如何選用嵌入式圖形系統(tǒng)

       高端消費(fèi)類電子產(chǎn)品(如PDA、手機(jī))的廣泛應(yīng)用，使原先僅在軍工、工業(yè)控制等領(lǐng)域中使用的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，越來越受到關(guān)注，業(yè)界相應(yīng)出現(xiàn)了多種各具特色的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品。針對(duì)多樣化的供應(yīng)，選擇成了一個(gè)難題。 

       而嵌入式圖形系統(tǒng)作為除操作系統(tǒng)之外，開發(fā)人員關(guān)注的焦點(diǎn)，以及現(xiàn)實(shí)的需求也催生出了一批更美觀和操作方便的圖形用戶界面。如此琳瑯滿目的市場(chǎng)供應(yīng)，開發(fā)人員該做出如何選擇呢？為目標(biāo)嵌入式產(chǎn)品選擇適合的嵌入式圖形支持系統(tǒng)已經(jīng)成為與選擇嵌入式操作系統(tǒng)一樣，成為頗具挑戰(zhàn)性的難題。 

       而現(xiàn)實(shí)情況是，在嵌入式系統(tǒng)上的GUI開發(fā)，并不像普通PC平臺(tái)上的應(yīng)用開發(fā)那么容易和方便。一方面是因?yàn)樵O(shè)備的可用資源有限（CPU運(yùn)算能力、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)空間等），另外就是操作系統(tǒng)提供的底層機(jī)制有限。這樣一來，就造成了開發(fā)人員在為具有不同硬件配置的嵌入式產(chǎn)品以及實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)選擇功能完備、且又適合目標(biāo)產(chǎn)品特點(diǎn)的GUI支持系統(tǒng)時(shí)，面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。 

      嵌入式圖形技術(shù)現(xiàn)狀 

       嵌入式GUI為嵌入式系統(tǒng)提供了一種應(yīng)用于特殊場(chǎng)合的人機(jī)交互接口。嵌入式GUI要求簡(jiǎn)單、直觀、可靠、占用資源小且反應(yīng)快速。尤其在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中對(duì)GUI的快速反應(yīng)提出很高的要求。 

       嵌入式圖形系統(tǒng)目前可以大致分為二類，一類是針對(duì)某個(gè)嵌入式系統(tǒng)提供GUI的圖形庫(kù)及接口，一般基于GUI提供了完整的解決方案和應(yīng)用。此類除Microsoft的WinCE外，大都隨著嵌入式Linux的發(fā)展而發(fā)展起來的。在Linux下有成熟的桌面產(chǎn)品，擁有大量的應(yīng)用和應(yīng)用開發(fā)人員。此類的典型為TrollTech的Qtopia和GNU的GTK＋。 

       另一類是專門針對(duì)嵌入式系統(tǒng)提供的嵌入式圖形中間件。此類系統(tǒng)考慮支持不同的硬件環(huán)境和支持不同的嵌入式操作系統(tǒng)。為滿足嵌入式系統(tǒng)的不同需要，都提供了靈活的、可伸縮的軟件架構(gòu)。此類圖形系統(tǒng)的代表為北京飛漫軟件的MiniGUI、SwellSoftware的PEG和TilconSoftware的Tilcon產(chǎn)品。此類系統(tǒng)一般是由專業(yè)公司在維護(hù)，基于核心的GUI系統(tǒng)針對(duì)某一行業(yè)提供關(guān)鍵應(yīng)用、解決方案和開發(fā)工具等系列產(chǎn)品。 

       和微軟的ＷinCE系統(tǒng)內(nèi)核支持圖形系統(tǒng)不同，絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都通過應(yīng)用層來完成對(duì)圖形系統(tǒng)的支持。支持單一操作系統(tǒng)的圖形系統(tǒng)可以使用一些系統(tǒng)調(diào)用來優(yōu)化系統(tǒng)的性能。將滿足嵌入式各種硬件平臺(tái)的任務(wù)交給操作系統(tǒng)來處理。這樣的方式限制了圖形系統(tǒng)的跨系統(tǒng)能力。支持多操作系統(tǒng)和多硬件平臺(tái)的圖形中間件，通過優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)，可以很好地解決嵌入式平臺(tái)各種硬件的問題，集中處理圖形方面相關(guān)問題，為系統(tǒng)提供優(yōu)秀的圖形系統(tǒng)平臺(tái)。這樣的處理是符合目前的嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展的。 

       為此，筆者采訪了飛漫軟件技術(shù)公司研發(fā)部經(jīng)理焦力波，以期從技術(shù)角度對(duì)MiniGUI做以剖析，給致力于此的其他廠商以合理借鑒。 

       MiniGUI 

       MiniGUI是一個(gè)高效、可靠、可定制、小巧靈活的圖形用戶界面支持系統(tǒng)，具有跨硬件平臺(tái)、跨操作系統(tǒng)的可移植性。同時(shí)它又是一個(gè)是面向?qū)崟r(shí)嵌入式系統(tǒng)的輕量級(jí)圖形用戶界面支持系統(tǒng)。自1999年初遵循GPL條款發(fā)布第一個(gè)版本以來，MiniGUI已廣泛應(yīng)用于手持信息終端、機(jī)頂盒、工業(yè)控制系統(tǒng)及工業(yè)儀表等產(chǎn)品和領(lǐng)域。 

       MiniGUI為實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)提供了非常完善的圖形及用戶界面支持。MiniGUI本身的可移植性設(shè)計(jì)，使得不論在哪個(gè)硬件平臺(tái)、哪種操作系統(tǒng)上運(yùn)行，MiniGUI均能為上層應(yīng)用程序提供一致的應(yīng)用程序編程接口（API）。MiniGUI具有良好的軟件架構(gòu)，通過抽象層將MiniGUI上層和底層操作系統(tǒng)隔離開來如圖1所示。 

       MiniGUI是一個(gè)根據(jù)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)量身定做的完整的圖形支持系統(tǒng)。作為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的中間件，MiniGUI將底層操作系統(tǒng)及硬件平臺(tái)差別隱藏了起來，并對(duì)上層應(yīng)用程序提供了一致的功能特性。MiniGUI的整體架構(gòu)圖如圖2所示。 

       MiniGUI在發(fā)展過程中，引入了很多技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，如圖形和輸入抽象層、多字體和多字符集支持和針對(duì)不同操作系統(tǒng)特點(diǎn)的運(yùn)行模式等。正是由于這些技術(shù)上的創(chuàng)新，才使得MiniGUI對(duì)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的適應(yīng)性更強(qiáng)，靈活性更好。 

       圖形和輸入抽象層 

        圖形和輸入抽象層對(duì)頂層API基本沒有影響，但大大方便了MiniGUI自身及應(yīng)用程序的移植和調(diào)試等。MiniGUI能夠在基于i386、ARM(包括StrongARM、xScale等)MIPS、PowerPC及低端的DragonBall、ColdFire等CPU的嵌入式系統(tǒng)上流暢運(yùn)行。 

        利用圖形和輸入抽象層，還可以實(shí)現(xiàn)基于軟件結(jié)構(gòu)的引擎。比如模擬現(xiàn)實(shí)輸入的random輸入引擎，通過它可以完成應(yīng)用程序的自動(dòng)測(cè)試。我們可以通過Shadow圖形引擎支持YUV輸出設(shè)備、提供對(duì)無法直接訪問顯示幀緩沖區(qū)的圖形芯片的支持、提供對(duì)低于8位色顯示屏的支持、實(shí)現(xiàn)屏幕旋轉(zhuǎn)功能等。 

        多字體和多字符集支持 

        這部分通過設(shè)備上下文(DC)的邏輯字體實(shí)現(xiàn)，不管是字體類型還是字符集，都可非常方便地進(jìn)行擴(kuò)充。利用DrawText等函數(shù)時(shí)，可通過指定字體而獲得對(duì)各種字符集的支持，如GB2312、GBK、UNICODE(UTF-8、UTF-16編碼)等。這樣，在單個(gè)MiniGUI應(yīng)用程序中，同時(shí)顯示多個(gè)不同語種的文字非常容易。MiniGUI的這種字符集支持不同于通過UNICODE內(nèi)碼實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)多字符集支持，這種實(shí)現(xiàn)占用資源少，更加適合于嵌入式系統(tǒng)。 

        針對(duì)不同操作系統(tǒng)特點(diǎn)的運(yùn)行模式 

        和Linux這樣的類UNIX操作系統(tǒng)相比，一般意義上的傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)具有一些特殊性。例如象uClinux、uC/OS-II、eCos、VxWorks等操作系統(tǒng)，通常運(yùn)行在沒有MMU的CPU上;這時(shí)，往往沒有進(jìn)程的概念，而只有線程或任務(wù)的概念，這樣，GUI系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境也就大相徑庭。因此，為了適合不同的操作系統(tǒng)環(huán)境，可將MiniGUI配置成MiniGUI-Threads、MiniGUI-Processes及MiniGUI-Standalone三種運(yùn)行模式。 

        MiniGUI的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 

        M*iniGUI在對(duì)系統(tǒng)的需求上主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì): 

        可伸縮性強(qiáng) 

        MiniGUI豐富的功能和可配置特性，使得它既可運(yùn)行于CPU主頻只有60MHz的低端產(chǎn)品中，亦可運(yùn)行于高端嵌入式設(shè)備中，并且可使用MiniGUI的高級(jí)控件風(fēng)格及皮膚界面等技術(shù)，創(chuàng)建華麗的用戶界面。同時(shí),它的跨操作系統(tǒng)特性，使得MiniGUI不僅可運(yùn)行在最簡(jiǎn)單的嵌入式操作系統(tǒng)之上，也可運(yùn)行在具有現(xiàn)代操作系統(tǒng)特性的嵌入式操作系統(tǒng)之上(如Linux)，并且為嵌入式Linux系統(tǒng)提供了完整的多窗口圖形環(huán)境。 

       輕型、占用資源少 

        作為一個(gè)定位于輕量級(jí)的嵌入式圖形庫(kù)，MiniGUI完全考慮到了系統(tǒng)資源對(duì)嵌入式設(shè)備的硬件的需求，如MiniGUI庫(kù)所占的空間最小可以裁剪到500K左右，對(duì)目前的嵌入式設(shè)備來說，滿足這一條件是綽綽有余的。 

       高性能、高可靠性 

        MiniGUI良好的體系結(jié)構(gòu)及優(yōu)化的圖形接口，可確保最快的圖形繪制速度?？紤]到實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)之初MiniGUI就對(duì)多窗口環(huán)境下的圖形繪制開展了大量的研究及開發(fā)，優(yōu)化了MiniGUI的圖形繪制性能及資源占用。在大量實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用，尤其在工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，證明了MiniGUI的高性能。 

       可配置性 

       為滿足嵌入式系統(tǒng)不同的需求，必須要求GUI系統(tǒng)是可配置的。和Linux內(nèi)核類似，MiniGUI為滿足嵌入式系統(tǒng)多樣的需求，也實(shí)現(xiàn)了大量的編譯配置選項(xiàng)，通過這些選項(xiàng)可指定MiniGUI庫(kù)中包括哪些功能而同時(shí)不包括哪些功能。 

       這些配置選項(xiàng)大大增強(qiáng)了MiniGUI的靈活性，對(duì)用戶來講，可針對(duì)具體的應(yīng)用需求量體裁衣，開發(fā)最適合產(chǎn)品需求的應(yīng)用軟件。MiniGUI很好地將現(xiàn)代窗口和圖形技術(shù)帶入到了嵌入式設(shè)備。 

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