基于Microwindows的嵌入式Linux輕量級圖形應用庫的設計

嵌入式Linux系統的很多應用領域，諸如消費類電子產品、測量控制設備等，圖形用戶界面不僅在技術上是軟件系統設計的一個重點，而且在商業上也關系到用戶對該產品接受的程度。

根據產品功能低高端的不同定位，系統設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窗口系統圖形用戶界面GUI，前者主要用于低端的信息終端和工業控制系統，后者主要用于PDA、機頂盒、DVD/VCD播放機、WAP手機等產品中。

目前，在Linux操作系統中，一般可將圖形應用庫粗略地分為三個不同層次。第一層次是圖形基礎設施，它們本身沒有提供相應的應用程序編程接口，而是集成在操作系統中或采用某種封裝形式，用作其他高級圖形或者應用程序的基本函數庫，較典型的有X Window、SVGALib、framebuffer(幀緩沖)和LibGGI等;第二層次是高級函數庫，它們提供了大量的應用程序編程接口，較典型的有Xlib、GDK、GTK+、QT、SDL、OpenGL、PEG和DirectFB等;第三層次多任務窗口系統圖形用戶界面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、占資源大小和穩定性等諸多因素，因此在對Microwindows進行相應裁減的基礎上進行應用圖形庫的設計。

1 Microwindows的分層結構

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備上開發高性能圖形應用程序和多任務窗口系統。它用C語言實現，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采用分層結構設計，共有三層(見圖1)。底層驅動層是面向基本的圖形輸出和鍵盤、鼠標或觸摸屏的驅動程序，在程序中通過相應的數據結構就能訪問實際的硬件設備;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、區域填充、多邊形繪制、裁減和RGB顏色模式使用等;最高應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。

底層驅動層也叫設備與平臺相關層，這一層的功能是將系統與設備和操作系統平臺的具體細節屏蔽起來。它通過實際的設備驅動程序接口或者OS系統調用來與硬件設備交互，這些硬件設備主要包括屏幕、鼠標和鍵盤等。我們使用設備對象(device object)的概念來描述一類設備，每一個對象描述了一類實際設備的屬性和方法。比如，屏幕設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(打開和關閉顯示器、設置調色板、返回屏幕屬性、讀寫像素點等)。

最底層實際上是以設備對象的方式為中間層提供了一個抽象的設備驅動界面。Microwindows在這一層中對屏幕、鼠標、觸摸屏和鍵盤等設備分別定義了一個對應的數據結構。其中，屏幕設備驅動結構體SCREENDEVICE指定了諸如設備的大小、硬件使用的圖形模式等底層的顯示情況以及打開、關閉、畫點線等方法;鍵盤設備驅動結構體KBDDEVICE定義打開、關閉和讀取鍵值等方法; 屏幕信息的結構體MWSCREENINFO和位圖信息的結構體MWIMAGEINFO是兩個常用的結構體，用以取得當前打開的顯示屏幕和位圖的長、寬、位色等屬性值。

中間引擎層也叫設備與平臺無關層，這一層的功能是提供一個可以為各種應用層共享的與設備無關的核心圖形引擎，其中的主要工作就是實現各種圖形函數和輸入設備的功能函數。對于中間層，它向下看到的是各類設備對象，向上則是要提供一個抽象的核心圖形界面，使得上面的應用層對它所使用的到底是什么設備對象不用去理會。當運行在Linux系統中時，Microwindows提供的所有繪圖函數都是通過調用底層屏幕驅動Framebuffer或SVGALib來實現的。它支持行繪制、區域填充、剪切以及RGB顏色模型，控制字體的顯示等。

最高層即應用層，這一層的功能是按照應用的具體要求為應用程序提供適當的應用層用戶界面。當應用程序不需要窗口系統的時候，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(本文討論的圖形應用庫就是基于該原理來構建的)。如果用戶需要完善多任務窗口系統，則可以使用抽象核心界面來實現其應用程序編程接口(API)以及窗口和消息機制等。Microwindows實現了MicrosoftWin32/WinCE圖形顯示接口(GDI)和Xlib(XWindows)接口兩種API以適應不同的應用環境。其中前者應用于所有的Windows CE和Win32應用程序，用于設計類Win32圖形用戶界面GUI;后者就像Nano-X，應用于所有Linux X插件集的最底層，這樣可讓Linux圖形程序員X接口開發圖形應用程序。

顯然，Microwindows的分層設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(2.2以上版本的內核)中，這些特點使得Microwindows在嵌入式系統設計中的應用十分廣泛。

2 圖形應用庫的設計

盡管Microwindwos已經提供了一個全功能的可視化圖形用戶界面開發工具，但是由它生成的代碼量很大，在某些類低端的嵌入式Linux系統中不適合。

因此，設計一個面向低端的、非窗口管理的基本圖形應用庫就顯得非常重要。它占用較少的磁盤空間和較少的內存開銷，旨在為嵌入式系統構建基本的圖形用戶界面提供編程接口。基本圖形應用庫的設計思路是以Microwindows驅動層和獨立圖形引擎層為核心，將它們抽取出來，不再采用分層結構，最后構建一個盡可能小的、滿足繪圖、顯示、中文輸入等功能的輕量級圖形應用庫。

該圖形應用庫類似于Turboc C，支持灰度/彩色LCD和PS/2鍵盤，屏幕驅動支持1/2/4/8/l6/32bpp，能進行相應的中西文輸入和顯示;具有強大的繪圖功能，包括畫線、區域填充、畫多邊形、剪貼和圖形模塊等。顯然，由于圖形庫以framebufer為基礎，無需特殊操作系統或圖形系統的支持，能很好的在嵌入式Linux系統上運行，具有較好的移植性、易使用性、穩定性。