实现更加灵活，适应性和可扩展性更加突出。面 对嵌入式软件的迫切需求，提高嵌入式软件开发效率和开发质量，推动国产 嵌入式软件产业化具有重要意义。 综上所述，嵌入式系统市场争夺战，是后p c 时代i t 市场的关键，而嵌 入式系统软件之战是重中之重，因此嵌入式系统g u i 开发的意义不言而喻。 本文以新型数码相框开发项目为研究背景，设计并实现一种嵌入式g u i 应用方案。该方案采用l s il o g i c 公司的z e v i o1 0 2 0 多媒体应用处理器为硬 件核心，开发支持工具适合设计敏感型的电子消费类产品，同时具备低功耗、 更高级图像和数字音视频处理功能特点：采用# c o s u 实时操作系统为软 件开发工具，可以保证数码相框各项功能切换的实时性；采用单窗口p c g u i 图形系统为用户界面，与p c o s 一实时操作系统实现完美结合。 1 2 嵌入式系统概述 1 2 1 发展简史 嵌入式系统已有3 0 多年发展历史，主要包括以下3 个典型时期。 1 2 0 世纪7 0 年代 1 9 7 1 年1 1 月，i n t e l 公司成功地将算术运算器和控制器集成在一起，推 出了世界第一台微处理器i n t e l4 0 0 4 ，这是嵌入式应用发展最重要的里程碑之 一。其后，各厂家相继推出了许多8 位或1 6 位微处理器，包括i n t e l 公司的 8 0 8 0 8 0 8 5 、8 0 8 6 ，m o t o r o l a 公司的6 8 0 0 、6 8 0 0 0 ，z i l o g 公司的z 8 0 、z 8 0 0 0 。 2 哈尔滨- 下程大学硕士学位论文 形成了系列化、模块化的单板计算机有i n t e l 公司的i s b c 系列、z i l o g 公司的 m c b 等。单板计算机的出现，使人们不必从选择芯片开始设计一台专用的嵌 入式计算机，只须根据需要选择各种不同的功能模块，包括c p u 板、存储器 板和各式i o 插件板等，即可构成专用的嵌入式计算机系统。 2 2 0 世纪8 0 年代 8 0 年代初，得益于微电子工艺水平的提高，i n t e l 公司完善了8 0 4 8 ，并 在其基础上研制成功了8 位单片机8 0 5 1 以及1 6 位单片机8 0 9 6 。单片机是将 嵌入式应用所需要的微处理器、i o 接口、a d 、d a 转换器、串行接口以及 r a m 、r o m 等都集成到一个超大规模集成电路中，面向i o 设计的微控制 器。1 9 8 1 年r e a d ys y s t e m 开发了世界上第一个商业嵌入式实时内核 ( v t r x 3 2 ) ，包含了许多传统操作系统的特征，如任务管理、任务间通信、同 步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。随后，出现了如i n t e g r a t e ds y s t e m i n c o r p o r a t i o n ( i s i ) 的p s o s y s t e m 、w i n d r i v e r 的v x w o r k s 、q n x 公司的q n x 、 h a m c o m p u t i n g 公司的p l a t o 。m i c r o s o f t 公司的w m c e 、嵌入式l i n u x 、# c o s 、 n u c l e u x 、以及国内的h o p e n 、d e l t a o s 等嵌入式操作系统。 3 2 0 世纪9 0 年代 2 0 世纪9 0 年代以来，在分布控制、柔性制造、数字通信和数字家电等 巨大商业需求的推动下，嵌入式应用得到了进一步发展。在硬件方面，芯片 发展表现出3 个特点。第一，面向实时信号处理算法的d s p 向高速、高精度、 低功耗方向发展，例如，t e x a s 推出的第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 ；第二， 3 2 位微控制器己成为市场主流，并向高速、智能化的方向发展；第三，嵌入 式c p u 的主频越来越高，同时在对多媒体的支持方面发展迅速，例如，i n t e l 公司基于x s a l e 微架结构是嵌入式c p u 中支持多媒体的典范。 在软件方面，嵌入式操作系统出现了进一步分化，诞生了一些嵌入式操 作系统家族。例如，w i n dr i v e r 公司推出的w m dr i v e rp l a t f o r i l lf o rx x x ， m i c r o s o f t 公司的w i n d o w se m b e d d e d 产品家就是针对不同领域、不同应用的 操作系统而构成的嵌入式操作系统家族。跨平台的软件开发技术从通用计算 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 机上延展到嵌入式设备【2 1 。 1 2 2 基本理论 业界有多种不同的关于嵌入式系统的定义，被多数人所接受的是基于嵌 入式特点的定义，即“以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、 功能、实时性、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统”。该 定义强调了软硬件可裁剪、专用计算机系统的特点，这也是嵌入式系统与通 用计算机平台最为显著的差别。 实时嵌入式系统也称为实时系统，它反映了嵌入式系统对时间响应要求 较高的特点，即如果逻辑和时序出现偏差将引起严重后果。常见的实时系统 有两种类型，即软实时系统和硬实时系统。软实时系统任务要求是使各个任 务运行得越快越好，但并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成。硬实 时系统的各个操作步骤不仅要执行无误，而且要做到准时。 部分实时操作系统应具有如下特点： 高效的任务管理，实时操作系统支持多任务、优先级管理和任务调 度，其中任务调度是基于优先级的抢占式调度，并采用时间片轮转 调度的算法； 快速灵活的任务间通信，实时操作系统的通信机制采用消息队列和 管理等技术，有效地保障快速灵活的任务间通信； 高度的可裁剪性，实时操作系统的系统功能可对软件进行裁剪、调 越 l t 便捷地实现动态链接和部件增量加载； 快速有效地实现中断和异常事件处理； 动态内存管理。 1 2 3 发展趋势 作为后p c 时代产物，嵌入式系统将拉近人与计算机的距离，形成一个 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 人机和谐的工作和生活环境。一般而言，在诸如数字通信、信息家电、航空 航天、工业过程控制及军事电子等领域，嵌入式系统具有极其广阔的应用前 景。广而言之，嵌入式系统可应用于人类工作和生活的各个领域。嵌入式系 统在传统工业控制和商业管理领域己经具有广泛的应用空间，如智能工控设 备、p o s a t m 机、i c 卡等；在家庭领域更具有广泛的应用潜力，如机顶盒、 数字电视、w e b t v 、网络冰箱、网络空调等众多消费类和医疗保健类电子设 备等；此外还有在媒体手机、袖珍电脑、掌上电脑、车载导航器等方面应用， 这些都极大地推动嵌入式技术深入到生活和工作的方方面面。此外，它在娱 乐、军事方面的应用潜力也是巨大的 3 1 。 纵观嵌入式技术的发展，目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外， 但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日 益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来以 i n t e m e t 为标志的嵌入式系统发展已成为必然趋势 4 1 。 1 3 图形用户界面概述 1 3 1 发展简史 计算机用户界面是指计算机与其使用者之间的对话接口，是计算机系统 的重要组成部分。计算机的发展史不仅是计算机本身处理速度和存储容量飞 速提高的历史，而且是计算用户界面不断改进的历史。早期计算机是通过面 板上的指示灯来显示二进制数据和指令，人们则通过面板上的开关、扳键及 穿孔纸带送入各种数据和命令的。2 0 世纪5 0 年代中、后期，由于采用了作 业控制语言及控制台打字机等，使计算机可以批处理多个计算任务，从而代 替了原来笨拙的手工扳键方式，提高了计算机的使用效率。 1 9 6 3 年，美国麻省理工学院在7 0 9 7 0 9 0 计算机上成功地开发出第一个分 时系统c t s s ，该系统连接了多个分时终端，并最早使用了文本编辑程序。 从此，以命令行形式对话的多用户分时终端成为7 0 年代乃至8 0 年代用户界 哈尔滨工程大学硕十学位论文 面的主流。 2 0 世纪8 0 年代初，由美国x e r o x 公司a l t o 计算机首先使用的s m a l l t a l k - 8 0 程序设计开发环境，以及后来的l i s a 、m a c i n t o s h 等计算机，将用户界面推向 图形用户界面的新阶段。随之而来的用户界面管理系统和智能界面的研究均 推动了用户界面的发展。用户界面己经从过去的人去适应笨拙的计算机，发 展到今天的计算机不断地适应人的需求。 用户界面的重要性在于极大地影响了终端用户的使用，影响了计算机的 推广，甚至影响人们的工作和生活。由于开发用户界面的工作量极大，加上 不同用户对界面的要求也不尽相同，因此，用户界面已成为计算机软件研制 中最困难的部分之一。 1 3 2 基本理论 图形用户界面或图形用户接口( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，g u i ) 是指采 用图形方式显示的计算机操作环境用户接口。与早期计算机使用的命令 行界面相比，图形界面对于用户来说更为简单。随着计算机平台技术的迅 速发展和图形用户界面技术的迅速普及，g u i 已经成为广大用户和计算机厂 商一致关注的热点，到目前为止，虽然还没有对g u i 这一概念形成一个严格 的定义，但其基本特性己逐步被人们所接受f 5 】。 直接操作图形用户界面采用的是位映象图形显示技术，用户对应用 程序的控制主要是通过操纵显示在屏幕上的图形对象来完成的，这 些图形对象( 如窗口、菜单、按钮等) 都是软件控制下的位映象图 形实现。 用户控制应用程序的运行不再由编程安排好的过程来驱动，而是由 用户通过图形用户界面引入的输入设备来移动光标或点触图形对 象，实现对应用程序的直接操纵，它体现了人在控制应用程序运行 中的核心地位。 定制图形用户界面一方面提供了可视的( 如窗口、滚动条等) 和不 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 可视的( 如屏幕、颜色、字体等) 界面对象，另一方面又允许用户 根据需要对应用程序的界面进行剪裁和定制，如移动、缩小或放大 窗口、设置颜色等。 信息反馈图形用户界面的帮助机制能够为用户操作界面提供导航， 而它的保护机制又为系统的可靠运行提供了容错排错，这两者都有 大量的信息反馈。 图形用户界面系统作为一个完整的运行环境，应该提供一个不依赖 于具体问题的界面设计标准，使得在改变环境下运行的各种应用程 序的界面风格与用户交互的方式都具有良好的一致性。 开放工具是图形用户界面系统的一个重要组成部分，是用户在图形 用户界面环境下开发应用程序的重要手段。 1 3 3 发展趋势 随着虚拟现实、科学计算可视化及多媒体技术的飞速发展，新的人机交 互技术不断出现，更加自然的交互方式将逐渐为人们所重视。新一代界面的 主要特征可描述如下： 以用户为中心 以用户对界面的需求变化为出发点，使用户界面的外在形式和内部机制 能符合不同用户的需要，这就是以用户为中心的设计思想。非特定人的连续 语音识别技术将使计算机能理解人们的要求，是一种重要的输入界面和手段。 鱼l 要( f i s he y e ) 技术使屏幕观察( 或光标) 位置附近的内容被放大，便于用户 观察。在传统的人机系统中，人被认为是操作者，人去适应机器；在一般的 人机系统中，人被称为用户，能与机器对话，但无主动控制能力；而在虚拟 现实系统中，人才是主动的参与者，机器将对人的各种动作做出反应。 多通道 多通道界面旨在充分利用一个以上的感觉和运动通道的互补特性来捕捉 用户的意向，从而增进人机交互中的自然性。人的感觉通道有视觉、听觉、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 触觉、嗅觉和平衡等；人的运动通道有手、嘴、眼、头、足及身体等。现在， 计算机操作时，人的眼和手十分累，效率也不高。若将听、说和手、眼等协 同动作，采用多通道、以自然方式交互，可以实现高效人机通信，也可以由 人或机器选择最佳反应通道，从而不会使某一通道负担过重。 智能化 精确交互技术是指能用一种技术来完全说明用户交互目的的交互方式， 键盘和鼠标均需用户精确输入。而人们的动作或思想往往并不很精确，计算 机应该理解人的要求，甚至于纠正人的错误，智能化的界面是一个重要方向。 高带宽 现在计算机输出的内容已经可以快速、连续地显示彩色图像，其信息量 非常大。而人们的输入却还是使用键盘一个又一个地敲击，因而，计算机的 输入带宽是很低的。新一代的用户界面应该支持高的输入带宽，快速大批量 地输入信息。语音、图像及姿势等的输入和理解是今后的发展方向。 不限制地点 目前，计算机主要是在办公室、实验室或家庭中使用，人们面对着计算 机屏幕进行操作，这种操作方式限制了计算机的应用。虽然已可用遥控器代 替部分动作，但用望远镜看屏幕似不方便，而采用语音输入输出或其他计算 机视觉( 摄像输入) 技术，则可不受地点的限制。 图示编程 g u i 的编程是很费时的工作，而采用图示编程e ! u ( v i s u a lp r o g r a m m i n g ) 贝, i j 比较简单和直观。现在有些多媒体制作工具，如a u t h o r w a r e p r o f e s s i o n a l 、i c o n a u t h o r 等，采用图示方法设计多媒体文档脚本，以便于交互修改、控制时间 关系。新一代的用户界面应尽可能提供图示化的开发工具。 1 4 论文结构安排 本文共分四章。 第一章介绍了课题背景。结合嵌入式系统的发展历程和图形用户界面 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i | 一i i i - - i _iii i i i i ( g u i ) 的发展历程，初步介绍了未来嵌入式系统及g u i 领域的发展趋势，同 时引出了嵌入式g u i 的概念，并给出了课题的研究意义和课题的国内外研究 动态及本文章节安排。 第二章讨论了图形用户界面在嵌入式系统上的发展，并提出了现今国内 外对嵌入式g u i 的发展要求。文中较详细的介绍了几种当前主流的嵌入式 g u i 技术，并对其进行了详细的比较，根据本课题项目背景某新型数码 相框开发的软硬件平台，经充分分析后，选择p c g u i 作为适合本课题实现 图形用户界面的最优选择。 第三章搭建了p c g u i 所需硬件及软件平台，硬件平台采用了l s il o g i c 公司的z e v i o1 0 2 0 多媒体应用处理器，内部包含一个a r m 9 2 6 e j s 内核和 一个z s p 内核，软件平台采用了p c o s i i 嵌入式操作系统。并对软件平台的 特点、任务流程、移植过程进行了详细的分析。 第四章从u c g u i 简介入手，综合地分析了, u c g u i 的移植原理，并详 细研究了c g u i 移植全过程，包括底层、高层、驱动及调试。成功完成数 码相框g u i 移植及设计工作。在深入研究过程中，针对# c g u i 几个缺陷之 处，进行了改进，提出了优化算法，并调试成功，使其更加完善。 结论总结了论文的研究成果和创新，同时给出了进一步研究的方向。 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 i i 2 1 应用要求 第2 章嵌入式系统g u i g u i 在嵌入式系统上的发展，与在桌面系统的发展类似，基本上是一个 从无到有、从字符界面到使用图形图像交互的过程。早期的工控系统基本没 有用户界面，或者仅仅靠简单的文字信息和l e d 显示与用户进行交互。随着 嵌入式技术的发展，近年来消费电子、通信、汽车、工业和军事等领域广泛 采用嵌入式系统。在信息家电、p d a 、s m a r tp h o n e 等众多受欢迎的终端产品 中，己经可以看到相对成熟的g u i 系统。完善的g u i 不仅可以表示丰富的内 容，而且具有多种表达方式，己经成为现代终端系统和嵌入式系统的重要组 成部分，也是当今主流的人机界面。 近年来，终端系统己经开始广泛采用3 2 位处理器芯片，配置触摸屏、键 盘等多种输入设备和l c d 等图象显示设备，这为g u i 在嵌入式系统上应用 提供了基础硬件平台。因此，嵌入式g u i 系统的发展不但成为可能，而且也 是应用发展的必然要求。 随着嵌入式系统的迅速发展，国内外一些软硬件厂商己经注意到这样一 个巨大的市场机遇，纷纷推出各种嵌入式g u i 图形应用软件，它们的实现方 式有以下几种 6 1 ： ( 1 ) 按照需求开发满足自身特定需要的g u i 系统 这种方法能够设计实现符合特定需要的嵌入式g u i ，也可能具有简捷、 高效率等特点，但它存在着专用性强和开发成本高的缺点，每当需要有改变 时都要重新开发，对于嵌入式系统硬件飞速发展的今天，这样设计和实现嵌 入式g u i 显然是不可行的。 ( 2 ) 将g u i 作为一个软件层从应用程序中剥离 利用这种手段编写的程序，无法将显示逻辑和数据处理逻辑划分开来， 程序结构不便于调试，而且还导致大量的代码重复，由于嵌入式系统本身就 哈尔滨1 = 程大学硕士学何论文 具有c p u 运算速度慢、内存容量小等特点，如果想设计和实现简捷、高效的 嵌入式g u i ，那么这种方法显然也是不可行的。 ( 3 ) 设计一个支持大多数常见的g u i 对象的应用编程接1 2 1 库 这种方法将嵌入式g u i 以应用编程接口库的形式摆在用户面前，使其能 很快地被具有编程经验的人员所接受，同时它还可以根据需求做适当的剪裁 进而转变成如第一种方法所实现的专用嵌入式g u i ，也可以根据需求对原有 的应用编程接口库进行扩充，适合大多数用户的开发。 目前国内外较为著名的嵌入式g u i 版本有m i c r o w i n d o w s 、o p e n g u i 、 q t e m b e d d e d 、m i n i g u l 、xw i n d o w 紧缩型版本等，其中比较成熟、同时得 到最多开发人员认可的有紧缩xw i n d o w 系统、m i n i g u i 、m i c r o w i n d o w s 等 系统，q t e m b e d d e d 也来势凶猛。 2 3 典型嵌入式g 2 3 1m i c r o w i n d o w s m i c r o w i n d o w so p e ns o u r c ep r o j e c t 成立的宗旨是针对体积小的装置建立 的一套先进的视窗环境。在l i n u x 桌面上通过交叉编译可以很容易地制作出 m i c r o w i n d o w s 的程序。m i c r o w i n d o w s 能够在没有任何操作系统或其他图形 系统的支持下运行，它能对裸显示设备进行直接操作。因此，m i c r o w m d o w s 就显得十分小巧，便于移植到各种硬件和软件系统上。 m i c r o w i n d o w s 的免费版本进展一直很慢，而且至今为止，国内没有一家 专门对m i c r o w i n d o w s 提供全面技术支持、服务和担保的公司。在2 0 0 5 年 m i c r o w i n d o w s 项目被改为n a n o xw i l l d o w 项目，n a n o xw i n d o w 是一个典 型的基于s e r v e r c l i e n t 体系结构的g u i 系统，基本分为3 层【9 1 ，如图2 1 所示。 底层是面向图形显示和键盘、鼠标或触摸屏的驱动程序；中间层提供底 层硬件的抽象接口，并进行窗口管理；最高层分别提供兼容于xw i n d o w 和 e c m aa p i w 的a p i 。其中使用n a n o x 接口的a p i 与x 接口兼容，但是该 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 接口没有提供窗口管理，如窗口移动和窗口剪切等高级功能。系统需要先启 动n a n o x 中s e r v e r 程序的n a n o x s e r v e r 和窗口管理程序n a i r l o w m 。用户程序 连接n a n o x 的s e r v e r 获得自身的窗口绘制操作。使用e c m aa p i w 编写的 应用程序无须n a l r l o x s e r v e r 和n a n o w l i l ，可直接运行。 n a n o - xa p ie c m aa p i w 窗口管理硬件抽象层 显示设备与输入设备 图2 1m i c r o w i n d o w s 的体系框图 m i c r o w i n d o w s 提供了相对完善的图形功能和一些高级的特性，如a l p h a 混合、三维支持和t r u e t y p e 字体支持等。该系统为了提高运行速度，改进基 于s o c k e t 套接字的x 实现模式，采用了基于消息机制的s e r v e r c l i e n t 传输机 制。m i c r o w i n d o w s 也有一些通用的窗口控件，但其图形引擎存在一些问题： 首先，无任何硬件加速能力；其次，图形引擎中存在一些低效算法。不过 m i c r o w i n d o w s 支持中文、日文、韩文等多种语言，也支持t m e t y p e 字体。 2 3 2o p e n g u i o p e n g u i 在l i n u x 系统上已经存在一段时间了。最初o p e n g u l 只支持 2 5 6 色的线性显存模式，目前支持其他显示模式，并且支持多种操作系统平 台，比如m s d o s 、q n x 和l i n u x 等，不过目前只支持x 8 6 硬件平台。o p e n g u l 分为三层：最低层是由汇编语言编写的快速图形引擎；中间层提供了图形绘 制a p i ，包括线条、矩形和圆弧等，并且兼容b o r l a n d 的b g i a p i ；第三层用 c 抖编写，提供了完整的g u i 对象库。另外o p e n g u i 还提供了二维绘图原语、 消息驱动的a p i 及b m p 文件格式支持等，使用较为方便。o p e n g u i 同样支 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 持鼠标和键盘事件，在l i n u x 上基于f r a m b u f f e r 或s v g a l i b 实现绘图。 由于它基于汇编实现的内核并利用m m x 指令进行了优化，o p e n g u i 运 行速度非常快，可以用u l t r a f a s t 形容，它支持3 2 位的多种平台，能够在 m s 。d o s 和l i n u x 下运行，主要用来在这些系统中开发图形应用程序和游戏。 o p e n g u i 非常稳定，但可移植性因为其内核使用汇编语言实现会受到影响， 目前基本上处于停滞阶段【1 0 j 。 2 3 3q t e m b e d d e d q t 是一个跨平台的c + + 图形用户界面库，由挪威t r o l l t e c h 公司出品， 目前包括q t 、基于f r a m e b u f f e r 的q t o p i ac o r e 、快速开发工具q td e s i g n e r 和国际化工具q tl i n g u i s t 等部分。q t 支持所有的u n i x 系统，当然也包括 l i n u x 系统，还支持w m n t w i n 2 0 0 0 、w m d o w s 9 5 9 8 平台。基本上q t 同x w i n d o w 上的m o t i f , o p e n w i n 、g t k 等图形界面库和w i n d o w s 平台上的m f c 、 o w l 、v c l 、a r l 是同类型的。q t 还具有下列一些优点【8 1 。 ( 1 ) 优良的跨平台特性。q 支持下列操作系统：m i c r o s o f tw i n d o w s9 5 9 8 、 m i c r o s o f tw i n d o w sn t ，l i n u x 、s o l a r i s ，s u n o s 、h p u x ，d i g i t a lu n i x ( o s f n ， t r u 6 4 ) 、i r i x 、f r e e b s d 、b s d o s 等。 ( 2 ) 面向对象。q t 的良好封装机制使得q t 的模块化程度非常高，可重用 性较好，对于用户开发来说是非常方便的。q t 提供了一种称为s i g n a l s s l o t s 的安全类型来替代c a l l b a c k ，这使得各个元件之间的协同工作变得十分简单。 ( 3 ) 丰富的a p i 。q t 包括多达2 5 0 个以上的c + + 类，还提供基于模板的 c o l l e c t i o n s 、s e r i a l i z a t i o n 、f i l e 、i od e v i c e 、d i r e c t o r ym a n a g e m e n t 和d a t e t i m e 类。甚至还包括正则表达式的处理功能。 ( 4 ) 支持2 d 3 d 图形渲染，支持o p e n g l 。 ( 5 ) 大量的开发文档。 ( 6 ) x m l 支持。 由于q 是k d e 等项目的g u l 支持库，所以很多基于q t 的xw i n d o w 哈尔滨工程大学硕士学位论文 程序可以非常方便地移植到q t e m b e d d e d 版本上。因此自从q t e m b e d d e d 以 g p l 条款形式发布以来，就有大量的嵌入式l i n u x 开发商转到了q t e m b e d d e d 系统上，但是q t e m b e d d e d 还有一些问题必须注意： ( 1 ) 该系统采用两种条款发布，其中包括g p l 条款，函数库在其上的应 用必须遵循g p l 条款。 ( 2 ) q t e m b e d d e d 是一个c + + 函数库，声称可以剪裁到最少6 3 0 k ，但这 时的q f f e m b e d d e d 库已经基本上失去了使用价值，较低的程序效率，较大的 资源消耗也对运行q t e m b e d d e d 的硬件提出了更高的要求。 ( 3 ) q t e m b e d d e d 库目前主要是针对手持式信息终端。因为对硬件加速支 持较弱，很难应用到对图形速度功能和效率要求比较高的实时嵌入式系统之 中。 ( 4 ) q t e m b e d d e d 结构过于复杂，很难进行系统剪裁、扩充、定制和移植。 因此，目前所见到的q t e m b e d d e d 仅仅是用在基于s t r o n g a r m 的i p a q 或者其它高端手持设备的系统中。 2 3 4m i n i g m i n i g u i 是在l i n u x 控制台上运行的多窗口图形操作系统。“小”是 m i n i g u i 的特色，m i n i g u i 可以应用在电视机顶盒、实时控制系统及掌上电 脑等诸多场合。由于这是由中国人自己开发的g u i 系统，所以m i n i g u i 对中 文的支持最好。它支持g b 2 31 2 与b i g 5 字元集，其他字元集也可轻松加入。 m i n i g u i 开发的主要目标就是为基于l i n u x 的实时嵌入式系统提供一个 轻量级的图形用户界面支持系统。它为应用程序定义了一组轻量级的窗口和 图形设备接口。利用这些接口，每个应用程序可以建立多个主窗口，然后在 这些主窗口中创建按钮、编辑框等控件。m i n i g u i 还为用户提供了丰富的图 形功能，帮助你显示各种格式的位图并在窗口中绘制复杂图形。 m i n i g u l 分为底层的g a l ( 图形抽象层) 和i a l ( 输入抽象层) ，向上 为基于标准p o s i x 接口中p t h r e a d 库的m i n i t h r e a d 架构和基于s e r v e r c l i e n t 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的m 油l i t e 架构。其中m “t h r e a d 受限于t h r e a d 模式，对于整个系统的可 靠性影响进程中某个t h r e a d 的意外错误可能导致整个进程的崩溃，该架 构应用于系统功能较为单一的场合。m i n i l i t e 应用于多进程的应用场合，采 用多进程运行方式设计的s e r v e r c l i e n t 架构能够较好地解决各个进程之间的 窗口管理、z 序剪切等问题。m i n i g u i l i t e 上的每个程序是单独的进程，每 个进程也可以建立多个窗口。 e c m aa p i w 接口 m i n i - t h r e a d 或m i n i l i t e g a l 层l a l 层 系统硬件驱 动 系统硬件 图2 2m i n i g u i 体系框图 m i n i g u i 下丰富的控件资源也是m i n i g u i 的特点之一。高版本的控件中 已经添加了窗口皮肤、工具条等桌面g u i 的高级控件支持。其主要有以下特 占 ( 1 ) 提供了完备的多窗