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，影響著用戶對產品的購買意愿和使用感受。

當前嵌入式系統(tǒng)中GUI的實現方式主要有兩種：一是采用現有的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.本文的結構如下：第1部分介紹SKY-GUI的基本結構;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果;最后總結。

1 SKY-GUI基本結構

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)變化呈現給用戶。

基于這樣的設計目標，SKY-GUI結構如圖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)，還要根據鼠標當前的位置和屏幕的大小將輸入的位移分量轉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，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，其結構如圖3所示。

圖3顯示抽象層的結構。

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(圖片不經過壓縮，其顏色分量按坐標順序存儲)就可以實現。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。

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1

void* lParam;搖/ /事件附加參數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，用不同的整數代表不同的事件。wParam和lParam為事件的附加參數，它們的含義根據事件類型的不同而定，例如，在鼠標消息中這兩個參數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)形先入先出結構的消息數組和一個消息鏈表組成。消息數組的空間是固定的，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、消息獲取函數和事件處理函數。

消息發(fā)送函數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函數和Send_Msg函數，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。

消息獲取函數為Get_Msg函數，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會描述其結構)調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。

事件處理函數是窗口處理消息事件的函數接口，在SKY-GUI中，擁有獨立線程的窗口調用Dispatch_Msg函數來實現對自己消息處理函數的調用。

2. 3. 4消息處理函數

Dispatch_Msg只是事件處理的調用接口，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指針指向自己的消息處理函數，其功能根據不同的窗口有所不同，但總體結構是一樣的，如圖4所示。

圖4消息處理函數的結構

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

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。