嵌入式Linux下的圖形用戶界面系統(tǒng)設計

為了滿足嵌入式系統(tǒng)的界面設計需求，給出了一種圖形用戶界面系統(tǒng)SKY-GUI的設計思路和其在嵌入式Linux環(huán)境下的實現(xiàn)方法。SKY-GUI有四大組成部分：輸入抽象層、顯示抽象層、事件系統(tǒng)和窗口系統(tǒng)。其特點是界面美觀、占用資源少、運行效率高，現(xiàn)已應用于嵌入式視頻監(jiān)控項目。實驗證明其設計思路可行，性能優(yōu)良，適用于典型的嵌入式系統(tǒng)項目。

嵌入式圖形用戶界面(GUI， Graphic UserInterface)系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)中的一大關鍵技術，為用戶提供設備的控制接口，其性能的好壞，界面的美觀程度，影響著用戶對產(chǎn)品的購買意愿和使用感受。

當前嵌入式系統(tǒng)中GUI的實現(xiàn)方式主要有兩種：一是采用現(xiàn)有的GUI庫;第二種是開發(fā)商基于嵌入式操作系統(tǒng)設計特有的GUI系統(tǒng)。采用第1種方式一般要對通用GUI庫進行剪裁和個性化定制，也往往要支出額外的成本來獲得軟件授權。相對而言，第2種方法實現(xiàn)的GUI占用資源較小、容易滿足嵌入式系統(tǒng)的實時性和個性化需求。

本文采用第2種方式，在嵌入式Linux下使用C語言實現(xiàn)了一個界面美觀、輕量級、占用資源少、執(zhí)行效率高的圖形用戶界面系統(tǒng)SKY-GUI.本文的結(jié)構如下：第1部分介紹SKY-GUI的基本結(jié)構;第2部分給出具體的模塊設計;第3部分給出其實驗和測試結(jié)果;最后總結(jié)。

1 SKY-GUI基本結(jié)構

SKY-GUI系統(tǒng)的功能主要有以下四點：

(1)接收各種輸入設備的輸入。

(2)建立消息循環(huán)，將設備的輸入翻譯為抽象的事件。

(3)建立窗口和控件對象系統(tǒng)，組織好各個抽象模塊的關系，處理各種GUI事件。

(4)將GUI對象通過具體形狀顯示在屏幕上，通過動畫將系統(tǒng)的狀態(tài)變化呈現(xiàn)給用戶。

基于這樣的設計目標，SKY-GUI結(jié)構如圖1所示。

圖1 SKY-GUI的整體架構

它主要由輸入抽象層、顯示抽象層、事件系統(tǒng)和窗口系統(tǒng)四大部分組成。輸入抽象層管理所有的輸入設備，將用戶的操作轉(zhuǎn)化成消息送入事件系統(tǒng)。

顯示抽象層操作顯示設備，提供給窗口系統(tǒng)繪畫、貼圖、顯示字體接口。事件系統(tǒng)為窗口系統(tǒng)提供消息獲取、存儲和處理的機制。窗口系統(tǒng)是SKY-GUI的核心，定義了各種控件和窗口，描述它們之間的邏輯關系和消息循環(huán)關系。下面將分別對這四大組成部分的設計進行介紹。

2 SKY-GUI模塊設計

2. 1輸入抽象層

輸入抽象層為各種輸入設備對事件系統(tǒng)的輸入接口，它是一個單獨的線程，其流程如圖2所示。

圖2輸入抽象層流程。

輸入抽象層首先對GUI所需的各種輸入設備初始化，而后等待各個設備的輸入。當接到設備輸入，就把用戶對設備的操作翻譯成消息，送至事件系統(tǒng)最底層消息隊列(在異2. 3. 2詳細討論)中。

設備輸入的翻譯過程根據(jù)具體的輸入設備而定。對于鍵盤，只要將其鍵值和該鍵的狀態(tài)封成消息。對于鼠標，除了要記錄其按鍵狀態(tài)，還要根據(jù)鼠標當前的位置和屏幕的大小將輸入的位移分量轉(zhuǎn)化成鼠標的新位置封入消息。

2. 2顯示抽象層

顯示抽象層的作用是為窗口系統(tǒng)提供顯示接口函數(shù)，包括基本圖形接口(畫點、畫線、填充矩形、區(qū)域拷貝、Alpha混合等)、貼圖接口和字體接口三大功能，其結(jié)構如圖3所示。

圖3顯示抽象層的結(jié)構。

顯示抽象層在嵌入式Linux下的基礎設備為幀緩沖，對其按坐標寫入或讀出顏色值即可實現(xiàn)基本的圖形接口的功能。

簡單的貼圖功能用基本圖形接口加bmp格式的文件(圖片不經(jīng)過壓縮，其顏色分量按坐標順序存儲)就可以實現(xiàn)。為了讓界面更加美觀，SKY-GUI移植了開源的jpeg庫和png庫來解壓相應格式的壓縮圖片文件，實現(xiàn)了對這兩種圖片格式的支持。

對字體的支持當然必不可少。點陣字體把字體的位圖按12伊12、16伊16等格式存入二進制文件，可以比較容易地實現(xiàn)字體接口，但字體不能隨意放大縮小，且放大后字體有明顯的鋸齒。矢量字體用數(shù)學方程加字形上的關鍵點來描述字體，可以進行無級縮放，為界面的繪制帶來極大的靈活性。SKY-GUI移植了開源的Freetype庫，用其尋址矢量字體文件并生成字體位圖，實現(xiàn)了對矢量字體的支持。

2. 3事件系統(tǒng)

事件系統(tǒng)為SKY-GUI的其他三大部分提供消息發(fā)送、存儲、獲取和處理的功能。其核心為消息、消息隊列和消息處理函數(shù)。

2. 3. 1消息定義

SKY-GUI的消息定義為：

typedef STruct __MSG {

HWND hWnd;搖/ /窗口指針

int event;搖/ /事件編號

void* wParam;搖/ /事件附加參數(shù)1

void* lParam;搖/ /事件附加參數(shù)2

} MSG;

hWnd為指向窗口的指針，表明此消息需要發(fā)給哪個窗口。event為事件編號，用不同的整數(shù)代表不同的事件。wParam和lParam為事件的附加參數(shù)，它們的含義根據(jù)事件類型的不同而定，例如，在鼠標消息中這兩個參數(shù)就代表光標在屏幕上的坐標位置。

2. 3. 2消息隊列

消息隊列是事件系統(tǒng)中的消息的暫存處，它由一個環(huán)形先入先出結(jié)構的消息數(shù)組和一個消息鏈表組成。消息數(shù)組的空間是固定的，一旦被寫滿，后來的消息只好被丟棄;而消息鏈表則可以動態(tài)擴充大小。在SKY-GUI中，消息數(shù)組主要用來存放底層輸入設備的事件(如鼠標、鍵盤、時鐘等等)，而消息鏈表主要用來存放優(yōu)先級更高且不可丟棄的上層事件(窗口事件和顯示事件)。

2. 3. 3消息操作接口

SKY-GUI定義了三類消息操作接口：消息發(fā)送函數(shù)、消息獲取函數(shù)和事件處理函數(shù)。

消息發(fā)送函數(shù)為輸入抽象層和窗口系統(tǒng)提供消息發(fā)送接口，包括Post_Msg函數(shù)和Send_Msg函數(shù)，其作用都是向消息隊列發(fā)送消息，不同之處在于Post_Msg發(fā)送的消息存入消息隊列的數(shù)組之中，而Send_Msg發(fā)送的消息則存入鏈表之中。

消息獲取函數(shù)為Get_Msg函數(shù)，它為窗口提供取得消息的接口。擁有獨立線程的窗口(異2. 4會描述其結(jié)構)調(diào)用它從消息隊列中取得一個消息，其中存在鏈表中的消息更為重要，優(yōu)先取出。

事件處理函數(shù)是窗口處理消息事件的函數(shù)接口，在SKY-GUI中，擁有獨立線程的窗口調(diào)用Dispatch_Msg函數(shù)來實現(xiàn)對自己消息處理函數(shù)的調(diào)用。

2. 3. 4消息處理函數(shù)

Dispatch_Msg只是事件處理的調(diào)用接口，窗口收到消息后所采取的具體措施是由消息處理函數(shù)決定的，其定義為：

int WndProc(HWND hwnd， int event， void *wParam，void* lParam);

每一個窗口都有一個函數(shù)指針指向自己的消息處理函數(shù)，其功能根據(jù)不同的窗口有所不同，但總體結(jié)構是一樣的，如圖4所示。

圖4消息處理函數(shù)的結(jié)構

其本質(zhì)上是一個消息處理的分類列表。當窗口調(diào)用消息處理函數(shù)時，其根據(jù)消息類型的不同分別調(diào)用底層輸入消息、控件消息或顯示消息的處理函數(shù)，而后再根據(jù)具體的消息事件調(diào)用相應的處理函數(shù)，實現(xiàn)對各種事件的響應。

2. 4窗口系統(tǒng)

窗口系統(tǒng)為SKY-GUI系統(tǒng)的核心，它維護了一個完整的窗口列表，定義了窗口系統(tǒng)和事件系統(tǒng)之間的關系，并制定了窗口之間的消息傳遞機制。