一種可移植的嵌入式圖形支持系統(tǒng)：MiniGUI

一種可移植的嵌入式圖形支持系統(tǒng)：MiniGUI

為目標嵌入式產品選擇適合的嵌入式圖形支持系統(tǒng)成為與選擇嵌入式操作系統(tǒng)一樣頗具挑戰(zhàn)性。本土公司開發(fā)的MiniGUI是一個高效、可靠、可定制、小巧靈活的圖形用戶界面支持系統(tǒng)，并具有跨硬件平臺、跨操作系統(tǒng)的可移植性，非常適合于實時嵌入式產品開發(fā)。本文詳細闡述了MiniGUI的特點、運行模式和應用。
　　
　　隨著高端消費類電子產品(PDA、手機等)的廣泛應用，原先僅在軍工、工業(yè)控制等領域中使用的實時嵌入式操作系統(tǒng)，受到越來越多的關注。因為嵌入式產品本身是一種高度定制化的軟硬件集成產品，單個操作系統(tǒng)無法滿足各類嵌入式產品的多樣化需求，因此，業(yè)界有許多各具特色的實時嵌入式操作系統(tǒng)產品可供選擇。
　　
　　在嵌入式產品開發(fā)中，除操作系統(tǒng)之外，開發(fā)人員關注最多的另外一個系統(tǒng)軟件組件就是圖形支持系統(tǒng)。只要是面向人機交互的嵌入式產品，就涉及到文字或者圖形的輸出問題。
　　
　　不過，在嵌入式系統(tǒng)上的GUI應用開發(fā)，不像PC平臺上的應用開發(fā)那么容易和方便。一是因為設備的可用資源有限(CPU運算能力、靜態(tài)和動態(tài)存儲空間等)，二是因為操作系統(tǒng)提供的底層機制有限。這樣，為具有不同硬件配置的嵌入式產品以及各類實時嵌入式操作系統(tǒng)提供功能完備、且又適合嵌入式產品特點的GUI支持系統(tǒng)，存在著諸多技術挑戰(zhàn)。
　　
　　嵌入式操作系統(tǒng)的選擇
　　
　　“內核接口+ANSI C庫”的模式，是大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)采用的編程模式。但是，這種模式還存在一些問題。如果我們要使用ANIS C庫中的標準I/O接口，則需要操作系統(tǒng)提供文件系統(tǒng)及字符輸出的支持；如果我們要使用ANSI C庫中的內存管理函數(shù)(malloc/free函數(shù)族)，就需要提供針對具體硬件的堆管理方案及實現(xiàn)代碼。因此，RTOS通常都設計為模塊化的軟件系統(tǒng)，需要什么樣的功能，可向RTOS產品廠商購買對應的模塊來實現(xiàn)。

　　
　　圖1 RTOS 的一般軟件結構。
　　
　　實際上，不同RTOS之間的區(qū)別，除了在任務管理上的核心區(qū)別之外，其他的主要區(qū)別就在外圍模塊上。圖1給出了RTOS的一般軟件結構。
　　
　　RTOS可劃分為如下幾個種類：
　　
　　1．傳統(tǒng)實時嵌入式操作系統(tǒng)。主要包括：VxWorks、pSOS、Nucleus、WinCE等。VxWorks和pSOS的用戶主要集中在軍工、工業(yè)控制及電信領域，Nucleus和WinCE在消費類產品中應用較為廣泛。
　　
　　2．開放源碼的嵌入式操作系統(tǒng)。典型代表有Linux/uClinux、eCos。因為傳統(tǒng)實時嵌入式操作系統(tǒng)價格比較昂貴，所以許多用戶開始使用免授權費的Linux/uClinux等操作系統(tǒng)開發(fā)自己的嵌入式產品。Linux操作系統(tǒng)從本質上屬于通用操作系統(tǒng)，缺少強實時支持，因此嵌入式Linux在某些不需要強實時性的嵌入式產品中得到了較多應用，典型的產品有智能手機(這類產品中的實時性主要通過專用硬件芯片保證)、查詢終端等。uClinux是Linux的一個變種，主要運行在沒有內存管理單元(MMU)的CPU架構上。因為沒有內存管理單元，uClinux無法實現(xiàn)現(xiàn)代操作系統(tǒng)能夠提供的進程地址空間保護等高級特性，但它最大程度地保留了Linux的系統(tǒng)調用功能，而且資源消耗低，因此在一些中低端的32位嵌入式產品中得到了應用。eCos也是一種開源、免授權費的RTOS產品。和Linux/uClinux相比，它更類似傳統(tǒng)的實時嵌入式操作系統(tǒng)，而且提供了豐富的外圍模塊，如文件系統(tǒng)、TCP/IP接口模塊、POSIX兼容接口模塊等。根據(jù)筆者的實際應用經驗，eCos操作系統(tǒng)在一定程度上可以用來替代傳統(tǒng)實時嵌入式操作系統(tǒng)。
　　
　　3．新型實時嵌入式操作系統(tǒng)。主要包括uC/OS-II、ThreadX等操作系統(tǒng)，它們的出現(xiàn)，填補了RTOS操作系統(tǒng)市場的中低端市場，給廣大嵌入式產品開發(fā)者提供了性價比較高的選擇。
　　
　　4．本地實時嵌入式操作系統(tǒng)。近幾年，中國也有廠商開始提供自主研發(fā)的實時嵌入式操作系統(tǒng)，典型的有Hopen和Delta操作系統(tǒng)。這些產品已經在消費類電子產品和軍工領域中得到了一些應用。
　　
　　通過上面的介紹可以看到，嵌入式操作系統(tǒng)市場中存在各種產品可供選擇。嵌入式產品的種類豐富，需求多樣，不太可能出現(xiàn)類似PC那樣由一個操作系統(tǒng)?霸天下的狀況。

　　
　　嵌入式產品開發(fā)中常用的圖形解決方案
　　
　　在嵌入式產品的開發(fā)過程中，軟件開發(fā)人員通常采取如下幾種方法來解決產品的圖形需求：
　　
　　1．針對特定圖形輸出設備的接口，自行開發(fā)圖形相關的功能函數(shù)。利用這種手段編寫的程序，無法將顯示邏輯和數(shù)據(jù)處理邏輯劃分開來，從而導致程序結構不好，不便于調試，并導致大量的代碼重復。這種方案的缺點很明顯，即可移植性差，維護成本高。
　　
　　2．購買針對特定嵌入式操作系統(tǒng)的圖形中間件軟件包。一些嵌入式操作系統(tǒng)廠商，也為自己的操作系統(tǒng)專門開發(fā)了對應的GUI中間件產品。如uC/OS-II上的uC/GUI、Nucleus上的GRAFIX包、VxWorks上的WindML包等等。這種方案為嵌入式產品開發(fā)提供了直接可用的方案，并且能夠和原有操作系統(tǒng)良好配合；但缺點是這類軟件包的功能通常比較簡單，且價格高昂。另外，基于這些軟件包開發(fā)的GUI 應用軟件不具備跨操作系統(tǒng)的可移植性。
　　
　　3．采用開放源碼的嵌入式GUI支持系統(tǒng)。隨著嵌入式Linux操作系統(tǒng)的應用，開源社區(qū)也在不斷為嵌入式系統(tǒng)提供不同的開放源碼嵌入式圖形解決方案，如MicroWindows、OpenGUI，以及新近出現(xiàn)的picoGUI等。這些開放源碼的嵌入式GUI軟件提供免授權費的解決方案。然而，由于缺少商業(yè)公司的支持，這些軟件一般存在較多的軟件缺陷，加上缺乏有擔保的技術支持，因此，存在著很大的開發(fā)風險。

　　
　　圖2 MiniGUI 和嵌入式操作系統(tǒng)的關系。
　　
　　4．使用由獨立軟件開發(fā)商提供的嵌入式GUI產品。這類產品有北京飛漫軟件技術有限公司開發(fā)的MiniGUI、挪威TrollTech公司的Qt/Embedded等。這兩種產品都是開源(遵循GNU的GPL條款發(fā)布)的嵌入式GUI軟件產品，但均采用雙授權模式，即針對商業(yè)使用收取軟件許可費用。MiniGUI屬于中低端產品，具有跨操作系統(tǒng)特性，以及適合嵌入式產品的小巧、高效的特點。Qt/Embedded屬于高端產品，只支持嵌入式Linux操作系統(tǒng)，需要16MB以上的靜態(tài)存儲空間及6?MB以上的動態(tài)存儲空間。
　　
　　MiniGUI的特點及應用
　　
　　MiniGUI作為中國為數(shù)不多的幾個自由軟件項目之一，是面向實時嵌入式系統(tǒng)的輕量級圖形用戶界面支持系統(tǒng)，1999年初遵循GPL條款發(fā)布第一個版本，目前已發(fā)展到1.6.1版本。
　　
　　MiniGUI為實時嵌入式操作系統(tǒng)提供了非常完善的圖形及圖形用戶界面支持。MiniGUI本身的可移植性設計，使得不論在哪個硬件平臺、哪種操作系統(tǒng)上運行，MiniGUI均能為上層應用程序提供一致的應用程序編程接口(API)。
　　
　　作為操作系統(tǒng)和應用程序之間的中間件，MiniGUI將底層操作系統(tǒng)及硬件平臺差別隱藏了起來，并對上層應用程序提供了一致的功能特性，這些功能特性包括：
　　
　　1．完備的多窗口機制和消息傳遞機制。
　　
　　2．常用的控件類，包括靜態(tài)文本框、按鈕、單行和多行編輯框、列表框、組合框、進度條、屬性頁、工具欄、拖動條、樹型控件、月歷控件等。
　　
　　3．對話框和消息框支持以及其它GUI元素，包括菜單、加速鍵、插入符、定時器等。
　　
　　4．界面皮膚支持。用戶可通過皮膚支持獲得外觀非常華麗的圖形界面。
　　
　　5．通過兩種不同的內部軟件結構支持低端顯示設備(如單色 LCD)和高端顯示設備(如彩色顯示器)，前者小巧靈活，而后者在前者的基礎上提供了更加強大的圖形功能。
　　
　　6．Windows的資源文件支持，如位圖、圖標、光標等。
　　
　　7．各種流行圖像文件的支持，包括JPEG、GIF、PNG、TGA、BMP等等。
　　
　　8．多字符集和多字體支持，目前支持ISO8859-1?ISO8859-15、GB2312、GBK、GB18030、BIG5、EUC-JP、Shift-JIS、EUC-KR、UNICODE等字符集，支持等寬點陣字體、變寬點陣字體、Qt/Embedded 使用的嵌入式字QPF、TrueType以及Adobe Type1等矢量字體。
　　
　　9．多種鍵盤布局的支持。MiniGUI除支持常見的美式PC鍵盤布局之外，還支持法語、德語等語種的鍵盤布局。
　　
　　10．簡體中文(GB2312)輸入法支持，包括內碼、全拼、智能拼音等。用戶還可以從飛漫軟件獲得五筆、自然碼等輸入法支持。
　　
　　11．針對嵌入式系統(tǒng)的特殊支持，包括一般性的I/O流操作，字節(jié)序相關函數(shù)等。

　與其它針對嵌入式產品的圖形系統(tǒng)相比，MiniGUI具有以下一些技術優(yōu)勢：
　　
　　1)．輕型、占用資源少
　　
　　MiniGUI本身的占用空間非常小，以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為例，MiniGUI的典型存儲空間占用情況如下：
　　
　　1．Linux內核： 300K?500K(由系統(tǒng)需求決定)；
　　
　　2．文件系統(tǒng)：500K?2MB(由系統(tǒng)需求決定)；
　　
　　3．MiniGUI支持庫：500K?700K(由編譯選項確定)；
　　
　　4．MiniGUI字體、位圖等資源：400K(由應用程序確定，可縮小到200K以內)；
　　
　　5．GB2312輸入法碼表：200K(不是必需的，由應用程序確定)；
　　
　　6．應用程序：1M?2M(由系統(tǒng)決定)。
　　
　　總體的系統(tǒng)占有空間應該在 2MB到4MB左右。在某些系統(tǒng)上，功能完備的MiniGUI系統(tǒng)本身所占用的空間可進一步縮小到1MB以內。
　　
　　最新的研發(fā)成果表明，MiniGUI能夠在CPU主頻為30MHz，僅有4M RAM的系統(tǒng)上正常運行(使用uClinux 操作系統(tǒng))，這是其它圖形系統(tǒng)，如MicroWindows或者Qt/Embedded所無法達到的。
　　
　　2)高性能、高可靠性
　　
　　MiniGUI良好的體系結構及優(yōu)化的圖形接口，可確保最快的圖形繪制速度。在設計之初就充分考慮到了實時嵌入式系統(tǒng)的特點，針對多窗口環(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有。MiniGUI在大量實際系統(tǒng)中的應用，尤其在工業(yè)控制系統(tǒng)的應用，證明 MiniGUI具有非常好的性能。
　　
　　3) 可配置性
　　
　　為滿足嵌入式系統(tǒng)千變萬化的需求，必須要求GUI系統(tǒng)是可配置的。和Linux內核類似，MiniGUI也實現(xiàn)了大量的編譯配置選項，通過這些選項可指定MiniGUI庫中包括哪些功能而同時不包括哪些功能。大體說來，可以在如下幾個方面對MiniGUI進行定制配置：
　　
　　1．指定MiniGUI要運行的操作系統(tǒng)；
　　
　　2．指定生成基于線程的MiniGUI-Threads運行模式還是基于進程的MiniGUI-Lite運行模式，或者只是最簡單的MiniGUI-Standalone運行模式；
　　
　　3．指定要采用老的GAL/GDI接口(低端顯示設備)還是新的GAL/GDI接口(高端顯示設備)；
　　
　　4．指定需要支持的GAL引擎和IAL引擎，以及引擎相關選項；
　　
　　5．指定需要支持的字體類型；
　　
　　6．指定需要支持的字符集；
　　
　　7．指定需要支持的圖像文件格式；
　　
　　8．指定需要支持的控件類；
　　
　　9．指定控件的整體風格，是三維風格、平面風格還是手持終端風格。
　　
　　4) 可伸縮性強
　　
　　MiniGUI豐富的功能和可配置特性，使得它既可運行于基于龍珠的低端產品中，亦可運行于基于ARM9的高端產品中，并使用MiniGUI的高級控件風格及皮膚界面等技術，創(chuàng)建華麗的用戶界面。
　　
　　5) 跨操作系統(tǒng)支持
　　
　　理論上，MiniGUI可支持任意一個多任務嵌入式操作系統(tǒng)；實際已支持Linux/uClinux、eCos、uC/OS-II、VxWorks、pSOS、ThreadX等嵌入式操作系統(tǒng)，也可以在Win32平臺上運行。同時，在不同操作系統(tǒng)上的MiniGUI，提供完全兼容的API接口。
　　
　　從最初的數(shù)控系統(tǒng)到目前流行的智能手持終端設備，MiniGUI已經在大量產品中得到了應用。MiniGUI最主要的應用領域大致可分為三類：高端手機、PDA類產品；數(shù)字媒體及機頂盒類產品；工業(yè)儀表及控制系統(tǒng)。

基于MiniGUI的嵌入式系統(tǒng)軟件結構
　　
　　為什么MiniGUI能夠在如此眾多的嵌入式操作系統(tǒng)上運行？這是因為MiniGUI具有良好的軟件架構，通過抽象層將MiniGUI上層和底層操作系統(tǒng)隔離開來。如圖2所示，基于MiniGUI的應用程序一般通過 ANSI C庫以及MiniGUI自身提供的API來實現(xiàn)自己的功能；MiniGUI中的“可移植層”可將特定操作系統(tǒng)及底層硬件的細節(jié)隱藏起來，而上層應用程序則無需關心底層的硬件平臺輸出和輸入設備。
　　
　　另外，MiniGUI特有的運行模式概念，也為跨操作系統(tǒng)的支持提供了便利。
　　
　　與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。舉例而言，諸如uClinux、uC/OS-II、eCos、VxWorks等操作系統(tǒng)，通常運行在沒有內存管理單元的CPU上；這時，往往就沒有進程的概念，而只有線程或者任務的概念，這樣，GUI系統(tǒng)的運行環(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，我們可將MiniGUI配置成三種運行模式：
　　
　　1．MiniGUI-Threads。運行在MiniGUI-Threads上的程序可以在不同的線程中建立多個窗口，但所有的窗口在一個進程或者地址空間中運行。這種運行模式非常適合于大多數(shù)傳統(tǒng)意義上的嵌入式操作系統(tǒng)，如uC/OS-II、eCos、VxWorks、pSOS等等。當然，在Linux和uClinux上，MiniGUI也能以MiniGUI-Threads的模式運行。
　　
　　2． MiniGUI-Lite。與MiniGUI-Threads相反，MiniGUI-Lite上的每個程序是單獨的進程，每個進程也可以建立多個窗口。MiniGUI-Lite適合于具有完整UNIX特性的嵌入式操作系統(tǒng)，比如嵌入式Linux。
　　
　　3． MiniGUI-Standalone。這種運行模式下，MiniGUI能以獨立進程的方式運行，既不需要多線程也不需要多進程的支持，這種運行模式適合功能單一的應用場合。例如在一些使用uClinux的嵌入式產品中，因為各種原因而缺少線程支持，這時，就可以使用MiniGUI-Standalone來開發(fā)應用軟件。
　　
　　一般而言，MiniGUI-Standalone模式的適應面最廣，可以支持幾乎所有的操作系統(tǒng)，甚至包括類似DOS這樣的操作系統(tǒng)；MiniGUI-Threads模式的適用面次之，可運行在支持多任務的實時嵌入式操作系統(tǒng)，或者具備完整UNIX特性的普通操作系統(tǒng)；MiniGUI-Lite模式的適用面較小，它僅適合于具備完整UNIX特性的普通操作系統(tǒng)。
　　
　　不論采用哪種運行模式，MiniGUI為上層應用軟件提供了最大程度上的一致性；只有少數(shù)幾個涉及初始化的接口在不同運行模式上有所不同。
　　
　　MiniGUI在uC/OS-II操作系統(tǒng)上的移植
　　
　　下面以uC/OS-II操作系統(tǒng)為例，簡單介紹MiniGUI到該操作系統(tǒng)上的移植。
　　
　　uC/OS-II非常簡單，只要有一個普通的C編譯器，就能完成編譯并運行該操作系統(tǒng)，因此，uC/OS-II首先在教學中得到了廣泛應用。因為其簡單及實時性好的特點，現(xiàn)在也有一些用戶開始使用uC/OS-II操作系統(tǒng)開發(fā)正式的嵌入式產品。
　　
　　將MiniGUI移植到uC/OS-II是相對復雜的一項工作。因為uC/OS-II中缺乏象malloc/free甚至是printf/fprintf/sprintf這樣的接口，不過，最重要的還是缺乏與POSIX-Threads兼容的接口。為此，我們編寫了POSIX-Threads的繞轉接口，這些繞轉接口兼容于POSIX-Threads。同時，我們還實現(xiàn)了 malloc/free，以及printf/sprintf/fprintf等接口。
　　
　　因涉及到如此多底層特性的增強和修改，整個系統(tǒng)的調試將是非常困難的。為解決調試問題，我們首先在SkyEye(清華大學陳渝主持的自由軟件項目)模擬器上運行uC/OS-II操作系統(tǒng)及MiniGUI for uC/OS-II。我們首先使用了MiniGUI內部的Dummy GAL引擎和Dummy/Auto IAL 引擎(這兩個引擎分別通過軟件方法來模擬實際的輸出和輸入設備，如LCD顯示屏及鍵盤)來運行MiniGUI的應用程序。盡管我們看不到真實的屏幕輸出，但從應用程序在運行過程中打印的輸出信息，我們可以看到MiniGUI for uC/OS-II已經正常工作了。接下來的工作就是將MiniGUI for uC/OS-II移植到正式的硬件產品中。
　　
　　我們在S3C2410開發(fā)板上用ADS的armcc編譯并測試了MiniGUI的uC/OS-II版本。這次，我們針對這個開發(fā)板編寫了正式的圖形和輸入引擎。MiniGUI的所有示例程序都可以在這塊開發(fā)板上正常運行。

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