Microwindows-嵌入式linux的新一代圖形界面

引言

在進入后PC時代以后，嵌入式設備以一種無法抑制的迅猛速度普及和發(fā)展到日常生活及工作當中，眾多知名開發(fā)商為了搶占市場和爭奪利潤，競相推出各種性能優(yōu)異的軟硬件及內核芯片。鑒于以視窗為代表的桌面操作模式取得巨大成功，該模式目前已成為國內外開發(fā)者們在嵌入式設備中的首選方案。

近幾年，隨著Linux技術的興起，越來越多的企業(yè)和科研機構把目光轉向嵌入式Linux的開發(fā)和研究。Linux不僅具有桌面電腦的全部功能和特性，允許修改和根據(jù)用戶的要求進行定制，而且作為一種免費的開放式源碼，還支持目前在嵌入式設計領域中常用的新型微處理器，如StrongARM、MIPS以及PowerPC等，具有穩(wěn)定、高效、易定制、易裁減、硬件支持廣泛等特點。Microwindows是一個著名的開放式源碼的嵌入式GUI軟件，目的是把圖形視窗環(huán)境引入到運行Linux的小型設備和平臺上。作為X Window系統(tǒng)的替代品，Microwindows可用更少的RAM和文件存儲空間（100K～600KB）提供相似的功能，允許設計者輕松加入各種顯示設備、鼠標、觸摸屏和鍵盤等；可移植性非常好，可用C語言和少部分匯編語言實現(xiàn)，支持Intel 16位、32位CPU，MIPS R4000以及基于ARM內核的處理器芯片，有多種平臺支持Microwindows。


1 X Window的不足

由于使用了帶有TCP/IP結構的自由式開放源碼操作系統(tǒng)，使嵌入式設備進入了一個創(chuàng)新應用時代，不過這些新的應用需要考慮其資源環(huán)境，這是因為多數(shù)的嵌入式設備缺少硬件驅動和大的RAM。目前，在Linux系統(tǒng)中普遍使用X Window系統(tǒng)，如圖1所示。X Window是在20世界80年代早期由MIT、DEC等提出來的，是一個基于Client/Server結構的視窗系統(tǒng)；允許在任一臺UNIX主機（Clients——客戶端）上運行程序，而在基于X的終端（Server——服務器）上顯示出來。在這個過程中，相當一部分代碼用于確認主機和服務器上運行的Client/Server程序是否正常。目前，大多數(shù)X的客戶端和服務器是在同一臺機器上運行，X Window服務器經編譯后一般用于自動檢測硬件。服務器中還包含有眾多的畫圖函數(shù)，它們的位置根據(jù)執(zhí)行速度被位置在裁減層之上或之下。這些便利X Window過于臃腫和復雜，運行時需要至少8MB的內存空間。



2 Microwindows分析比較

對于大多數(shù)嵌入式設計，尤其是在運行專用圖形程序的場合，X Window不是一種恰當?shù)倪x擇。由此而發(fā)展起來的Microwindows是專門設計用于在小型設備上開發(fā)具有高品質圖形功能的開放式源碼桌面系統(tǒng)，有許多針對現(xiàn)代圖形視窗環(huán)境的功能部件。它的結構設計使其可方便地加入不同的顯示、鼠標、觸屏以及鍵盤等設備。Microwindows基于2.2.0版本的Linux系統(tǒng)如圖2所示。


其內核所包含的代碼允許用戶程序將圖形顯示的內存空間作為framebuffer進行存取操作，這樣在用戶程序空間中可作為內存映射區(qū)域來直接控制圖形顯示，可使得用戶在編寫圖形程序的時候不再需要去了解底層硬件，這是目前Microwindows在嵌入式系統(tǒng)中被很多人使用的原因。

在設計Microwindows時沿用了已有的兩個圖形應用程序接口（API）：一是Microsoft Windows中Win32/WinCE的圖形設備接口（GDI），它適用于所有Windows CE和Win32的應用程序；另外就Nano-X(Xlib-like界面)，它與GDK非常相似，用在Linux上，是像X的API，用于占用資源少的應用程序。這使得熟悉Windows或者是Linux X11的用戶可在熟悉的環(huán)境下開發(fā)圖形應用程序。 Microwindows在運行過程中僅需要50～250KB的內存空間，遠小于X Windows系統(tǒng)所需空間。這主要是因為Microwindows對于在驅動層的每一個繪圖函數(shù)采用的是單進程的方式，由驅動層核驗是否裁減并調用驅動程序來繪制未被裁減的像素點或線；而在X Window系統(tǒng)中，則是出于對速度的考慮，包含所有像素點的繪制程序并分別有裁減和未裁減的版本。Microwindows完全支持新的Linux內核的幀緩沖區(qū)結構，同時支持1、2、4、8、16、24、32位像素點顯示，支持調色板、真彩色、灰度等顏色模式，并對渲染提供內置支持。在其API函數(shù)的支持下，還可以以RGB的格式描述上述的顏色模式，系統(tǒng)中包含顏色轉換的程序，可將像素點轉換成相近的可顯示顏色或相應單色系統(tǒng)中的灰度級。雖然Microwindows支持Linux系統(tǒng)，但它是基于相對簡單的屏幕驅動界面結構，因此，可在許多不同的實時操作系統(tǒng)（RTOS）上運行，甚至于那些無硬件的實時操作系統(tǒng)也可運行Microwindows。這樣，可使得客戶的圖形應用程序在不的工程中共享使用，也可在不同的RTOS上運行不同的目標程序而不需要重新編寫圖形應用程序，大大提高了編程效率。 Microwindows支持圖形目標平臺的主機平臺競爭，也就是說應用于Linux的Microwindows應用程序不需要跨平臺編譯，就可在桌面上直接運行和測試，同時仍可在目標平臺上運行。這一點需通過使用Micorwindows的X11屏幕驅動器實現(xiàn)，同時驅動器可以根據(jù)像素點和顏色值來模擬目標平臺的顯示。因此，即使桌面系統(tǒng)是24位的顏色模式，它也可以以2色模式顯示目標系統(tǒng)中的應用程序。

對于那些熟悉使用Microsoft Windows或Linux X Windows的程序員頁言，經編寫應用程序時是有一定區(qū)別的。Microsoft Windows的編程員一般使用MS-Visual C++的類庫（MFC）中的C++應用程序框架或者是更新的ATL框架，在繪制圖形時使用Win32圖形設備接口（GDI）。Windows中還包括有許多Win32 GDI中的應用界面控件，如按鈕、列表等。而X Windows系統(tǒng)提供了一個低級接口——Xlib，僅用于實現(xiàn)最低級簡單的繪圖功能，并將其封裝成程序包在需顯示時在顯示設備上運行。在用戶界面中，大多數(shù)的解決利用插件，在Xlib的上層加入插件集來實現(xiàn)更高級的函數(shù)。目前，對Microwindows的應用正在逐步地加入GTK+/GDK以及FLTK插件，以實現(xiàn)更多的用戶界面控件。


3 Microwindows的體系結構

由于Microwindows在設計上有著明顯的分層結構，如圖3所示，其設備與平臺相關層、設備與平臺無關層和應用層之間層次清晰、結構明顯，因此勿需改動其整體結構，只需在其相應的部分添加代碼即可實現(xiàn)一些更為復雜的功能。 圖3 Microwindows體系結構 在Microwindows的最底層（設備與平臺相關層），系統(tǒng)針對顯示屏、鼠標、觸屏以及鍵盤等各定義了一個數(shù)據(jù)結構。該數(shù)據(jù)結構和頂層結構一樣，供圖形引擎使用，包含了針對指定設置和硬件驅動代碼。Microwindows中還包含了諸多設備和操作系統(tǒng)的各種版本的驅動程序。屏幕驅動可支持系統(tǒng)1的、2、4、8、16、24、32位顯示和調色板、真彩色、灰度等顏色模式。屏幕驅動中還包括一些入口指針，這些指針分別用讀寫像素、繪制水平或垂直線，在屏幕和內存之間相互映射內存空間。在實現(xiàn)這些基本指針的過程中需運行包括TrueType或Adobe Type1的字體支持、RGB顏色支持、JPEG以及BMP圖形處理等Microwindows上層函數(shù)。如果屏幕驅動中還包括有硬件加速的話，僅需更改驅動程序即可；也可在系統(tǒng)中添加觸屏、鍵盤、按鍵等的輸入。

Microwindows的中間層是圖形引擎層（也稱為設備與平臺無關層），因為所有的繪圖函數(shù)都通過調用屏幕驅動來實現(xiàn)，該層與硬件無關。圖形引擎層為應用層提供了一系列相應的入口指針調用繪圖函數(shù)，還為所有的顏色指定了RGB的顏色模型；同樣，該層也與顯示設備無關，可以由RGB值為判斷硬件中的像素值。除此之外，Microwindows還在中間層實現(xiàn)裁減功能，它采用多矩形算法，可在任意復雜的區(qū)域中實現(xiàn)繪圖功能。中間層還要控制所有字體的顯示，支持FreeType以及使用T1Lib的Adobe Type 1字體、支持比例字體，同時還支持ASCII、Unicode-16、Unicode-32、UTF-8編碼規(guī)則。

Microwindows的最高層（應用層）實現(xiàn)了窗口交互系統(tǒng)，這使得程序員既可在全屏幕顯示，也可在層疊的窗口中顯示。一層還包括事件處理，可將觸摸屏、按鍵等激發(fā)的事件傳送給應用程序。 Nano-X API允許程序可以根據(jù)Client/Server協(xié)議通過網絡或是本地的UNIX主機進行編譯，以同時顯示幾個運行在已連接到Microwindows服務器的嵌入式設備或遠程主機上的程序。除此之外，Client/Server協(xié)議還可以利用共享的內存空間客戶端和服務器之間傳播數(shù)據(jù)。Nano-X可在每個客戶機上步運行，這意味著一旦發(fā)送了客戶機請求包，服務器在另一個客戶機提供服務之前一直等待，直到整個包到達為止。這使得服務器代碼非常簡單，而運行速度仍非?？?。


4 Micorowindows上的FLTK API

FLTK是一個簡單靈活的GUI工具箱，特別適用于占用資源很少的環(huán)境。它提供大多數(shù)窗口構件一一按鈕、對話框、文本框以及出色的“賦值器”選擇（用于輸入數(shù)值的窗口構件），還包括滑動器、滾動條、刻度盤等其它構件。針對Microwindows GUI引擎的FLTK的Linux版本被稱為FLNX，它能用來為嵌入式環(huán)境創(chuàng)建一個出色的UI構建器，由兩個構件組成：FI_Widget和FLUID。FI_Widget由所有基本窗口構件API組成，占用40～48KB的資源。FLUID（Fast Light User Interface Desigher，快速輕巧的用戶界面設計器）是用來產生FLTK源代碼的圖形編輯器，占用大約380KB資源（包括每個窗口構件）。 FLTK是一個C++庫，由于大多數(shù)現(xiàn)代GUI環(huán)境都是面向對象的，這命名編寫的應用程序移植到類似的API中會更容易。 結語 Microwindows正在嵌入式開發(fā)領域穩(wěn)步發(fā)展，是完全免費的開放式源代碼，為嵌入式設備提供了更多的解決方案；任何對將Linux定制于PDA、掌上機或者可移動設備感興趣的人都可從因特網免費下載，并將其移值或開發(fā)。熟悉圖形應用程序的用戶可以很快就在該系統(tǒng)上編寫自己的圖形應用程序，在未來的嵌入式系統(tǒng)設計中，它的作用是無可限量的。