（电路与系统专业论文）面向嵌入式Linux的图形用户界面的研究与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着电器产品的数字化，嵌入式系统在越来越多的领域中得到应用。产品与用户之间 交流的增多，嵌入式图形用户界面系统在嵌入式系统中的地位日益加重，一套良好的图形用 户系统可以使人机交互更加方便快捷，使嵌入式系统的功能更加强大。 论文分析比较了m i n i g u i 、m i c m w m d o w s 、o p e n g u i 及q t e m b e d d e d 等四种主流嵌入 式图形用户界面系统的功能与性能，在此基础上选择m i n i g u i 为研究对象进行深入研究后， 设计实现了适合于本课题中嵌入式系统的嵌入式g u i ，以微客户服务器的模式实现，支持 多任务操作。本文介绍了该嵌入式g u 的体系结构和设计思想，并对某些主要算法进行详 细阐述，如消息和消息循环、面向对象技术的应用、多窗口管理及图形绘制模块。最后以手 写输入为例阐述多线程实现模式。 目前，本文实现的嵌入式图形用户界面已经成功地运行在嵌入式操作系统u c l i n u x 和 a l m 的软件平台上，其运行的硬件平台有m o t o r o l a m 6 8 0 0 0 系列和i n t e l x s c a l e 系列的处理 器。在实践过程中证明该嵌入式图形用户界面可以方便地移植到不同的嵌入式系统平台上， 简化了应用程序的整体开发过程，缩短了开发周期。针对现有嵌入式图形用户界面的不足， 未来将对其进行不断地改进和优化，以便开发出更高性能的嵌入式图形用户界面系统。 关键词：嵌入式系统嵌入式图形用户界面多线程微客户，服务器结构 查塑查兰堡圭丝壅 a b s t r a c t a st h ee l e c t t i c a lp r o d u c t sb e c o m em o r ea n dm o r ed i g i t a l ，t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sb e e np u t i n t op r a c t i c eg r a d u a l l y t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np r o d u c t sa n du s e r si n c r e a s e s t h er o l et h e e m b e d d e dg u is y s t e mp l a y si nt h ee m b e d d e ds y s t e mb e c o m e sm o r ei m p o r t a n t as e to fe x c e l l e n t g r a p h i c su s e rs y s t e mm a ym a k ei tm o r ee a s i l yw h e nh o l d i n gi n t e r c o u r s eb e t w e e nu s ra n dm a c h i n e ， a n dm a k et h ef u n c t i o no fe m b e d d e ds y s t e ms t r o n g e r t h i sp a p e rf i r s tc o m p a r e st h ef u n c t i o n sa n dc a p a b i h t i e so ft h ef o u rm a i ne m b e d d e dg r a p h i c s u s e rs y s t e mo fm i n i g u l 、m i c r o w i n d o w s 、o p e n g u ia n dq t e m b e d d e d b a s e do nt h i s ，ic h o s e m i n i g u ia st h eo b j e c ta n dd i dr e s e a r c ho nt h i s m yp l a nm a k e st h es u b j e c to fe m b e d d e dg u it r e e w h i c hi sf i tf o r t h ec h o s e ne m b e d d e ds y s t e m t h i se m b e d d e dg u iu s e sm i n ic sp a r e m ，a n d s u p p o r tm u l t i t a s k i n g t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n s t r a c t i o na n dd e s i g no ft h i se m b e d d e dg u i s y s t e m ，a n de x p o u n ds o m em a i nm e t h o d s ，s u c ha sm e s s a g ea n dt h ec i r c u l a t i o no fm e s s a g e ，t h e a p p l i a n c eo ft h eo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y , m u l t i w i n d o wm a n a g e m e n ta n dg r a p h i c sp a t t e r n m a k i n g a n df i n a l l y , ie x p l a i n e dt h ep a t t e r no ft h er e a l i z a t i o no fm u l t i t h r e a d i n gu s i n gh a n di n p u t a sa l le x a m p l e s of a r , t h ee m b e d d e dg r a p h i c su s e ri n t e r f a c es y s t e mim e n t i o n e di nt h i sp a p e ri sas u c c e s si n t h ep l a t f o r mo fu c l i n u xa n da r m a n dt h eh a r d w a r ep l a t f o r m sw h i c hf i tt h i ss y s t e mi st h es e d e so f m o t o r o l am 6 8 0 0 0a n di n t e lx s c a l e i th a sb e e np r o v e di np r a c t i c et h a tt h i se m b e d d e dg r a p h i c s u s e ri n t e r f a c es y s t e mc a ne a s i l yb er e p l a n t e dt od i f f e r e n ts y s t e mp l a t f o r m s ，w h i c hm a k e st h e e x p l o i t a t i o ne a s i e ra n dt h et i m en e e d e dl e s s e r t h es h o r t c o m i n g so ft h ee m b e d d e dg r a p h i c su s e r i n t e r f a c es y s t e mw i l lb ei m p r o v e di nt h ef u t u r e ，s ot h a tw ec a r le x p l o i tb e t t e re m b e d d e dg r a p h i c s u s e ri n t e r f a c es y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e dg r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ，m u l t i t h r e a d i n g ，c s 东南大学硕士论文 学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交的学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查询 和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 e t 期： 论文的研究背景 第一章绪论 伴随着二十一世纪的曙光，人类迎来了一个充满希望的新时代。而作为二十世纪人类社 会最伟大的发明之一，计算机也迈入了其另一个充满机遇的阶段后p c 时代。不知不觉 中，形式多样的数字化产品已经开始继p c 机之后成为信息处理的大主要工具，并且正在 逐步形成一个充满商机的巨大产业。 后p c 时代的到来，使得人们开始越来越多地接触到一个新的概念嵌入式产品。如 手机、p d a ( 如商务通等) 、v c d 机、机顶盒等都采用嵌入式系统。嵌入式软件是数字化产 品的核心。如果说p c 机的发展带动了整个桌面软件的发展，那么数字化产品的广泛普及必 将为嵌入式软件产业的蓬勃发展提供无穷的推动力。 中国有世界上最大的家用电子产品消费市场，彩电、v c d 等拥有量都居世界第一；随 着消费结构的改变，人们对家电的灵活性和可控性提出了更高的要求：这些只能通过家电的 数字化和网络化来实现：随着电话通信费用和通信类电子产品的价格进一步下调，p d a 结 台数字手机将成为今后个人数据通信和事务处理的最佳选择；同时，对于现代化的医疗、测 控仪器和机电产品也需要有专用的嵌入式系统软件的支持。这些需求都极大地刺激了嵌入式 系统的发展和产业化的进程。 移动信息终端项目使用d r a g o n6 8 v z 3 2 8c p u 作为核心处理器，研发出面向大学生教育 市场的低端电子产品。在该项目中，g u i 是不可或缺的系统。一套良好的g u i 系统可能影 响该项产品的成败。 论文主要内容 在移动信息终端项目中，核心处理器d r a g o n6 8 v z 3 2 8c p u 主频为3 3 m h z 、不支持虚 拟内存管理技术( m m u ) ：存储设备为1 6 m 的s d r a m 和8 m 的f l a s h ，嵌入式操作系统为 u c l i n u x 。以h 条件需要g u i 系统满足轻型、占用资源少；高性能：高可靠性；可配置等条 件。本文在对嵌入式操作系统中图形用户界面系统的几个解决方案的研究比较的基础上，以 m i n i g u i 为原形，采用分层设计方法实现了移动信息终端项目中图形用户界面系统。实现过 程的具体研究如下： l 采用多线程的分层设计思想，实现嵌入式g u i 。对分层结构、微客户n 务器结构 进行分析。 1 通过对消息驱动构架、消息循环及消息队列实现嵌入式g u i 中的通信机制。 l 利用面向对象技术，实现对控件类和控件、图形和输入抽象层及字符集和字体的支 持。 1 利用z 序及一套高效的剪切算法实现g u i 中的多窗口管理。 1 通过g d i 层及绘制属性的提取，实现多线程同时在屏幕上进行图形绘制。 l 以手写输入为实例论述多线程实现。 论文组织结构 本文的重点是论述图形用户界面系统的实现，同时也简单介绍比较了几个主流嵌入式 g u i 。本文的整体结构如下：第二章介绍嵌入式系统、嵌入式l i n u x 及嵌入式图形用户界 面系统，并对主流嵌入式图形用户界面系统进行分析，最终选择m i n i g u i 进行研究。第三 章阐述了嵌入式g u i 的实现。主要从多线程的分层设计技术、微客户，服务器结构、消息和 消息循环、面向对象技术的应用、多窗口的管理及图形绘制这几个方面进行论述。第四章作 了全文的总结，并提出了基于移动信息终端项目的图形用户界面以后的发展方向，以及作者 所要继续从事的研究方向。 第二章嵌入式系统与嵌入式图形用户界面 2 1 嵌入式系统与嵌入式l i n u x 2 + 1 1 嵌入式鬃统穰逮 随着上世纪9 0 年代末计算机网络的成熟发展，到2 l 世纪人类进入了所谓的后p c 时代。 在这一阶段，人们开始考虑如何将客户终端设蔷变得更加智熊化、数字化，从而使得改进罱 鹣窖户终端设餐轻巧薤羁、娶予控裁或其毒蘩些特定魏动裁。兔了实现人鄹在嚣p c 嚣代对 客户终端设备掇出的新要求嵌入式技术( e m b e d d e dt e c h n o l o g y ) 提供了一种灵活、高效 和商性价比的解决方案。嵌入式系统，一般被定义成以应用为中心、以计算机技术为基础、 软件硬件可裁翦适应应用，对功能可靠性成本体积功耗要求严格的一种专用计算机系统。 麓攀遗说，它裁楚一释用于控制、夔测或协瓒特定规器秘设答芷常运转熬计簿祝。 通常情凝下，套完整静嵌入式系统由袋入式赴理器、糕关硬件支持设蠢帮嵌久式较转 系统组成。其中，嵌入式处理器是嵌入式系婉中的核心部件，按功能和用谂划分，它又可避 步细分为以下几种类型：嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r ) 、嵌入式微处理器 ( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ) 和嵌入式数字僚号处理器( e m b e d d 酣d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 。 2 1 2 嵌入式系统发展阶激 早在2 0 傲纪六十年代，嵌入式系统这一概念实际上就已存在，当时它被用于对电话交 换避行控制，称为“存姥式过程控剡系统”( s t o r e dp r o g r a m c o n t r o ls y s t e m ) ，毽真正意义上 瓣嵌入式系统粥瑰在上琶纪粥年代。美圈菪名诗算瓿拳 学家、现任全菱簸大健康撬穗 k a i s e rp e r m a n e n t e 首席计算机科学主管b r i a nk r o n s t a d 认为，其间大致经历了以下四个发展 阶段： 第一阶段是以单芯片为核0 的可编程控制器系统，间时具有检测、伺服、指示设备相配 合戆功缝，这类墼懿系统丈郝分矮于专韭後缀强豹工鼗控铡系统中，一般没有操箨系统支 持，通过汇编语吉对系统进行崴接控制。这阶段系统主要的特点是：结构和功能相对单一、 效率较低、存储容量较小、几乎没有用户接口。 第二阶段是以嵌入式中央处理器( c p u ) 为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 这蹬段系统瓣主要特点是：c p u 转类繁多、逶用蛙较弱、系统开链小、撩终系统只其露 低度的兼容健翔扩震性、应用较徉较为专韭、熠户界垂不够友好。这静嵌入式系统静主要经 务是用来控制系统负载，以及脓控应用程序的运行。 第三阶段悬以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入 式操作系统能够运行于各种不问类型的处理器之上、操作系统内棱精小、效率离、模块化疆 浚藩、其毒文侮霸嚣录管理、支旃多蛏务处联、支持网络摄俸、其毒图形京殴舞爱户赛囊等 功能、其有大擞的应用程序接口、开发程序简单、并且嵌入式应用软件丰寓，但在通用性、 兼容性和扩展性方面仍彳；理想。 第四阶段是以基于网络操作为标志的嵌入式系统，这是个正在迅速发展的阶段。随蒋 瓣络在a 褒生滔孛豹遣覆曩蔻蓬要，越来越多的应羯需要采鲻支持网络功熊缝歉a 式系统， 所以在嵌入式系统中使用嚼终撩作系统将成为今后的发展趋势。 3 l 南大掌硕论文 2 1 3 嵌入式系统的技术特点 般认为，嵌入式系统应具有高可靠性的特点，即使在恶劣的环境或突然断电的情况下， 系统仍然能够正常工作；许多嵌入式应用要求实时性，这就要求嵌入式操作系统具有实时处 理能力；嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是具体产品同步进行； 嵌入式系统中的软件代码要求高质量、高可靠性，一般都固化在只读存储器中或闪存中，也 就是说软件要求固态化存储，而不是存储在磁盘等载体中。 2 1 4 嵌入式系统和嵌入式l i n u x 在嵌入式系统发展的初期，还没有出现操作系统的概念，大部分功能是用汇编语言来实 现，由于这些汇编程序只能用于某一种特定的处理器，所以这种嵌入式系统的兼容性、通用 性和可扩展性都很差。c 语言的出现使得嵌入式操作系统的开发变得简单、便捷和可靠。自 从上个世纪八十年代开始，出现了各种各样的商用嵌入式操作系统，逐步形成了百家争鸡的 局面，较为流行有v x w o r k s 、p s o s 、n e c u l e u s 、w m d o w s c e 等等。 在国内，嵌入式操作系统可分为两大类型：一类是自主版权的操作系统，另一类是基于 l m u x 的操作系统。自主版权的操作系统方面，凯思集团自主研发的嵌入式操作系统h o r n o s ( 女娲计划) 、中国科学院北京软件工程研发中心开发的c a s s p d a 以及浙江大学自行研 发开发的嵌入式操作系统h b o s ( 天堂之鸟) 、深圳桑夏公司推出了桑夏2 0 0 0 操作系统等。 中软和中科红旗等已经商业化运营的公司则致力于嵌入式h n u x 系统的开发。其中，凯思集 团的h o r n 操作系统已经取得良好的市场反响：与t c l 联手推出了t c l h i d ；与上海天亿 合作推出了网络股票机：还推出了基于h o p e no s 的v o d ，k t v 宽频视讯转换盒和无线p d a 产品方案以及联想天玑9 1 1 产品和高中低阶产业应用解决方案。 2 1 5 嵌入式l i n u x 的特点和优点 嵌入式操作系统主要有p m mo s ，w i n d o w sc e ，e p o c ，h n u x c e ，q n x ，e c o s ，l y n x 等，高端嵌入式系统要求许多高级的功能，如图形用户界面和网络支持，很多高端r t o s 供应商已经提供了这些功能，但其价格也很高端，一般人难以接受。微软的w i n d o w sc e 也 有此类功能，却不具备大多数嵌入式系统要求的实时性能，而且难以移植，也曾经有人想以 d o s 为基础用单独的第三方工具拼凑一个系统，但这种努力将是白费。现在需要的是一个 便宣、成熟并且提供高端嵌入式系统所必须特性的操作系统，嵌入式l i n u x 操作系统以价格 低廉、功能强大叉易于移植而正在被广泛采用，成为新兴的力量。目前，嵌入式l i n u x 系统 的研发热潮正在蓬勃兴起，并且占据了很大的市场份额，除了一些传统的l i n u x 公司( 如 r e d h a t 、m o n t a v i s t a 等) 正在从事嵌入式l m u x 的开发和应用之外，m m 、h l t e l 、m o t o r o l a 等著名企业也开始进行嵌入式l i n u x 的研究。在中国，以l i n u x 为基础的嵌入式操作系统比 较活跃，其中中软h n u x 、红旗l i n u x 、东方l i n u x 是业界的代表。目前已经开发成功的嵌 入式系统中，大约有一半使用的是“n u x 。 l i n u x 之所以能在嵌入式系统市场上取得如此辉煌的成果，与其自身的优良特性是分 不开的。l i n u x 为嵌入操作系统提供了一个极有吸引力的选择，它是个和u n i x 相似、以核 心为基础的、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。支持广泛的计算机硬件，包括 x 8 6 ，a l p h a ，s p a r c ，m i p s ，p p u ，a r m ，n e c ，m o t o r o l a 等现有的大部分蕊片。程式源码全部公开， 任何人可以修改并在g n u 通用公共许可证( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 下发行，这样，开 4 发人员可以对操作系统进行定制，再也不必担心像m s w i n d o w s 操作系统中“咽喉”的威胁。 同时由于有g p l 的控制，大家开发的东西大都相互兼容，不会走向分裂之路。l i n u x 用户遇 到问题时可以通过i n t e r n e t 向网t 成千上万的l i n u x 开发者请教，这使最困难的问题也有办 法解决。l i n u x 带有u n i x 用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的u n i x 系统的应用软件都 已移植到了l i n u x 上。l i n u x 还提供了强大的网络功能，有多种可选择窗e 1 管理器( x w i n d o w s ) 。其强大的语言编译器g c c 、g + + 等也可以很容易得到。不但成熟完善、而且使用 方便。 2 2图形用户界面( g u i ) 2 2 1 用户界面概述 人机界面u i ( u s e ri n t e r f a c e ) 又称人机界面h c i ( h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ) 或者图形用户 界面g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) ，是指计算机与其使用者之间的对话接口 2 1o 人机界面 h c i ( h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ) 是作为计算机系统的一个重要组成部分，是计算机行业重要 的研究领域。道格拉斯恩格尔巴特在6 0 年代发明了图形用户界面。图形用户界面g u i ( g r a p h i c a l u s e r i n t e r f a c e ) 的提出曾经是计算机发展史上划时代的创举，是计算机界面设计 上的一大突破，可以说正是这一突破才使计算机真正进入千家万户。显示在计算机屏幕上的 内容在可视性方面大大改善，人们再也不用象从前一样需要记忆计算机文件的名称和路径。 由于图形用户界面对于减轻电脑操作者的记忆负担以及提供了一个良好的视觉空间环境，计 算机终于发展成为一种工作场所。p 1 2 2 2 图形用户界面的特点 图形用户界面有以下几个主要特征： 1 、w i m p 其中，w ( w i n d o w s ) 指窗口，是用户或系统的一个工作区域，一个屏幕上可以有多个窗 口；i ( i c o n s ) 指图符，系统形象化的图形标志，易于人们隐喻和理解：m ( m e n u ) 指菜单，可 供用户选择的功能提示；p ( p o i n t i n gd e v i c e s ) 指鼠标器等，便于用户直接对屏幕对象进行操 作。 2 、用户模型 图形用户界面采用了不少桌面办公的隐喻，使使用者共享一个直观的界面框架。由于人 们熟悉办公桌面的情况，因而对计算机显示的图符的含义容易理解，诸如：文件夹、收件箱、 画笔、工作簿、钥匙及时钟等。 3 、直接操作 过去的界面不仅需要记忆大量命令，而且需要指定操作对象的位置，如行号、空格数、 x 及y 的坐标等。采用图形用户界面后，用户可直接对屏幕上的对象进行操作，如拖动、删 除、插入以至放大和旋转等。用户执行操作后，屏幕能立即给出反馈信息或结果，因而称为 “所见即所得”( w h a ty o us e ei sw h a ty o ug e t ) 。用视、点( 鼠标) 代替了记、击( 键盘) ，给 用户带来了方便。 2 3 嵌入式系统下的g u i 系统 2 3 1g u i 的一般问题 现代的操作系统必须有个友好的界而。目前，台式p c 上的l i n u x 已经拥有了成熟的 “标准”图形支持组件，包括作为显示界面基础的x 窗口系统( 其中包括针对相关硬件的 l i n u x 驱动程序) ，作为窗1 ：3 环境的g n o m e 或k d e ，以及功能强大的浏览器( n e t s c a p e ， o p e r a 或m o z i l l a ) 。然而，对于嵌入式设备，虽然硬件条件与过去相比在逐渐改善，但是与 台式计算机相比，严格的资源限制和特殊的应用需求是仍然客观存在的特点，这导致了上述 典型的“图形栈”无法直接应用。这主要体现在：一方面，嵌入式设备无法提供桌面图形软 件所需要的程序存储空间及内存运行空间。例如，嵌入式设备一般只有2 - 1 6 m b 的闪存用于 存储程序，以及4 - 3 2 m b 的内存用于运行这些程序。但是上述的图形系统对于资源的要求是： xw l n d o w ( 5 m br a m ，1 6 m bd i s k ) 、 g n o m e ( 1 4 m br a m ，9 5 m bd i s k ) 、 k d e ( 1 l m br a m ，9 6 m bd i s k ) 、 m o z i l l a ( 1 2 m br a m ，2 6 m bd i s k ) 。 这样大的资源需求不可避免地将提高嵌入式设备的成本、占用设备的空间、增加设备的 功耗。另一方面，一般的图形系统也无法满足嵌入式系统对于定制用户界面外观、配置图形 功能、提高图形系统的性能以及支持特殊的显示和输入设备等方面的需求。因此，研究和实 现嵌入式图形用户界面成为开发嵌入式l i n u x 系统的热点之一。 2 3 2 嵌入式系统对g u 的要求 一般情况下，嵌入式图形用户界面系统必须满足下列要求。 1 、可扩展性和可配置性；几乎每种嵌入式设计方案都具有各自不同的特点，所以嵌入 式图形用户界面足够灵活以适应各种硬件设备，而且在不同的嵌入式环境中，应该仅仅包括 那些必要的部分。采用面向对象的设计方法和可扩展的体系结构可以获得较好的可扩展性。 2 、资源使用的高效性：桌面的图形用户界面面向的是运行在高端处理器上、拥有巨大 内存资源的系统。而一个嵌入式图形用户界面必须适应内存小、处理器能力差别大的系统环 境。 3 、可定制性：由于嵌入式设备一般都是服务于某种专门的目的，它们要求客户可定制 的用户界面。而不是那种静态的、预定义的、无法满足特殊图形用户界面需求的观点( 1 0 0 k & f e e l ) 。图形用户界面的外观和事件处理的方式等都应该能通过直观、简单的方法进行定制。 4 、国际化：嵌入式设备必须使用相同的基本设计以适应不同国家用户的需要。关键在 于图形用户界面要有灵活的组件。通过支持应用的本地化，可以对用户界面上的文本以及各 种数据和数字格式进行翻译。使用u n i c o d e 的1 6 位宽字符，可以支持中文等亚洲字符。 5 、简单性：对嵌入式应用开发来说，它具有严格的时间限制，即要求尽可能短的面市 时间。使用面向对象技术，设计清晰直观的类派生关系，更加容易让人理解。提供可视化的 图形应用程序开发工具是一种广受用户欢迎的方式。 6 、针对多线程环境的优化：一些没有m m u 的嵌入式系统，不可能支持隔离的内存空 间和守候珠进程模型。它们往往只提供一个多线程的环境。这就需要优化代码，在缺少完全 的进程支持和不同的名字内存空间的条件下提供各种方法支持多任务的运行。 2 3 3 目前嵌入式系统下的g u i 的实现方法 6 般而言，在现有嵌入式系统下，g u i 的实现有以下三个不同的方法： 1 ) 照需求开发满足自身特定需要的g u i 系统： 2 ) 将g u i 作为一个软件层从应用程序中剥离，g u i 的支持逻辑由应用程序自己负责； 3 ) 设计。个支持大多数常见的g u i 对象的应用编程接口库，使其具有与其他通用开发 工具相类似的调用方法( 如w i n 3 2 ) 的g u i 系统。 在上述实现方法中，方法1 ) 能够设计实现符合特定需要的嵌入式g u i ，具有简捷、高 效等特点，但它存在专用性强和开发成本高的缺点，每当需求有改变时都要重新开发，对于 飞速发展的嵌入式系统硬件，这种方法不可行。方法2 ) 属于一种临时解决方案，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具有c p u 运算速度慢、内存容量小等不足， 如果想设计和实现简捷、高效的嵌入式g u i ，那么这种方法也不可行。方法3 ) 将嵌入式g u i 以应用编程接口库的形式出现，使其能很快地被具有编程经验的人员所接受，同时还可以根 据需求作适当的剪裁进而转变成如方法1 ) 所实现的专用嵌入式g u i ，也可根据需求对原有 的应用编程接口库进行扩充，适合于大多数用户的开发，很多成功的嵌入式g u i 即通过这 种方式实现，如d e l t a g u i 、 m i n i g u i ，m i c r o w i n d o w s 等o 在上述方法中，第2 种方法是一种临时解决方案。利用这种方法编写的程序，不能将显 示逻辑和数据处理划分开来，从而导致程序结构不好，又不便于调试，甚至可能导致大量的 代码重复。我们认为g u i 是一种类似于操作系统的基础软件，这种软件系统应该遵循一定 的标准，并且应该是开发源码的自由软件，从而可以让开发商集中精力开发自己的应用程序。 2 4 国内外嵌入式g u i 的研究与比较 如前所述，由于在嵌入式操作系统中，其硬件环境比较苛刻，因此要求运行其中的图形 界面心可能的精简，而传统的窗口系统尚不能满足嵌入式系统的需求。所以，在基于l i n u x 的嵌入式系统上，开发一个能够充分满足嵌入式系统需求的图形用户界面支持系统就成了当 务之包。实际上，国内外已经有许多专门针对l i n u x 的嵌入式g u i 系统，其中，较为著名 的开放源码项目有t i n y x ( 小型的x 窗口系统) 、m i c r o w i n d o w s 、m i n i g u i 、q t e m b e d d e d 等。 然而，由于开发人员对实时嵌入式系统在理解上的不同，使得这些g u i 系统在接口定义、 体系结构、功能特性等方面存在着很大的差别。下面对这些系统进行简单介绍。 2 4 1 t i n y x 参考网站：h t t p ：w w w x f r e e 8 6 o r g t i n yxs e r v e r 是由x f r e e 8 6 核心组( 由s u s e 主办) 成员k e i t hp a c k a r d 主持开发的，以 x f r e e 8 6 为基础，精简而成的面向嵌入式系统的小型xw i n d o w 服务器，为x f r e e 8 6p r o j e c t 的一部分。在l i n u x x 8 6 上，一个支持r e n d e r 服务器扩展功能但没有可缩放字体支持的 t i n vx 服务器的尺寸小于7 0 0 k b ，非常适合应用于嵌入式环境之中口】。但该系统的源代码尚 不开放，从而很难进行本地化开发。 2 4 2m i c r o w n d o w s 参考网站：h t t p ：m i c r o w i n d o w s o r g 7 m i c r o w i n d o w o p e ns o u r c e p r o j e c t 是一个开放源码的项目，目前由美国一家公司在主持 开发。该项目成立的宗旨在于针对何种小的装置，建立一套先进的视窗环境。该项目的开发 一度非常活跃，国内也有人参与了其中的开发，并编写了g b 2 3 1 2 等字符集的支持。但在 o t e m b e d d e d 发布以来，该项目变得不太活跃，并长时间停留在0 8 9 p r e 8 版本。可以说， 以开放源码形势发展的m i c r o w i n d o w s 项目，基本停滞。 m i c r o w i n d o w s 是一个基于典型客户服务器体系结构的g u i 系统，基本分为三层。最底 层是面向图形输出和键盘、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w i n d o w sc e ( w i n 3 2 子集) 的a p i 。 该项目的主要特色在于提供了类似x 的客户朋务器体系结构，并提供了相对完善的图形功 能，包括一些高级的功能，比如a l p h a 混合，三维支持，t r u e t y p e 字体支持等。但需要注 意的是，m i c r o w i n d o w s 的图形引擎存在许多问题，首先，m i c r o w i n d o w s 无任何硬件加速能 力；其次，图形引擎中存在许多示经任何优化的低效算法；第三，m i c r o w i n d o w s 代码质量 较差。 2 4 3o p e n g u i 参考网站：h t t p ：h w w w t u t o k s l d f a s t g l o p e n g u i 在l i n u x 系统上存在已经很长时间了。最初的名字叫f a s t g l ，只支持2 5 6 色 的线性显存模式，但目前也支持其他显示模式，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 等等，不过目前只支持x 8 6 硬件平台。o p e n g u i 也分为三层。最低层是由汇 编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、圆弧等，并且兼容 于b o r l a n d 的b g i a p i 。第三层用c + + 编写，提供了完整的g u i 对象集。 o p e n g u i 采用l g p l 条款发布。o p e n g u i 比较适合基于x 8 6 平台的实时系统，可移植 性稍差，目前的发展也基本停滞。 2 4 4m i n i g u i 参考网址：h t t p ：w w w m i n i g u i o r g m i n i g u l 是一种面向嵌入式系统或者实时系统的图形用户界面支持系统。它主要运行于 l i n u x 控制台，实际可以运行在任何一种具有p o s i x 线程支持的p o s i x 兼容系统上，对中 文的支持非常良好。m i n i g u l 同时也是国内最早出现的几个自由软件项目之一。 m i n i g u l 的主要特色有：提供了完备的多窗口机制和消息传递机制；提供常的控件类； 支持对话框和消息框及其它g u i 元素，如菜单、定时器等；通过两种不同的内部软件结构支 持低端显示设备和高端显示设备；支持w i n d o w s 的资源文件：支持各种流行图像文件；支持 多字符集和多字体，如g b 2 3 1 2 、b i g 5 等，其他字符集也可轻松加入；支持多种汉字输入法， 如全拼、五笔等：针对嵌入式系统的特殊的支持，包括一般性的i o 流操作，字节序相关函 数等等。 2 4 5q t e m b e d d e d 参考网站：h t t p ：w w w , t r o l l t e c h c o m l p r o d u c t s e m b e d d e d l i n d e x h t m l o t e m b e d d e d 是著名的o t 库开放商t r o l l e t c h 正在进行的面向嵌入式系统的q t 版 本。q t 采用c + + 的语言编写，具有极好的跨平台特性。使用q t 编写的软件可以在m i c r o s o f t w i n d o w s9 5 9 8 2 0 0 0 ，m i c r o s o f tw i n d o w sn t ，m a c o sx ，l i n u x ，s o l a r i s ，h p u x ，t r u 6 4 8 ( d i g i t a lu n i x ) ，i r i x ，f r e e b s d ，b s d o s ，s c oa n da i x 违些平台孰行。而且q t 是k d e 等壤嚣婕用静鼬1 支持瘁，诲多基于t 麓x w i n d o w 程序可叛 常方便建移攘到q t f b e d d e d 版本上。因此。自从o r e m b e d d e d 以g p i ，条款形式发布以来，就有大量的嵌入式h i n u x 开发 商转到了q t e m b e d d e d 系统上。比如韩阔的m i z i 公司，台湾省的某些嵌入式l i n u x 应用开 发耨等。 o t e m b e d d e d 直接取代掉xs e r v e r 及xl i b r a r y ，所有功能全部整合在一起，加快了 q t e m b e d d e d 的运葺亍速度。o t e m b e d d e d 的尺寸最小可以裁剪到6 3 0 k b 左右，最多可以扩充 到3 ( f o ri n t e lx 8 6 ) ，这样的弹性谧o t e m b e d d e d 更逝台嵌入式环境。 但是，o t e m b e d d e d 是一个c + + 函数库，尽蛰q t e m b e d d e d 声称可以裁剪到6 3 0 k ，但此 蛙熬q t e m b e d d e d 痒瑟经基本失去镬震徐篷。纛基，低鲍毽亭效率、大豹姿滚对避耗巍对运 行o r e m b e d d e d 的硬件提出了熨高的要求。o r e m b e d d e d 的结构过于复杂，很难进行系统载 剪、扩充、定制和移檬。因此，目前所见到的o r e m b e d d e d 的运行环境，几乎是清- 甑基于 s t r o n g 矗蕊静i p 鹌或者萁它离鞴手持设备。 2 a 6g t k f 嚣 参考网站：b ! ! p ；z 业! ：烈! ! ! 鱼：蝼g 吐k ! 必! 瓣提出e m b e d d e d 驻本鑫，g t k + 睫之接出g t k f b 瑷鏊，该顼嚣瓣宗鏊是蛰e m b e d d e d 系 统提出一套基于g t k + 的g u i 解决方案。g t k f b 采膈与o t e m b e d d e d 类似做法，跳过x 屡直接 对f r a m e b u f f e r 进行操作，因此具有o r e m b e d d e d 的几项优点。不道由于g t k f b 不是商业软 释，在发震戆速度上仍然较为缓馒。 2 4 7 各釉焱入式g u i 系统的比较 以上介绍的嵌入式g u i 备有优缺点，表2 ，1 将对几个常用g u i 系统进行综合比较。 麦2 。i 豢薅g u i 系统比较 m i n i g u im i c r o w i n d o w s o p e n g u iq t e m b e d d e d a p i w i n 3 2 风格x ，w i n 3 2 子集私有q t ( c + + ) a p i 是否完蚤 是 w i n 3 2 支持尚不 燕麓 党各 函数痒的典型 5 k鳓o k3 k1 5 m 大小 可移植性很盘孑很好只支持x 8 6 平较好( 但函数库 本努秘跨平台 交叉编译很困 难) 授粳条款 l g p l黼p o l g p lt g 扎 q p l g p l 健壮性，稳定性 好很差好麓 多添弛支持 支持多字符繁一般一般嗣u k l c o d e ， 偶效率低 可配置和可定好( 提供大最编译一般麓麓 巅瞧配鬣逡瑗，可嚣要 能力很强) 系统瓷源消艇小较大最小最大 9 效率好较差最好差 操作系统支持 l i n u xl i n u xd o s 、l i n u x 、l i n u x q n x 已知能运行的x 8 6 、a r m 、m i p s 、x 8 6 、a r m 、 x 8 6x 8 6 、a r m 、 硬件平台p o w e r p c、m t p s 、 s t r o n g a r m 、主 s t r o n g a r d v i 、主频s t r o n g a r m 、主 频最低需 最低需3 0 m h z频最低需 1 0 d 】讧h z 7 0 m h z 2 5m i n i g u i 的简介 m i n i g u i 最初是为了满足一个工业控制系统( 计算机数控系统) 的需求而设计和开发的。 这个工业控制系统是清华大学为一台数控机床设计的计算机数控系统( c n c ) 。在比较d o s 、 w i n d o w s9 8 、w i n d o w sn t 、l i n u x 等系统之后，该项目组决定选择r t l i n u x 作为实时操作 系统，以便满足2 m s 甚至更高的实时性。但是图形用户界面是一个问题，因为xw i n d o w 不 适合于实时控制系统，并且当时xw i n d o w 系统的本地化也不尽人意。因此，决定自己开发 一套图形用户界面支持系统。这就是m i n i g u i 产生的背景。显然，m i n i g u i 一开始就针对 实时系统而设计，因此，在设计之初就考虑到了小巧、高性能和高效率。 在考虑其他不同于数控系统的嵌入式系统时，为了满足千变万化的需求，必须要求 g u i 系统是可配置的。m i n i g u i 通过l i n u x 下的a u t o m a k e 和a u t o c o n f 接口实现了可配置 的设计。 因此，m i n i g u i 是一个非常适合于工业控制实时系统以及嵌入式系统的可定制的、小巧 的图形用户界面支持系统。在对m i n i g u i 体系结构及设计思想深入研究的基础上，设计实现 了适应本嵌入式系统的嵌入式图形用户界面。 2 5 1m i n