MiniGUI在HDTV SoC平臺上的移植

1．引言：
嵌入式系統(tǒng)功能的日益強(qiáng)大使得在嵌入式產(chǎn)品中包含圖形界面功能成為一種趨勢。但是嵌入式系統(tǒng)有著面向特定應(yīng)用、實(shí)時(shí)、高效等特點(diǎn)，對系統(tǒng)資源的利用受自身?xiàng)l件的限制，對GUI有著輕型，高可靠性，高穩(wěn)定性等要求。

高清數(shù)字電視解碼平臺HDTV SoC是由上海交通大學(xué)自行研究開發(fā)的，以數(shù)字電視機(jī)頂盒為應(yīng)用背景的嵌入式單片系統(tǒng)。在硬件平臺構(gòu)建和操作系統(tǒng)移植的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)對友好的界面提出了更高的要求。在有限的系統(tǒng)資源和高效的實(shí)時(shí)性能等條件約束下，如何為該平臺提供GUI的支持成為了一個(gè)難點(diǎn)。

MiniGUI是一種面向?qū)崟r(shí)嵌入式系統(tǒng)的輕量級圖形界面支持系統(tǒng)，具有小巧，高效，可移植性好等特點(diǎn)。針對HDTV SoC平臺的硬件特點(diǎn)和MiniGUI體系結(jié)構(gòu)的特性，本文提出了移植MiniGUI來建立圖形界面的方法，并且通過實(shí)踐驗(yàn)證了該方法的可行性。

2．HDTV SoC平臺和MiniGUI:

HDTV SoC 是用于高清數(shù)字電視信號接收端的解碼平臺。如圖1所示：該平臺包含以下功能模塊：傳輸流解復(fù)用(TSD)，系統(tǒng)控制,音頻解碼、視頻解碼，視頻處理，顯示后處理(OSD)，以及串口等外圍設(shè)備。視頻支持MPEG－II高清和標(biāo)清解碼，音頻支持AAC、AC3、MP3、MP2格式。該系統(tǒng)內(nèi)嵌兩顆MIPS CPU分別用作系統(tǒng)控制和音頻解碼, 設(shè)計(jì)時(shí)鐘為108MHz，含有32M SDRAM，8M FLASH。

在HDTV SoC平臺上建立圖形界面，需要分別利用串口模塊（UART）和顯示后處理模塊（OSD）作為輸入和輸出設(shè)備。充分而高效地將顯示后處理模塊(OSD)的功能與上層軟件有機(jī)結(jié)合是有效建立圖形界面的關(guān)鍵。

MiniGUI是一種針對嵌入式設(shè)備的，跨操作系統(tǒng)的輕量級圖形界面支持系統(tǒng)。作為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的中間件，MiniGUI隱藏了底層操作系統(tǒng)與硬件平臺的差別，為上層應(yīng)用程序提供了一致的功能特性。

MiniGUI具有良好的軟件架構(gòu)，通過可移植層（Portable Layer）將MiniGUI上層和底層操作系統(tǒng)隔離開來；可移植層可將特定操作系統(tǒng)及底層硬件的細(xì)節(jié)隱藏起來，而上層應(yīng)用程序無需關(guān)心底層硬件平臺的輸入和輸出。作為國內(nèi)廣泛應(yīng)用的嵌入式圖形界面中間件產(chǎn)品，相對與其它嵌入式GUI系統(tǒng)，MiniGUI有以下優(yōu)勢：1.輕型，占用資源少。2.高性能，高可靠性。3.可配置。4.可伸縮性強(qiáng)。5.跨操作系統(tǒng)支持

3．移植MiniGUI:
MiniGUI的體系結(jié)構(gòu)可表示如下圖：

圖2 MiniGUI的體系結(jié)構(gòu)

如圖3所示，MiniGUI從上到下包括應(yīng)用程序，核心層，可移植層（圖形與輸入設(shè)備抽象層）以及輸入輸出設(shè)備層。其中，圖形引擎（GAL）和輸入引擎（IAL）一起構(gòu)成可移植層?？梢浦矊訛樯蠈犹峁┝私y(tǒng)一的輸入輸出的抽象接口，從而增強(qiáng)了MiniGUI的可移植性。移植MiniGUI主要是根據(jù)具體的硬件平臺對可移植層及以下各層作相應(yīng)的修改，大致包括三方面工作。

首先，定制圖形引擎。MiniGUI可以支持包括SVGALib 和 LibGGI在內(nèi)的多種圖形引擎，另外還自帶了基于framebuffer設(shè)備的私有圖形引擎。相對于其他圖形引擎，私有引擎專為Linux平臺上的MiniGUI而設(shè)計(jì)，有更好的性能和顯示效果，因此在Linux平臺上被廣泛采用。但是該引擎需要Linux內(nèi)核中包含對顯示設(shè)備的framebuffer驅(qū)動的支持。針對HDTV SoC平臺，如果我們采用MiniGUI的私有圖形引擎，就需要在Linux內(nèi)核中添加基于OSD硬件的framebuffer驅(qū)動程序。

其次，定制輸入引擎。不同的平臺在輸入引擎上差別較大。HDTV SoC平臺采用UART作為輸入設(shè)備，所以輸入引擎要基于UART，將UART得到的外部信息轉(zhuǎn)換為上層應(yīng)用程序能夠理解和識別的信息格式。

最后，需要根據(jù)平臺特性和應(yīng)用需求對MiniGUI進(jìn)行功能配置。

我們將圖3中的圖形設(shè)備（Graphic Device）和輸入設(shè)備(Input Device)替換為具體的驅(qū)動程序及相應(yīng)的硬件設(shè)備可得出MiniGUI在HDTV SoC平臺上實(shí)現(xiàn)的具體框圖如圖4所示：

經(jīng)過以上分析之后，我們更加明確了移植所要做的工作，并且可進(jìn)一步將整個(gè)移植過程分為三階段：第一，開發(fā)和調(diào)試基于OSD硬件的framebuffer驅(qū)動程序，并且調(diào)試圖形引擎，這是整個(gè)移植過程中最為關(guān)鍵的一步；第二，定制和調(diào)試基于UART設(shè)備的輸入引擎；第三，開發(fā)自己的應(yīng)用程序，并且交叉編譯和配置整個(gè)MiniGUI。

首先，我們需要開發(fā)針對HDTV SoC 平臺上OSD硬件設(shè)備的framebuffer驅(qū)動程序。framebuffer機(jī)制定義了一組與顯示設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作，對顯示設(shè)備的幀緩存進(jìn)行了軟件抽象，為上層提供了統(tǒng)一的訪問接口，屏蔽了底層硬件的細(xì)節(jié)。應(yīng)用程序?qū)υ摻M數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作進(jìn)行訪問，就可以實(shí)現(xiàn)對不同顯卡硬件的訪問操作。減少依賴于顯卡的代碼量，同時(shí)增加了這部分代碼的可移植性。另外，framebuffer機(jī)制將顯存從內(nèi)核空間映射到進(jìn)程空間，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程空間對顯存的直接訪問，提高了顯示效率。

如果MiniGUI采用基于framebuffer設(shè)備的私有圖形引擎，首先需要在內(nèi)核中添加framebuffer設(shè)備驅(qū)動。framebuffer設(shè)備的實(shí)現(xiàn)主要依賴于四個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

fb_fix_screeninfo用來表示與顯示設(shè)備無關(guān)的常值信息，這些信息在設(shè)備初始化時(shí)指定，應(yīng)用程序可以通過借口函數(shù)來訪問這些信息，但是不允許改變它們。

fb_var_screeninfo用來表示與顯示設(shè)備無關(guān)的變量信息與特定顯示模式。應(yīng)用程序可以調(diào)用相應(yīng)的借口來訪問和修改這些信息。

fb_ops是供上層調(diào)用的一組函數(shù)接口。全部的framebuffer操作最后都要通過該接口來完成。

fb_info 是常規(guī)信息，API以及幀緩沖設(shè)備的底層信息。該結(jié)構(gòu)只能被用于內(nèi)核中，前面三個(gè)結(jié)構(gòu)均可通過外部接口查看。

在驅(qū)動程序中實(shí)現(xiàn)了上述四個(gè)結(jié)構(gòu)之后，一個(gè)簡單得framebuffer驅(qū)動程序即宣告完成。將該驅(qū)動程序作為模塊加載之后，就可以進(jìn)行調(diào)試，直到輸出正常。

在framebuffer驅(qū)動程序完成之后，接下來需要定制輸入引擎。MiniGUI通過INPUT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示輸入引擎。MiniGUI維護(hù)著一個(gè)由所有輸入引擎組成的輸入引擎數(shù)組，每個(gè)數(shù)組項(xiàng)對應(yīng)著一個(gè)輸入引擎。如果該數(shù)組中沒有與該平臺對應(yīng)的項(xiàng)，就需要在其中添加對應(yīng)的輸入引擎。由于SoC平臺只能通過UART和用戶進(jìn)行交互，所以輸入引擎以UART為基礎(chǔ)。通過把UART的消息轉(zhuǎn)換為鍵盤上相應(yīng)的按鍵，再送給MiniGUI應(yīng)用程序。

在圖形引擎和輸入引擎的定制完成之后，最后需要對MiniGUI的源代碼進(jìn)行交叉編譯和安裝。到這里，整個(gè)移植工作基本結(jié)束。在此基礎(chǔ)上，我們還可以在MiniGUI平臺上開發(fā)自己的應(yīng)用程序。

4．總結(jié)：
本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn)：在SoC平臺上建立GUI界面需要充分考慮系統(tǒng)性能，資源以及GUI系統(tǒng)本身的資源消耗，移植開源軟件通常是最經(jīng)濟(jì)，最簡便的辦法。移植工作主要是建立GUI系統(tǒng)與輸入輸出硬件的映射，在必要的時(shí)候需要根據(jù)GUI系統(tǒng)要求為底層硬件開發(fā)專用的驅(qū)動程序。由于MiniGUI在SoC芯片上的應(yīng)用還比較少，所以本次移植工作不僅驗(yàn)證了移植方法的可行性，對于如何為MiniGUI在機(jī)頂盒中的應(yīng)用,以及對于如何在受到資源和性能約束的嵌入式系統(tǒng)中建立圖形界面，均具有一定的借鑒意義