嵌入式多任務(wù)GUI的通用解決方案

嵌入式GUI(Graphic Uset Interface)系統(tǒng)就是在嵌入式系統(tǒng)中為特定的硬件設(shè)備或環(huán)境而設(shè)汁的圖形用戶界面系統(tǒng)。調(diào)查顯示，越來越多具有靈活性、高效性和可移植性的嵌入式GUI系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于辦公自動(dòng)化、消費(fèi)電子、通信設(shè)備、智能儀器等許多領(lǐng)域；而且隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，要求GUI實(shí)現(xiàn)的功能越來越豐富，GUI系統(tǒng)也變得比以往更加復(fù)雜、多樣。
大多數(shù)的嵌入式GUI系統(tǒng)都只能簡(jiǎn)單地支持單任務(wù)。單任務(wù)GUI的效率較低，無法滿足未來GUI的發(fā)展需求，故多任務(wù)GUI是嵌入式GUI的發(fā)展方向。
目前，在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域比較成功的嵌入式多任務(wù)GUI系統(tǒng)主要有：MiniGUI、MicroWindows和Qt／Em-bedded。它們主要是針對(duì)嵌入式Linux而設(shè)計(jì)的，通過PThrred庫(kù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)多線程的支持；而PThred本身就比較復(fù)雜，很難將這些GUI系統(tǒng)移植到平臺(tái)接口不符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)平臺(tái)上。所以，上述幾種GUI系統(tǒng)有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是過分地依賴于某種特定的平臺(tái)，導(dǎo)致可移植性差。
為了有效地兼容嵌入式領(lǐng)域的各種環(huán)境，下面提出一種通用、有效并且可移植性好的嵌入式GUI體系結(jié)構(gòu)，并對(duì)多任務(wù)GUI設(shè)汁中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 體系結(jié)構(gòu)
針對(duì)GUI需要非常強(qiáng)的靈活性，可移植性和可伸縮性的特點(diǎn)，在其體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，采用層次化、模塊化和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想。層次式的體系結(jié)構(gòu)在許多軟件系統(tǒng)中被采用，被公認(rèn)為是一種合理的結(jié)構(gòu)，但最重要的是如何來劃分這些層次，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最合理、最清晰。
在設(shè)計(jì)中采用如下劃分策略：力求層次之間相對(duì)獨(dú)立，對(duì)任一層的改動(dòng)保證它對(duì)上層的接口不變，上層不受下層變化的影響。在這樣的層次結(jié)構(gòu)中，最底層和最高層都可能根據(jù)具體需要發(fā)生改變，因此應(yīng)該為這兩層提供充分的變動(dòng)空間，而中間的層次則應(yīng)是獨(dú)立不變的。
GUI在嵌入式應(yīng)用環(huán)境中，硬件環(huán)境、操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序之間的層次如圖1所示。圖1中，通過驅(qū)動(dòng)程序，GUI組件部分與硬件隔離；通過操作系統(tǒng)抽象層，使核心與具體操作系統(tǒng)隔離。這種層次體系結(jié)構(gòu)使得GUI具有良好的平臺(tái)無關(guān)性，在不同的操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)之間的移植非常方便。按上述設(shè)計(jì)思想，GUI層次模型劃分如圖2所示。圖中，GUI被劃分為3層，每一層義根據(jù)具體功能的不同被劃分為幾個(gè)模塊。

1.1 輸入輸出層
這一層的功能是將系統(tǒng)中設(shè)備和操作系統(tǒng)平臺(tái)的具體細(xì)節(jié)屏蔽起來。該設(shè)備層被定義在BSP中，向上提供GUI對(duì)沒備的顯示特性操作。該層分為設(shè)備邏輯和硬件抽象兩個(gè)子層。設(shè)備邏輯子層使用同一類設(shè)備的概念來描述GUI支持的外部設(shè)備及對(duì)該設(shè)備的邏輯操作，向上層提供了統(tǒng)一的設(shè)備操作接口；而硬件抽象子層則利用實(shí)際的設(shè)備控制器操作，根據(jù)硬件在不同平臺(tái)上的驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)硬件抽象子層中定義的接口。
1.2 窗口核心層
窗口核心層實(shí)現(xiàn)GUI的關(guān)鍵功能，根據(jù)功能可劃分為消息管理、緩沖池管理、作圖管理、定時(shí)器、資源管理、對(duì)象管理、子屏管理和內(nèi)存堆管理等幾部分。
由于GUI采取消息驅(qū)動(dòng)的通信方式，因此消息管理構(gòu)成GUI的靈魂，通過它把系統(tǒng)的各個(gè)部分聯(lián)系起來。在應(yīng)用程序的運(yùn)行過程中，消息承載了系統(tǒng)各部分間的交換信息。
內(nèi)存堆管理：目的是避免在系統(tǒng)運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)分配和釋放內(nèi)存時(shí)引起存儲(chǔ)碎片。兩個(gè)比較頻繁的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配操作是消息空間的申請(qǐng)／釋放和屏幕對(duì)象剪切域的刷新。
作圖管理：完成畫點(diǎn)、畫線、畫圓等作圖操作。為了提高GUI的移植性，這層主要完成與硬件無關(guān)的作圖過程。對(duì)具有特殊顯示功能的應(yīng)用平臺(tái)來說，此層也可以大量調(diào)用硬件提供的功能函數(shù)(經(jīng)輸出硬件無關(guān)層包裝后的接口)，從而實(shí)現(xiàn)特殊的作圖效果。GUI在結(jié)構(gòu)上提供了這種靈活性。作圖管理層向上以作圖原語(yǔ)集的形式為應(yīng)用提供調(diào)用接口。
定時(shí)器：根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘來為應(yīng)用提供計(jì)數(shù)信息。
資源管理：主要對(duì)字體、圖片和調(diào)色板等進(jìn)行管理，需要實(shí)現(xiàn)資源的存儲(chǔ)以及為應(yīng)用提供適當(dāng)?shù)慕涌趦纱蠊δ堋?BR> 對(duì)象管理：采取合理的機(jī)制來組織在屏幕上顯示的對(duì)象。GUI把所有能在屏幕上顯示的GUI元素稱為“對(duì)象”，并通過對(duì)象樹、Z序和剪切域等機(jī)制來實(shí)現(xiàn)對(duì)象的管理。窗口核心層還為應(yīng)用提供了添加、刪除、隱藏對(duì)象等操作接口函數(shù)。
1.3 應(yīng)用接口層
應(yīng)用接口層封裝了GUI為用戶提供的一切接口，應(yīng)用程序看到的GUI就是此層提供的所有接口函數(shù)，包括工具箱、作圖原語(yǔ)集和對(duì)象操作集等3部分。
工具箱：GUI為用戶提供的控件集。這部分的大小是可根據(jù)應(yīng)用的需要調(diào)整的，從而也在較大程度上影響了GUI庫(kù)的大小。常用的控件有按鈕、滾動(dòng)條、窗口和編輯框等。
作圖原語(yǔ)集：作圖管理層提供的繪圖函數(shù)接口。工具箱也是在它的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。
對(duì)象操作集：主要實(shí)現(xiàn)GUI對(duì)象的添加和刪除等操作功能。

2 多任務(wù)GUI關(guān)鍵技術(shù)分析
本文中提到的“任務(wù)”，在同一個(gè)地址空間執(zhí)行并且可以無約束地直接訪問所有的共享資源。下面對(duì)多任務(wù)GUI設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。
2.1 多任務(wù)調(diào)度策略及管理
多任務(wù)系統(tǒng)需要一個(gè)合理的任務(wù)調(diào)度策略來管理所有的任務(wù)。啟動(dòng)GUI后，會(huì)默認(rèn)產(chǎn)牛一個(gè)系統(tǒng)任務(wù)、一個(gè)事件任務(wù)和一個(gè)定時(shí)器任務(wù)；而應(yīng)用任務(wù)的產(chǎn)生則要根據(jù)具體的用戶需求。
(1)系統(tǒng)任務(wù)
桌面對(duì)象運(yùn)行的任務(wù)稱為“系統(tǒng)任務(wù)”。系統(tǒng)任務(wù)是整個(gè)圖形用戶系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心。它不斷地從系統(tǒng)的主消息隊(duì)列中取消息，并按消息的目的和用途將其派發(fā)到對(duì)應(yīng)的目的任務(wù)；同時(shí)負(fù)責(zé)所有應(yīng)用任務(wù)的管理和維護(hù)以及桌面管理等事務(wù)。一個(gè)系統(tǒng)中僅有一個(gè)系統(tǒng)任務(wù)。
(2)事件任務(wù)
事件任務(wù)負(fù)責(zé)收集外部事件，并將事件解釋為與之對(duì)應(yīng)的GUI消息，并放入系統(tǒng)的主消息隊(duì)列中。用戶的輸入正是從這里傳人GUI核心進(jìn)行處理。一般情況下，一個(gè)系統(tǒng)中僅有一個(gè)事件任務(wù)。
(3)定時(shí)器任務(wù)
定時(shí)器任務(wù)是通過操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生GUI定時(shí)器的。
(4)應(yīng)用任務(wù)
除系統(tǒng)任務(wù)之外，窗口所運(yùn)行的其他任務(wù)稱為“應(yīng)用任務(wù)”。應(yīng)用任務(wù)是用戶程序運(yùn)行的基本單位。應(yīng)用邏輯都在此任務(wù)中運(yùn)行，擁有自己的消息隊(duì)列，接收來自GUI核心的消息，按一定規(guī)則獨(dú)立進(jìn)行消息循環(huán)。應(yīng)用任務(wù)通過消息與系統(tǒng)任務(wù)交互，受系統(tǒng)任務(wù)的管理；通過應(yīng)用接口層使用系統(tǒng)的軟硬件資源。應(yīng)用任務(wù)的上限數(shù)目?jī)H受平臺(tái)的資源數(shù)目限制。
在嵌入式GUI中，系統(tǒng)任務(wù)被賦予最高的優(yōu)先權(quán)，其他任務(wù)可使用低于系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的不同優(yōu)先級(jí)；相同優(yōu)先級(jí)應(yīng)采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式運(yùn)行?？傊绻斜匾?，則嵌入式GUI系統(tǒng)會(huì)同時(shí)采取時(shí)間片輪轉(zhuǎn)和優(yōu)先級(jí)搶占的任務(wù)調(diào)度策略，如圖3所示。

在沒有消息到達(dá)或者在等待某個(gè)事件時(shí)，任務(wù)需要將自己掛起。一旦有消息進(jìn)入消息隊(duì)列，任務(wù)將會(huì)被喚醒以處理消息。這樣，有限的CPU資源就能夠被充分地利用。
此外，系統(tǒng)任務(wù)維護(hù)一個(gè)用于跟蹤及管理應(yīng)用任務(wù)的列表。每一個(gè)應(yīng)用任務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)包含其屬性信息的任務(wù)信息塊。任務(wù)屬性包括消息隊(duì)列指針、任務(wù)句柄和任務(wù)入口等，對(duì)指定任務(wù)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。一個(gè)信息塊的創(chuàng)建與銷毀必須與應(yīng)用任務(wù)的創(chuàng)建與銷毀保持同步。系統(tǒng)任務(wù)必須維護(hù)該列表，以保證這些信息塊的正確性。多任務(wù)管理機(jī)制如圖4所示。
對(duì)用戶來說，只需要簡(jiǎn)單地指定任務(wù)的入口和優(yōu)先級(jí)(如果有必要的話)，其他所有的工作都由系統(tǒng)任務(wù)自動(dòng)完成。采用這種調(diào)度和管理方法，能使系統(tǒng)變得更加易用和高效。
2．2 消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制
消息機(jī)制的提出，最初是為了解決早期程序設(shè)計(jì)中基于硬件中斷的事件處理問題。中斷事件的發(fā)生足不可預(yù)期的、突發(fā)性的，因此當(dāng)有多個(gè)應(yīng)用等待并處理中斷事件時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問題。消息機(jī)制可以很好地解決事件驅(qū)動(dòng)的多應(yīng)用設(shè)計(jì)問題，并且可以形成一種處理多個(gè)系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內(nèi)部件和部件之問關(guān)系的簡(jiǎn)潔而且可靠的方法。
在只支持單任務(wù)的GUI系統(tǒng)中只有一個(gè)串行化的消息隊(duì)列，消息嚴(yán)格地按照順序處理，導(dǎo)致響應(yīng)慢、效率低，故有必要采用并行化的消息隊(duì)列。當(dāng)一個(gè)隊(duì)列中的消息忙于處理一個(gè)冗長(zhǎng)工作時(shí)，輸入焦點(diǎn)能夠切換到另外一個(gè)隊(duì)列。
系統(tǒng)維護(hù)一個(gè)系統(tǒng)消息隊(duì)列和多個(gè)指定任務(wù)信息隊(duì)列，每個(gè)指定任務(wù)信息隊(duì)列對(duì)應(yīng)一個(gè)應(yīng)用任務(wù)，如圖5所示。事件任務(wù)將輸入轉(zhuǎn)化成消息并將其放入系統(tǒng)消息隊(duì)列中，系統(tǒng)任務(wù)檢索到輸入消息后首先會(huì)對(duì)該消息進(jìn)行檢查，然后將消息郵寄給目標(biāo)應(yīng)用任務(wù)或直接對(duì)消息進(jìn)行處理。每個(gè)應(yīng)用任務(wù)從它的消息隊(duì)列中移出消息，并將其發(fā)送到適當(dāng)?shù)拇翱诔绦蛑羞M(jìn)行處理。一個(gè)應(yīng)用任務(wù)可以將消息郵寄到它自己的消息隊(duì)列，也可以郵寄到其他應(yīng)用任務(wù)的消息隊(duì)列中。

此外，為了達(dá)到不同的目的，系統(tǒng)提供了同步和異步兩種基本類型的消息。
2.3 桌面及窗口管理
屏幕中的窗口通常是相互覆蓋，而且它們的相對(duì)位置也在不斷地變動(dòng)。這些窗口有可能分別屬于不同的任務(wù)，但共享一個(gè)相同的屏幕。所以，如何方便并有效地計(jì)算和維護(hù)窗口便顯得很重要。
首先介紹2個(gè)概念：全局剪切域和窗口剪切域。它們都與應(yīng)用任務(wù)相關(guān)，前者指出哪些區(qū)域占據(jù)屏幕，后者給出在相同的應(yīng)用任務(wù)中所有對(duì)象的剪切關(guān)系。
系統(tǒng)任務(wù)除了要維護(hù)它自己的剪切域外，還要負(fù)責(zé)管理所有應(yīng)用任務(wù)的全局剪切域，如圖6所示。一旦窗口位置發(fā)生變化，系統(tǒng)任務(wù)必須更新信息并且通知應(yīng)用任務(wù)作出相應(yīng)的變動(dòng)。另一方面，在計(jì)算窗口剪切域時(shí)，應(yīng)用任務(wù)只須關(guān)心它本身而不受其他任務(wù)的影響，好像整個(gè)屏幕只有它一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行。至于最后實(shí)際的剪切結(jié)果，只需將全局剪切和窗口剪切結(jié)果進(jìn)行“與”運(yùn)算。

2.4 Z序和對(duì)象樹
Z序?qū)嶋H定義了屏幕中對(duì)象集(可顯窗口)之間的層次關(guān)系。GUI用戶可以通過選擇要被置于前端的窗口來改變Z序。很多GUI系統(tǒng)將Z序當(dāng)作一個(gè)帶有指定運(yùn)算集的顯式列表來實(shí)現(xiàn)。然而，在嵌入式GUI系統(tǒng)中不用這種方式，而是通過對(duì)象樹來說明這些GUI對(duì)象之間的層次關(guān)系和Z序。理論上，每一個(gè)GUI對(duì)象都有父親、孩子和兄弟。因此，所有顯示在屏幕上的對(duì)象便構(gòu)成一棵以桌面為根節(jié)點(diǎn)的倒置樹。對(duì)樹進(jìn)行“后根遍歷”就能夠容易地得到Z序。
圖7描述了對(duì)象樹的建立過程。對(duì)象樹的采用極大地簡(jiǎn)化了桌面管理，能夠在不增加額外工作的情況下方便地組合對(duì)象和實(shí)現(xiàn)Z序管理。

3 小 結(jié)
將來的GUI系統(tǒng)將越來越復(fù)雜，要求GUI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能也越來越豐富，這就需要一個(gè)更加開放且伸縮性好的體系結(jié)構(gòu)。本文提出的嵌入式GUI體系結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的靈活性，且可移植性好，能夠很好地應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域的各種環(huán)境。