嵌入式Linux的MiniGUI研究和移植

隨著嵌入式系統的廣泛應用，PDA、機頂盒、DVD/VCD播放機及WAP手機已經迅速普及。圖形用戶界面（GUI）的廣泛流行，是當今計算機技術的重大成就之一。它極大地方便了非專業用戶的使用，因此實時嵌入式系統對GUI的需求越來越明顯，而這一切均要求有一個高性能、高可靠的GUI 的支持。

由于嵌入式系統實時性要求非常高，對GUI的要求也更高。這些系統一般不希望建立在龐大累贅的、非常消耗系統資源的操作系統和GUI之上，比如Windows或X Window，太過龐大和臃腫。這樣，這些系統對輕型GUI的需求更加突出。另外嵌入式系統往往是一種定制設備，它們對GUI的需求也各不相同。有些系統只要求一些圖形功能，而有些系統要求完備的GUI支持，因此，GUI也必須是可定制的。嵌入式系統對GUI的基本要求包括輕型、占用資源少、高性能、高可靠性及可配置[1]。

1.2 目前嵌入式系統中GUI的實現

　　盡管實時嵌入式系統對GUI的需求越來越明顯，但目前GUI的實現方法各有不同[1]：

① 某些大型廠商有能力自己開發滿足自身需要的GUI系統。

② 某些廠商沒有將GUI作為一個軟件層從應用程序中剝離，GUI的支持邏輯由應用程序自己來負責。③ 采用某些比較成熟的GUI系統，比如 Mini GUI、MicroWindows 或者其它GUI系統。

比較常用的有如下幾種GUI系統：緊縮的X Window 系統、MiniGUI、MicroWindows、OpenGUI及QT/Embedded 等。下面簡單介紹這些系統。

（1）MiniGUI

MiniGUI[2]由原清華大學教師魏永明先生開發，是一種面向嵌入式系統或者實時系統的圖形用戶界面支持系統。它主要運行于Linux控制臺，實際可以運行在任何一種具有POSIX線程支持的 POSIX兼容系統上。MiniGUI同時也是國內最早出現的幾個自由軟件項目之一。稍后將對它作詳細的介紹。

（2）MicroWindows

MicroWindows[3]是一個著名的開放源碼的嵌入式GUI軟件。MicroWindows提供了現代圖形窗口系統的一些特性。MicroWindows API接口支持類Win32 API，接口試圖和Win32完全兼容。它還實現了一些Win32用戶模塊功能。MicroWindows采用分層設計方法，以便不同的層面能夠在需要的時候改寫，基本上用 C 語言實現。MicroWindows已經支持 Intel 16位和32位CPU、MIPS R4000 以及 ARM 芯片；但作為一個窗口系統，該項目提供的窗口處理功能還需要進一步完善，比如控件或構件的實現還很不完備，鍵盤和鼠標等的驅動還很不完善。

（3）OpenGUI

OpenGUI[4]在Linux系統上存在已經很長時間了。這個庫是用C++編寫的，只提供C++接口。OpenGUI基于一個用匯編實現的x86圖形內核，提供了一個高層的C/C++圖形/窗口接口。OpenGUI提供了二維繪圖原語、消息驅動的API及BMP文件格式支持。OpenGUI功能強大，使用方便。OpenGUI 支持鼠標和鍵盤的事件，在Linux上基于Frame buffer或者SVGALib實現繪圖。由于其基于匯編實現的內核并利用MMX指令進行了優化，OpenGUI運行速度非常快。正由于其內核用匯編實現，可移植性受到了影響。通常在驅動程序一級，性能和可移植性是矛盾的，必須找到一個折衷。

（4）QT/Embedded

QT/Embedded[5]是著名的QT庫開發商Trolltech 的面向嵌入式系統的QT版本。這個版本的主要特點是可移植性較好，許多基于QT的X Window程序可以非常方便地移植到嵌入式系統；但是該系統不是開放源碼的，如果使用這個庫，可能需要支付昂貴的授權費用。

2 MiniGUI的特點和體系結構

2.1 MiniGUI的特點

MiniGUI的主要特點有[1]：
遵循GPL條款的純自由軟件。
提供了完備的多窗口機制，包括：
多個單獨線程中運行的多窗口；
單個線程中主窗口的附屬；
　　對話框和預定義的控件類（按鈕、單行和多行編輯框、列表框、進度條及工具欄等）；
　　消息傳遞機制。
多字符集和多字體支持，目前支持 ISO8859-1、GB2312及Big5 等字符集，并且支持各種光柵字體和 TrueType、Type 1 等矢量字體。
全拼和五筆等漢字輸入法支持。
BMP、GIF、JPEG及PCX 等常見圖像文件的支持。
Windows的資源文件支持，如位圖、圖標、光標、插入符、定時器及加速鍵等。
小巧。包含全部功能的庫文件大小為300 KB左右。
可配置。可根據項目需求進行定制配置和編譯。
高穩定性和高性能。MiniGUI已經在Linux發行版安裝程序、CNC系統及藍點嵌入式系統等關鍵應用程序中得到了實際應用。
可移植性好。目前，MiniGUI可以在X Window 和Linux控制臺上運行。中科院EEOS開發組已經成功地將MiniGUI移植到了他們的POSIX兼容系統上。藍點軟件（北京）研發中心也已經成功地將 MiniGUI移植到了兩款基于StrongARM的嵌入式系統上。

2.2 MiniGUI的體系結構

從整體結構上看，MiniGUI是分層設計的，層次結構如圖1所示。在最底層，GAL和IAL提供底層圖形接口以及鼠標和鍵盤的驅動；中間層是MiniGUI 的核心層，包括窗口系統必不可少的各個模塊；最頂層是API，即編程接口。GAL和IAL為 MiniGUI提供了底層的Linux控制臺或者X Window 上的圖形接口以及輸入接口，而Pthread用于提供內核級線程支持的C函數庫。
利用GAL和IAL，大大提高了MiniGUI的可移植性，并且使程序的開發和調試變得更加容易。可以在X Window上開發和調試自己的MiniGUI程序，通過重新編譯就可以讓MiniGUI應用程序運行在特殊的嵌入式硬件平臺上。 

3 MiniGUI的移植
筆者的項目DVD720工作在μC/OS嵌入式操作系統下，核心CPU為MIPS芯片。該平臺是SUNPLUS公司提供的一個多媒體平臺，不僅僅實現DVD的播放，還包含一些附加功能，例如游戲、卡拉OK、VOD及上網等功能，并為用戶提供了編程接口，使用戶可以在DVD上對Lego公司的機器人進行控制。為了給用戶提供一個友好的界面，以及從易用性和通用性方面考慮，將MiniGUI移植到我們的DVD720平臺。DVD720平臺的體系結構如圖2[6]所示。由于MiniGUI的分層實現，需要考慮的只是HAL接口下的各驅動程序：鼠標驅動程序、鍵盤驅動程序及圖形驅動程序

3.1 鼠標和鍵盤驅動程序
鼠標驅動程序非常簡單。抽象意義上講，初始化鼠標后，每次用戶移動鼠標，就可以得到一個X 和 Y 方向上的位移值。驅動程序內部維護鼠標的當前位置，用戶移動鼠標后，當前位置被加上位移值，并通過上層Cursor支持，反映到屏幕上，用戶就會認為鼠標被正確地“移動”了。現在有各種各樣的鼠標，例如MS鼠標、PS/2鼠標、總線鼠標及GPM鼠標等，其主要差別在于初始化和數據包格式上。鍵盤驅動程序的實現也比較簡單，在此不作詳細的介紹。

3.2 圖形驅動程序

HAL提供的接口函數大多與圖形相關，主要就是通過調用圖形驅動程序來完成任務的。圖形驅動程序屏蔽了底層驅動的細節，實現底層驅動相關的功能，而不是硬件相關的一些功能，如一些畫圓和畫線的GDI函數、普通的剪切，可直接在HAL接口層實現。

DVD720的顯示驅動是基于Frame buffer的驅動程序的。通過對SDRAM中的frame buffer和video bitstream buffer寫入，就可以實現對TV和顯示器的刷新。像素的寫入方式和順序如圖3所示[6]。

下面介紹各接口函數：

Open，Close

基本的初始化和關閉函數。在Open函數里要選擇子圖形驅動程序，將其實現的函數賦給本PSD 結構的函數指針。這里只考慮基于Frame buffer的圖形引擎的初始化。
SetPalette，GetPalette

當使用8位或以下的圖形模式時，要使用系統調色板。這里是調色板處理函數，它們和Windows API中的概念類似。Linux系統利用ioctl 提供了處理調色板的接口。

AllocateMemGC，MapMemGC，FreeMemGC

內存屏幕是一個偽屏幕。在對屏幕圖形操作過程中，比如移動窗口，先生成一個內存屏幕，將物理屏幕的一個區域拷貝到內存屏幕，再拷貝到物理屏幕的新位置，這樣就減少了屏幕直接拷貝的延時。AllocateMemGC用于給內存屏幕分配空間，MapMemGC做一些初始化工作，而FreeMemGC則釋放內存屏幕。

DrawPixel、ReadPixel、DrawHLine、DrawVLine及FillRect

這些是底層圖形函數。分別是畫點、讀點、畫水平線、畫豎直線及畫一個實心矩形。之所以在底層實現這么多函數，是為了提高效率。圖形函數支持多種畫圖模式，常用的有直接設置或Alpha混合模式，從而可以支持各種圖形效果。

PutHLine、GetHLine、PutVLine、GetVLine、PutBox、GetBox及PutBoxMask

Get* 函數用于從屏幕拷貝像素到一塊內存區，而Put*函數用于將存放于內存區的像素畫到屏幕上。PutBoxMask 與PutBox的唯一區別是，如果要畫的像素是白色，就不會被畫到屏幕上，從而達到一種透明的效果。

4 總結與展望

到目前為止，我們的移植工作已經順利完成。MiniGUI已經能成功運行在我們的DVD720平臺上。作為底層支持的GUI系統，MiniGUI也應該像操作系統一樣是開放源碼的自由軟件，并應該得到開發商的共同推動。到目前為止，已經有多家嵌入式系統開發商采用MiniGUI開發嵌入式系統，并且已經開發出了許多重要的應用程序。我們期望能夠有更多的人加入MiniGUI的開發，共同促成MiniGUI成為嵌入式 Linux系統上的標準GUI。盡管MiniGUI目前的功能已經非常強大，并且已經成功應用于許多嵌入式系統，但還需要在如下領域進行開發： 

建立一個 C++ 類庫來封裝MiniGUI的API；

建立基于傳統進程級客戶/服務器體系結構的 MiniGUI，以便能夠讓MiniGUI適合于一些較大的嵌入式系統，比如支持全功能瀏覽器的機頂盒。
隨著MiniGUI不斷推廣和功能的加強，它也將在實際應用中不斷走向成熟。實時嵌入式系統上的GUI開發正處于開始階段。在這個領域，有許多技術難題等待自由軟件程序員去解決。