基于嵌入式 Qt 的車載 GUI 平臺的設計

　　1 引言

　　隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展汽車已進入普通家庭，汽車用戶對車載娛樂系統(tǒng)的要求不斷地提高，希望汽車載娛樂系統(tǒng)的功能更加強大娛樂設施更加完美。嵌入式GUI(Graphical User InteRFace)可以滿足用戶需求，人機交互好，作為車載娛樂系統(tǒng)中人機交互界面的開發(fā)平臺，對整個系統(tǒng)的設計起著決定性作用，越來越受到開發(fā)者的青睞。目前比較流行的GUI平臺有Qt／Embedded、緊縮的X Windows系統(tǒng)、MicroWindows以及MiniGUI系統(tǒng)。

　　X Window系統(tǒng)是一個基于客戶／服務器(Client／Server)結(jié)構(gòu)的視窗系統(tǒng)，基于X的終端(服務器)上顯示出來。此系統(tǒng)配置在大多數(shù)的UNIX系統(tǒng)、DEC的VAX／VMS操作系統(tǒng)以及Linux系統(tǒng)中，可以自由拷貝以及傳播，但是系統(tǒng)龐大，占用內(nèi)核資源較多。MicroWindows是一個完全開放源碼、分層設計的經(jīng)典GUI系統(tǒng)，可以替代X Window系統(tǒng)，但是某些關(guān)鍵性代碼使用了匯編語言。MiniGUI系統(tǒng)適應于中小型企業(yè)的嵌入式GUI平臺，采用分層結(jié)構(gòu)，并在核心層采用hash表的方式。本文采用的Qt／Embedded也是分層體系結(jié)構(gòu)，在功能提供方面采用C++類方式。

　　2 嵌入式GUI的實現(xiàn)平臺

　　GUI是圖形用戶接口，一般用于PC機上人機交互界面的設計。而對于嵌入式GUI來說，由于嵌入式設備對資源的要求很嚴格，不同的嵌入式設備需要定制不同的嵌入式系統(tǒng)，那么對GUI的要求也就不一樣，因此，對于不同的嵌入式系統(tǒng)來說GUI也必須是可定制的。對于嵌入式的硬件來說，要求定制的嵌入式GUI應具有輕型、占用資源少、性能高、可靠性高、可配置等特點。由于Linux操作系統(tǒng)具有源碼公開性、可移植性、可裁剪性和靈活性等優(yōu)點，所以嵌入式GUI的開發(fā)常在Linux環(huán)境下進行。

　　Qt／Embedded是著名的Qt庫開發(fā)商正在進行的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本。它是專門為嵌入式系統(tǒng)設計圖形用戶界面的工具包，包括一個完整的窗口系統(tǒng)。它的特點是可移植性比較好，設計者能輕易的加入各種顯示設備和硬件輸入設備，很多基于Qt的XWindow都可以非常方便的移植到嵌入式版本。

　　Qt／Embedded為開發(fā)者提供了豐富的API調(diào)用功能，并公開源代碼。Qt／Embedded提供了非常豐富的窗口小部件(Widgets)，并且還支持窗口部件的定制，因此它可以為用戶提供漂亮的圖形界面，但同時豐富的窗口對象也增大了軟件的體積，所以，Qt／Embedded一般用于對運行環(huán)境不太苛刻的嵌入式設備中。

　　3 嵌入式Qt系統(tǒng)的特點

　　Qt／Embedded移植了大量的原來基于Qt的XWindows程序，并提供了非常完整的嵌入式GUI解決方案，是一個成熟的GUI平臺，具有如下特點：

　　(1)Qt遵循GPL協(xié)議，開放主要的源代碼，用戶可以在GPL的規(guī)定下自由添加新特性。

　　(2)與其他嵌入式GUI相比，嵌入式Qt不僅是一個完整的窗口系統(tǒng)，而且也是一個應用程序框架，這更有利于應用程序的開發(fā)。

　　(3)Qt具有豐富的API，包括多達250個以上的C++類，支持諸如對圖形、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、I／O操作、各種控件和XMI等眾多功能，可滿足大多數(shù)嵌入式應用系統(tǒng)開發(fā)的需要。

　　(4)Qt是一個GUI仿真工具包，它使用各自平臺上的低級繪圖函數(shù)仿真MS Windows和Motif(商用Llnix的標準GUI庫)，因此程序運行速度快。

　　(5)Qt良好的封裝機制使得Qt的模塊化程度非常高，可靠性好，易于程序開發(fā)。

　　基于Qt的這些特點，在本車載嵌入式娛樂系統(tǒng)的開發(fā)過程中，本文采用了嵌入式Qt作為圖形用戶界面開發(fā)的GUl支持平臺，有效提高了應用程序的開發(fā)速度。

　　4 基于嵌入式Qt的車載GUI的設計

　　4．1 基于嵌入式Qt的車載GUI的總體設計

　　基于Linux的車載娛樂系統(tǒng)運行環(huán)境如表l所示，底層由Linux內(nèi)核和驅(qū)動程序構(gòu)成。該內(nèi)核是經(jīng)過裁減過的嵌入式Linux2．4，其中包括電源管理系統(tǒng)；驅(qū)動程序提供對各種接口硬件的支持；中間層是基于QT／Embedded的嵌入式Qt庫。它精簡和優(yōu)化了各種圖形操作，程序運行時無需額外系統(tǒng)的支持，可以有效減少內(nèi)存消耗和CPU負擔。QT／Embedded本身是可擴展的，并能不斷地升級。開發(fā)人員可以根據(jù)自己所面對的嵌入式設備的實際需要，對其進行適當?shù)牟脺p，經(jīng)過裁減所得到的QT／Embedded可以大約節(jié)約800k到3MB的內(nèi)存空間，這樣也就意味著用Qt開發(fā)比用其他工具包開發(fā)相同的應用程序，在生成可執(zhí)行文件后，代碼所占用的內(nèi)存空間要小。最頂層是整個車載娛樂應用系統(tǒng)，它是實現(xiàn)車載娛樂具體功能的應用集合。

　　基于嵌入式Qt的車載嵌入式娛樂系統(tǒng)軟件，最大限度的滿足了車載視聽娛樂的要求。提供視頻播放、音頻播放等多媒體軟件，個人信息管理軟件，無線網(wǎng)絡服務等。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖l所示。

　　4．2 基于嵌入式Qt的窗口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

　　本文設計的上層GUI窗口系統(tǒng)采用了客戶／服務器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該窗口系統(tǒng)包括：一個服務器進程、一個或者多個客戶進程。服務器負責為客戶和本身分配顯示區(qū)域，生成鼠標、鍵盤或者觸摸屏事件，它通常包含那些啟動客戶的用戶界面。而客戶則通過與服務器通信來申請顯示區(qū)域，接受鼠標或觸摸屏事件?？蛻艨梢灾苯釉L問所分配的顯示區(qū)域，以便為用戶提供GUI服務。服務器和客戶通過共享內(nèi)存的方式來傳遞所分配顯示區(qū)域上的信息。窗口系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　服務器(進程)維護著一組區(qū)域，當窗口被創(chuàng)建、移動、改變大小和破壞時，通過這組區(qū)域來改變每個客戶的申請。該區(qū)域存放在共享內(nèi)存中，在執(zhí)行繪圖操作時，客戶可以從中讀取信息；服務器連接著一些系統(tǒng)設備，如鼠標、鍵盤或者觸摸屏，服務器負責將這些設備所產(chǎn)生的事件發(fā)送到適當?shù)目蛻暨M程。服務器能夠生成一個設備獨立的鼠標或鍵盤事件，并將其發(fā)送到相應的客戶進程。觸筆設備通常沒有鼠標光標，但是觸筆操作能轉(zhuǎn)化為設備獨立的鼠標事件，然后由客戶以標準事件進行處理。

　　嵌入式Qt為客戶(進程)提供API，當客戶使用Qt API畫線時，QT/Embedded庫能直接訪問顯存，完成畫線工作；在一些情況下嵌入式Qt客戶庫需要與服務器進程建立連接，如在客戶進程啟動時，發(fā)生了會影響到全局后果的操作而與服務器通信時。例如，當客戶進行了拖放操作后，由于窗口覆蓋而導致顯示區(qū)域的變化，則從用戶那里接收到鼠標和鍵盤事件時就需要建立這樣的連接；嵌入式Qt客戶庫負責處理所有的繪畫操作，包括文本顯示和字體處理等。

　　4．3 基于嵌入式Qt的事件響應設計

　　在前述的客戶／服務器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，每個鍵的按下、釋放都以QWSKeyEvent事件發(fā)出。一個QWSKeyEvent事件通常包括以下各域：

• 　　Unicode：Unicode值。
• 　　Keycode：Qt鍵碼值，定義在qnamespace．h頭文件中。
• 　　Modifier：位域， 包括Qt：：ShiftButton，Qt：：ControlButton和Qt：：AltButton。
• 　　Is press：鍵按下時為真，釋放時為假。
• 　　Is auto repeat：鍵處于自動重復狀態(tài)時為真。

　　嵌入式Qt處理鍵事件的過程為：鍵盤驅(qū)動程序負責從設備中讀取數(shù)據(jù)，并將鍵事件發(fā)送到服務器中。當服務器從鍵盤驅(qū)動程序接收到一個鍵事件時，它首先要經(jīng)過一個事件過濾器，然后再將其發(fā)送至每個客戶進程，最后由客戶進程負責處理鍵事件，并將其發(fā)送到適當?shù)拇翱?。具體流程如圖3所示。

　　這里，鍵事件未必都來自鍵盤設備，包括觸摸屏，觸筆都可以產(chǎn)生鍵事件。服務器在任何時候都可以調(diào)用函數(shù)QWSServer：：sendKeyEvent()產(chǎn)生鍵事件。根據(jù)這個特點，再結(jié)合事件過濾器的特性，便可構(gòu)造出所需的輸入服務器平臺。

　　在Qt中，一個事件通過調(diào)用QObject：：event()被發(fā)送到繼承自QObject的對象。事件發(fā)送就是一個事件已經(jīng)產(chǎn)生，由QEvent正好去表達，且QObject需要去回應。多數(shù)事件來自窗口系統(tǒng)類QWidget，如QMouseEvent，QkeyEvent事件。某些事件來自其他源頭，如QTimerEvent，而某些來自應用程序，Qt會一視同仁的處理。

　　事件過濾器在目標對象處理之前去處理事件。過濾器通過調(diào)用QObject：：eventFilter()實現(xiàn)，它可以接受或丟棄過濾，也可容許或拒絕進一步去處理事件。如果所有的事件過濾器允許進一步的處理事件，事件自己就被送達目標對象。本文在服務器進程中安排事件過濾器，接收鍵事件，經(jīng)過處理后，將結(jié)果發(fā)送到客戶進程。在客戶進程中，處理鍵事件，并發(fā)送到適當?shù)拇翱谥小?/P>

　　5 結(jié)語

　　嵌入式Linux是目前流行的嵌入式系統(tǒng)解決方案，而嵌入式GUI是嵌入式Linux不可缺少的組成部分。本文通過分析、比較目前流行的幾種嵌入式GUI，選擇了嵌入式Qt作為研究對象并對其進行了深入討論，在此基礎(chǔ)上完成了基于嵌入式Qt的車載GUI的設計和實現(xiàn)，具有較高的經(jīng)濟價值，并可為其他嵌入式娛樂系統(tǒng)提供參考價值。