（计算机应用技术专业论文）终端图形框架的研究与设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着计算机科学技术的发展，嵌入式系统的应用日益广泛。对于一些嵌入式 设备终端，一个轻型的、快速的图形系统是不可缺少的。因此，我们有必要去研 究设计嵌入式图形系统，也即图形用户界面( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，g u i ) 。 首先，本论文对比分析了现有嵌入式操作系统，选择免费开源的l i n u x 构建 嵌入式图形系统；介绍并比较了几种现有的嵌入式g u i 系统，提出了嵌入式g u i 系统分层设计的总体框架。其次，主要分析了g d i 子系统、窗口子系统、消息子 系统的具体设计和实现方法；提出了创建私有内存进行优化管理，提高系统效率。 最后对g u i 系统的研究结果进行了相关测试，同时探讨了g u i 系统的进一步研究 方向。此外，为满足特定界面需求，提出了基于q t e m b e d d e d 的控件的扩展方法。 关键词；嵌入式系统，图形用户界面，图形设备接口，窗口子系统，消息子系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t si nc o m p u t i n gt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e m sa r ew i d e l y u s e di n c r e a s i n g l y f o rs o m ee m b e d d e dd e v i c e sa n dt e r m i n a l s ，as l i g h ta n df a s t g r a p h i c a ls y s t e mb e c o m e sq u i t ei n d i s p e n s a b l e h e n c e ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n d d e s i g nt h eg r a p h i c a ls y s t e m ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，g u df o re m b e d d e ds y s t e m s a tf i r s t ，a f t e ra n a l y z i n gt h ee x i s t i n ge m b e d d e do s ，t h et h e s i sd e s i g n se m b e d d e d g u ib a s e do nl i n u xb e c a u s eo ft h ef r e e , o p e n s o u r c eo fl i n u x 耽ct h e s i si n t r o d u c e s s e v e r a le x i s t i n ge m b e d d e dg u is y s t e m sa n dc o m p a r e st h e me a c ho t h e r , a n dt h e n b r i n g s o u tt h ef r a m e w o r ko fa ne m b e d d e dg u is y s t e mw i t h s u b c o m p o n e n t a r c h i t e c t u r e t h e nt h et h e s i sp r i n c i p a l l ya n a l y s e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi t s s u b s y s t e m si n c l u d i n gg d is u b s y s t e m ，w i n d o ws u b s y s t e ma n dm e s s a g es u b s y s t e m ，a n d b r i n g so u t t h ec r e a t i o no fp r i v a t em e m o r ym a n a g c r ，w h i c hc a na c h i e v eh i g h e r p e r f o r m a n c e f i n a l l y , t h et h e s i sm a k e ss o m er e l a t e dt e s t sf o rt h ee m b e d d e do u ta n d p o i n t so u t t h ef u t u r eo ft h ee m b e d d e dg u i f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt o s a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so fs p e c i a lc o n d i t i o n ，t h et h e s i sb r i n g so u th o w t oe x t e n dw i d g e t sb a s e do n q t e m b e d d c d z h o uj i a n b i n ( t e c h n o l o g yf o rc o m p u t e ra p p l i c a t i o n s ) d i r e c t e db yp r o f c h e ns h e n i g i i a n k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，g u i ，g d i ，w i n d o ws u b s y s t e m , m e s s a g es u b s y s t e m i 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文终端图形框架的研究与设计，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：! ! 塑塑!日期：竺二丕旦。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它 复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学 术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：竖堕j导师签名 f i期：幽：! ：! ?日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章引言 随着电子信息技术、计算机技术、互联网技术的迅猛发展，数字化信息化时 代已经来临，个人p c 已经日益普及，但是结合计算机技术、信息技术和消费电 子技术特点的嵌入式终端产品的发展不容我们忽视，已经成为数字化信息化时代 的主流产品。由于嵌入式系统的应用领域非常广泛，包括通信设备、消费电子、 智能仪器、工业控制和军事电子设备等各个方面，所以嵌入式系统对于国家未来 经济和科技的发展至关重要。 由于嵌入式系统是嵌入到对象体系中去的，所以嵌入式系统一般具有功能单 一、结构简单、c p u 运算速度慢、内存容量小等特点，由于这些硬件环境的限 制，因此长期以来，嵌入式系统大多采用文字用户界面，而较少采用图形系统 ( 也即图形用户界面，g u t _ ) 。 近几年来，嵌入式系统硬件性能迅速提高，如信息家电、p d a 、智能终端 等，多种嵌入式硬件设备和嵌入式操作系统得到了长足发展。现有的嵌入式操作 系统包括w i n c e 、v x - o r k s 、p a l mo s 、l i n u x 、s y m b i a n 等，特别值得一提的是开 源操作系统如l i n u x 也得到了更多嵌入式厂商的支持，己逐步成为嵌入式操作系 统的理想选择。 在嵌入式系统的发展当中，嵌入式系统软件不仅是实现其功能的关键，同时 也是计算机技术最为话跃的研究方向之一。人们在致力于嵌入式系统功能部分的 发展外，也日益注重另一个方面图形系统，即图形用户界面( g u i ) 的发展， 已经成为嵌入式系统必备部分。另外，随着嵌入式处理器运算能力的不断增强， 越来越多的嵌入式设备开始采用较为复杂的图形系统，终端设备中的g u i 系统发 展得非常迅速。比如在p d a 、s t b 、h a n d h e l dp c 、a u t o p c 、s m a r tp h o n e 等众多的 嵌入式终端产品中，个完善的、功能强大的嵌入式图形系统和图形编程界面是 必不可少的组成部分。目前常见的面向嵌入式设备的g u i 系统有o t e m b e d d e d 、 m i c r o w i n d o w s 、m i n i g u i 、o p e n g u l 等。 嵌入式应用领域目前的发展状况给我们带来了机遇，为构筑完整的嵌入式系 统终端产品，我们必须拥有自己的图形系统来构造我们独具特色的用户界面，所 以我们有必要对如何实现嵌入式系统的图形框架进行深入的研究。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 主要研究内容 由于受到硬件资源的限制。嵌入式系统一般都具有低功耗、体积小、集成度 高、高可靠性、高效率等特点，嵌入式图形系统作为嵌入式系统的一个重要组成 部分，除了具备嵌入式系统一般特点外，还需具备如下特点：占用资源小、跨平 台、高移植性、可裁剪等。针对上述特点，同时为了适应终端设备对g u i 的市场 要求，在深入理解嵌入式系统和g u i 工作原理的基础上，研究如何设计一个跨平 台的可移植、可裁剪、高性能图形系统，主要的研究内容如下： 1 嵌入式图形系统的需求分析和总体设计。通过研究嵌入式g u i 系统的特 点，对其需求进行了详细分析，确定嵌入式图形系统的系统边界，明确系统责 任在总体设计方面，从系统可裁剪性的角度划定嵌入式图形系统的功能子系统 及其交互关系，从系统可移植性的角度设计嵌入式图形系统分层次的体系结构。 2 嵌入式图形子系统具体设计。g d i 是嵌入式g u i 的图形子系统核心模块， 引入设备上下文机制，通过隔离上层应用程序和底层不同特性的输出设备，提供 与设备无关的图形操作。窗口是图形系统的外观表现形式，是提供给用户直接操 作的区域，窗口子系统的主要功能是窗口的组织、窗口的操作和窗口的绘制。事 件驱动消息机制是图形系统运行的内在动力，消息子系统负责管理g u i 系统的所 有消息，主要功能是处理线程内和线程间消息的发送、投递和接收，从而保证 g u i 系统的正常运行流程。 3 嵌入式图形系统的实现在对g u i 系统进行分析和设计的基础上，完成了 图形系统的实现，可顺利地在p c 机的虚拟环境下运行，同时还进行了相关测 试。此外，针对q t e m b e d d e d 这一较为流行的嵌入式g u i ，还提出了其上层控件 的扩展方法。 1 3 论文组织结构 本论文在对比分析了几种现有的嵌入式g u i 系统的基础上，提出了嵌入式 g u i 系统分层设计的总体框架，然后分析了各个子系统的具体设计和实现方法， 最后对g u i 系统的研究结果进行了相关测试。论文内容安排如下： 第一章介绍本论文研究背景，研究意义以及主要研究内容。 第二章介绍嵌入式图形系统的发展现状，首先简要介绍嵌入式系统和嵌入式 操作系统，然后着重讲述了嵌入式图形系统的基本特征、发展现状和发展展望。 第三章介绍嵌入式图形系统的需求分析和体系结构，在需求分析的基础上， 提出了基于嵌入式l i n u x 的g u l 分层体系结构，同时描述了各层功能划分及其相 互关系。 2 华北电力大学硕士学位论文 第四章介绍嵌入式图形子系统的设计，主要包括： 1 图形设备接口( g d i ) 的设计； 2 窗口子系统的设计：， 3 消息子系统的设计； 4 私有内存的使用问题。 第五章讲述了图形系统的相关测试，包括功能测试和性能测试。 第六章介绍基于q t e m b e d d e d 的控件扩展研究，针对特定应用环境的界面需 求，提出了对现有控件集进行扩展的方法，成功实现了个性化控件的定制。 第七章对本论文讨论内容进行总结，并给出将来的发展方向。 3 华北电力大学硕士学位论文 第二章嵌入式图形系统发展现状 2 1 嵌入式系统简介 2 1 1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统“”。 嵌入式系统较为通俗的定义是嵌入到对象系统中的专用计算机系统，其中“嵌入 性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素对象系统则 是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分“1 。硬件由嵌入式微 处理器、外围硬件设备( 存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等) 组成； 软件包括嵌入式操作系统和用户应用程序。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、微电子技术和现代电子技术与各个行业 的具体应用相结合后的产物，这一点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 2 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统同通用型系统相比具有以下特点： 1 嵌入式系统采用专用嵌入式c p u ，它通常都具有低功耗、体积小、集成度 高等特点。 2 嵌入式系统是多种技术的结合体，是将先进的计算机技术、半导体技术 和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，是一个技术密集、资金密 集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 4 系统可靠性和安全性要求高，同时一般还有严格的时序和稳定性要求。 5 硬件与软件互相依赖性。嵌入式系统中硬件与软件的依赖性强，一般要 进行共同设计，以求达到预定的功能和目标。 6 系统配置专一、结构紧凑、计算资源( 速度和存储容量) 有限。对于一些 便携设备来说还有可能对功耗有特别的要求。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 2 嵌入式操作系统简介 随着计算机技术、互联网技术、信息技术的发展以及信息家电的普及应用使 得嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 逐步向微型化和专业化方 向发展。嵌入式操作系统具备了一般操作系统最基本的功能外，还有以下特点侣1 ： 1 体积较小； 2 良好的可裁剪性和可移植性，具有开放性和可伸缩性的体系结构； 3 强实时性，可用于各种设备控制当中； 4 具有统一的接口，提供各种设备驱动接口； 5 提供操作方便、简单、界面友好的g u i ； 6 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它协议 目前，市场上比较流行的e o s 有w i n c e 、l i n u x 、v x w o r k s 和p a l mo s 。 2 2 1 i n e e w i n d o w sc e 是微软开发的一个开放的、可升级的3 2 位嵌入式操作系统，是 基于掌上电脑类的电子设备设计的，可应用于各种嵌入式产品当中。它是精简的 w i n d o w s ，其图形用户界面相当出色。w i n c e 系统提供内存管理、抢先多任务和中 断处理等多种功能，并且封装了与w i n d o w s 系列同样图形风格的6 u i 系统，提供 与w i n d o w s 系列兼容的g u i 接口，使得绝大多数w i n d o w s 平台上的应用程序只需 简单的修改就能移植到w i n c e 平台上。w i n d o w sc e 的设计目标是：模块化及可伸 缩性和实时性能好，通信能力强大，支持多种c p u 。但w i n c e 不开放源代码，第 三方难以实现g u i 的定制，另外它的体积较大，支持的硬件环境较少，价格相对 较高。 2 2 2l i f l u x l i n u x “1 是一个类似于u n i x 的操作系统，起源于芬兰一个名为l i n u st o r v a l d s 的业余爱好，但是现在已经是最为流行的一款开放源代码的操作系统，具有精简 的内核，很高的运行效率，可以适用于不同的c p u ，支持多种体系结构，如x 8 6 、 a r l 4 、m i p s 等。l i n u x 系统不仅能够运行于p c 平台，还在嵌入式系统方面大放光 芒，在各种嵌入式l i n u xo s 迅速发展的状况下，l i n u xo s 逐渐形成了可与w i n d o w s c e 等e o s 进行抗衡的局面，现己成为嵌入式操作系统的理想选择。 2 2 3v x w o r k s v x w o r k s “1 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式 5 华北电力大学硕士学位论文 实时操作系统( r t o s ) ，是嵌入式开发环境的关键组成部分。v x w o r k s 提供了基于 优先级的c p u 抢占调度，任务与中断之间的通信，高性能的内核，实时的系统资 源，具有很强的可靠性，其良好的持续发展能力以及友好的用户开发环境，在嵌 入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广 泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。 2 2 4p a i m0 5 p a l mo s 是p a l m 公司专门为掌上电脑开发的一种3 2 位的嵌入式操作系统， 在p d a 市场有很大的市场份额，它具有开放的操作系统应用程序接口( a p i ) ，开 发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序，目前大约有数千种专门为p a l mo s 编写的应用程序，软件资源相当丰富。同时p a l mo s 还具有设计简洁、占用内存 小、效率高的特点。 2 2 5 选择l i n u x 构造嵌入式系统 l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在，短短的十几年时闻已经发展成为功能强大、设 计完善的操作系统之一，不仅可以与各种传统的商业操作系统分庭抗争，在新兴 的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。 嵌入式l i n u x 的开发和研究是操作系统领域中的一个热点，目前已经开发成 功的嵌入式系统中，大约有一半使用的是l i n u x 。l i n u x 之所以能在嵌入式系统市 场上取得如此辉煌的成果，与其自身的优良特性是分不开的。 1 广泛的硬件支持。l i n u x 能够支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p a 、p o w e r p c 等 多种体系结构，目前已经成功移植到数十种硬件平台，几乎能够运行在所有流行 的c p u 上。l i n u x 有着异常丰富的驱动程序资源，支持各种主流硬件设备和最新 硬件技术，这些都促进了l i n u x 在嵌入式系统中的应用。 2 内核高效稳定。l i n u x 的内核高效而稳定，设计精巧，其独特的模块机制 可以根据用户的需要，实时地将某些模块插入到内核或从内核中移走。这些特性 使得l i n u x 内核可以裁剪得非常小巧，很适合于嵌入式系统的需要。 3 开放源码，资源丰富。l i n u x 开放源代码，为用户提供了最大限度的自由 度，可以针对具体的应用进行修改和优化。l i n u x 的软件资源十分丰富。每一种 通用程序在l i n u x 上几乎都可以找到，并且数量还在不断增加。 4 优秀的开发工具。嵌入式l i n u x 为开发者提供了一套完整的工具链( t o o l c h a i n ) ，它利用g n u 的g c c 做编译器，用g d b 、k g d b 、x g d b 做调试工具，能够很 方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。 5 完善的网络通信和文件管理机制。l i n u x 支持所有标准的i n t e r n e t 网络 6 华北电力大学硕士学位论文 协议，并且很容易移植到嵌入式系统当中。此外，l i n u x 还支持e x t 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 等文件系统，这些都为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 鉴于l i n u x 的上述诸多优点，在设计嵌入式图形系统时，我们选择嵌入式 l i n u x 作为操作系统。 2 3 嵌入式图形系统 计算机用户界面是指计算机与其使用者之间的对话接口，是计算机系统的重 要组成部分蛳。随着计算杌技术的发展，用户界面已由功能简单的字符界面发展 成为界面友好、易于操作的图形用户界面( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 。特别是 近几年在嵌入式领域，软件和硬件技术的迅猛发展，嵌入式系统对高性能、高可 靠、可配置的嵌入式图形系统( 也即嵌入式g u i ) 的需求也越来越迫切。 2 3 1 嵌入式图形系统的基本特征 嵌入式图形用户界面一般具有如下几个基本特性”1 ： i 采用图形标识。图形用户界面采用的是文字结合位图显示技术，用户通过 操纵显示在屏幕上的图形对象来控制应用程序，这些图形对象( 如窗口、菜单、 按钮等) 都是软件控制下的位图映像。 2 友好的人机接口。应用程序驱动采用了事俘驱动方式，由用户通过图形用 户界面引入的输入设备来移动光标或点触图形对象，实现对应用程序的直接操纵， 它体现了人在控制应用程序运行中的中心地位。 3 界面定制。图形用户界面允许用户根据需要对应用程序的界面进行裁剪和 定制，如移动、缩放窗口、设置颜色等。 4 界面一致。图形用户界面系统作为一个完整的运行环境，应该提供一个不 依赖于具体问题的界面设计标准，使得在该环境下运行的各种应用程序的界面风 格及与用户交互的方式都具有良好的一致性。 5 开放工具。开放工具是图形用户界面系统的一个重要组成部分，是用户在 图形用户界面环境下开发应用程序的重要手段。 由于嵌入式系统受资源的限制，所以在实际应用中嵌入式系统对图形化用户 界面还有轻型、占用资源少、可裁剪、可配置、高性能、高可靠性等这几个基本 要求n 。】。 2 3 2 嵌入式图形系统的发展现状 当前嵌入式系统中的g u i 实现方式虽多种多样，但大致划分为以下几类“”1 ： 7 华北电力大学硕士学位论文 1 自己来设计满足自身需要的图形用户界面系统。这种方法需要公司有足够 的人力和物力，如m i c o r s o f t 公司的w i n e e 、s u n 公司的p e r s o n a lj a v a 和v x w o r k s 集成u g l 等。 2 把图形用户界面放在应用程序中，图形用户界面的运行逻辑由应用程序自 己负责。用这种方法编写的程序，无法将显示逻辑和数据处理逻辑分开来，从而 导致程序结构不好，不便于调试并导致大量的代码重复。 3 采用已经比较成熟的图形用户界面系统，如：m i n i g u i 、m i c r o w i n d o w s 和 o p e n g u i 等“”。 目前，国内外流行的嵌入式g u i 有m i n i g o i 、m i e r o w i n d o w s 、o p e n g u l 、 q t e m b e d d e d 等，下面分别对它们进行分析和比较 2 3 2 1 一i n i g u i m i n i g u i “1 是由国内的魏永明先生主持开发的一个自由软件项目( 遵循l g p l 条款发布，现由北京飞漫软件技术有限公司维护并开展后继开发) ，其目标是为基 于l i n u x 的实时嵌入式系统提供一个轻量级的图形用户界面支持系统。 i i n i g o i 具有以下一些特点： 1 图形抽象层。图形抽象层对顶层a p i 基本没有影响，但方便了m i n i g u i 应 用程序的移植、调试等工作。目前包含三个图形引擎，s v g a l i b ，l i b g g i 以及直 接基于l i n u xf r a m e - b u f f e r 的n a t i v ee n g i n e ，利用l i b g g l 时，可在xw i n d o w 上运行m i n i g u i 应用程序，并可非常方便地进行调试。与图形抽象层相关的还有 输入事件的抽象层。h i n i g u i 现在已经被证明能够在基于a 跚、m i p s 、s t r o n g a r m 以及p o w e r p c 等嵌入式系统上流畅运行。 2 多字体和多字符集的支持。这部分通过设备上下文( d c ) 的逻辑字体 ( l o g f o n t ) 实现，不管是字体类型还是字符集，都可以方便地进行扩充。应用程 序在启动时，可切换系统字符集，比如g b 、b i g s 、e u c k r 、u j i s 。利用d r a w t e x t 等函数时，可通过指定字体而获得其他字符集支持。对于一个窗口来说，同时显 示不同语种的文字是可能的。m i n i g u i 的这种字符集支持不同于传统通过u n i c o d e 实现的多字符集支持，这种实现更加适合于嵌入式系统。 3 两个不同架构的版本。最初的m i n i g u i 适合予功能单一的嵌入式系统，但 存在系统健壮性不够的缺点。在m i n i g u l l i t e 版本中提高系统健壮性的同时，通 过一系列创新途径，避免了传统c s 结构的弱点“1 ，为功能复杂的嵌入式系统提 供了一个高效、稳定的g u i 系统。 2 3 2 2 研ic r o w in d o w s ；n a n o x m i c r o w i n d o w s “”是一个著名的开放源码的项目，由美国c e n t u r ys o f t w a r e 公 8 华北电力大学硕士学位论文 司主持开发，目的是把图形用户界面引入到运行l i n u x 的小型设备和平台上来。 作为xw i n d o w 的替代品，m i e r o w i n d o w s 可以使用更少的r a m 和文件存储空问提 供与xw i n d o w 相似的功能。m i c r o w i n d o w s 目前支持l i n u x 的f r a m e - b u f f e r 、 s v g a l i b 和m s d o s 等平台。 m i c r o w i n d o w s 是一个基于标准客户服务器体系结构的g u i 系统，体系结构 可以分为三层。最底层是面向图形输出和键盘、鼠标或触摸屏的驱动程序，封装 了硬件的操作接口；中间层提供底层硬件的抽象接口，类似g d i 的图形引擎层， 封装7 基本的绘图操作如画点、画线、填充，并提供了一些基础的图形对象如字 体等，此外还负责窗口的组织和管理。最高层提供了两套a p i 接口，一套是w i n 3 2 风格的接口，另一套是兼容xw i n d o w 的接口。由于m i c r o w i n d o w s 采用了分层设 计，所以具有很强的可移植性和跨平台性。 但m i c r o w i n d o w s 的图形引擎存在如下几个问题： 1 无任何硬件加速能力； 2 图形引擎中存在许多低效算法，同时未经任何优化： 3 代码质量较差。由于该项目缺少一个强有力的核心代码维护人员，因此代 码质量参差不齐，影响整体系统稳定性。 m i e r o w i n d o w s 采用m p l 条款发布( 该条款基本类似l g p l 条款) 。 2 3 2 3o p e n g u i o p e n g u l “”最初称为f a s t g l ，是因为它的绘图性能非常优秀。o p e n g u l 目前支 持多种操作系统平台，比如m s d o s 、q n x 和l i n u x 等等，但是对硬件平台支持的 较少，目前只支持x 8 6 硬件平台。 o p e n g o l 也分为三层。最低层是由汇编编写的快速绘图引擎，之所以o p e n g u l 的性能优秀，原因就在于此；中间层则在底层绘图引擎的基础上，封装了基础的 绘图函数如画线、画矩形、填充等。o p e n 6 u i 的最上层是用c + + 写的完整的g u i 应 用接口。 由于o p e n g u l 的核心足用汇编语言编写的，所以o p e n g u l 具有稳定性高、运 行速度快、占用资源少的优点，但同时也导致了可移植性、跨平台性、可配置性 相对较差，目前的发展已基本停滞。 2 3 2 4o r e m b e d d e d q t e m b e d d e d 1 是著名的挪威t r o l l t e c h 公司发布的面向嵌入式环境的q t 版 本。它专门为小型设备提供图形用户界面的应用框架和窗口系统，它提供了丰富 的窗口小部件( w i d g e t s ) ，并且还支持窗口部件的定制，因此它可以为用户提供 漂亮的图形界面。同时q t 是k d e 等项目使用的g u l 支持库，所以有许多基于q t 9 华北电力大学硕士学位论文 的xw i n d o v 程序可以非常方便地移植到o t e m b e d d e d 版本上。因此，自从 q t e m b e d d e d 以g p l 条款形式发布以来，就有大量的嵌入式l i n u x 开发商转到了 q t e m b e d d e d 系统上 q t e m b e d d e d 采用f r a m e b u f f e r 作为底层图形接口。同时，将外部输入设备 抽象为k e y b o a r d 和m o u s e 输入事件，o r e m b e d d e d 的应用程序可以直接写内存帧 缓冲，避免了开发者使用繁琐的x l i b 系统。 但是q t e m b e d d e d 是用c + + 实现的，所以相对来说，体积较大、效率较低， 性能上有所欠缺。q t e m b e d d e d 的结构与q t 类似，比较复杂，难于扩展和移植。 2 3 3 现有嵌入式图形系统的比较 表2 - 1 综合比较了上述几种嵌入式g u i 系统的不同“帕。 表2 - 1 几种嵌入式g u i 比较 m i n i g u im i r c o w i n d o w s o p e n g u io t e m b e d d e d a p i w i n 3 2 风格x 、w i n 3 2 子集私有q t ( c + + ) a p i 是否完 是 w i n 3 2 支持尚不 是是 整完整 函数库的典 型大小 5 0 0 k6 0 0 k3 0 0 k1 5 m 较好( 但函数库 只支持x 8 6 平本身的跨乎台 可移植性很好很好 交叉编译很困 难) 授权条款 l g p l肝l l g p ll g p l 啄l f g p l x 接口的多进程 支持好，w i n 3 2 多进程支持好不好好 接口上不支持多 进程 健壮性、稳 定性 好 很差 好 差 独特的多字符集支 采用u n i c o d e 多语种支持持功能。更加适合一般一般 嵌入式系统 但效率低 可配置和可 好( 提供了大量编 译配置选项，可配一般差差 定制性 置能力很强) 小( 多线程和 较大( 基于u n i x 系统资源消 m i n i g u i - l it e 均是 套接字的传统客最小( 不支持最大( c + + 实现， 耗 针对晟小系统资源 户服务器体系，多进程，资源系统资源消耗 进程间通信频消耗最小) 最大) 消耗设计) 繁，系统资源消 1 0 华北电力大学硕士学位论文 耗较大) 最好( 底层用 效率好 较差差 汇编编写) 操作系统支 持 l i n u x 、v x w o r k sl i n u xd 0 6 、l i n u xl i n u x x 8 6 、p o w e r p c 、 x 8 6 、a r m 、 已知能运行 a r m 、m i p s 、 x 8 6 、a r m 、m i p s 、 的硬件平台s t r o n g a r m ，主频最 s t r o n g a 跚，主频 x 8 6 s t r o n g a r m ，主 最低需7 0 m h z 频最低需 低需3 0 心z1 0 0 删z 主要针对手持设在实时控制领主要针对手持 使用是否广 在中国大陆、台湾备。用户主要限 域使用广泛，设备。在欧美、 泛使用广泛 于美国，国内有主要用户分布韩国等地使用 少数用户 于欧洲较为广泛 2 3 4 未来嵌入式图形系统的发展展望 随着虚拟现实、科学计算、可视化及多媒体技术的飞速发展，新的人机交互 技术不断出现，更加自然的交互方式将逐渐为入们所重视。新一代界面的主要特 征可描述如下： 1 以用户为中心。以用户对界面的需求变化为出发点，使用户界面的外在形 式和内部机制能符合不同用户的需要，这就是以用户为中心的设计思想。 2 多通道。多通道( m u l t i m o d a l i t y ) 界面旨在充分利用一个以上的感觉和 运动通道的互补特性来捕捉用户的意向，从而增进人机交互中的自然性。 3 智能化。精确交互技术是指能用一种技术来完全说明用户交互目的的交互 方式，键盘和鼠标器均需用户精确输入。而人们的动作或思想往往并不很精确， 计算机应该理解人的要求，甚至于纠正人的错误，智能化的界面是一个重要方向。 4 高带宽。新一代的用户界面应该支持高的输入带宽，快速大批量地输入信 息。语音、图像及姿势等的输入和理孵是今后的发展方向。 5 图示编程。图形用户界面的编程是很费时的工作，而采用图示编程( v i s u a l p r o g r a m m i n g ) 则比较简单和直观。新一代的用户界面应尽可能提供图示化的开发 工具。 华北电力大学硕士学位论文 第三章嵌入式图形系统需求分析和体系结构 3 1 嵌入式图形系统的需求分析 嵌入式图形系统的运行环境是嵌入式系统，作为嵌入式系统u i 子模块的开发 组件，必然具备嵌入式系统的共性和自身的特性 3 1 ，1 嵌入式图形系统的一般需求 1 可靠性需求 嵌入式系统的可靠性依赖于系统的实时性和容错性“埘 嵌入式系统很多也是实时系统，因为在嵌入式应用中大多是属于过程控制， 这些领域要求的实时性很强。有实时性需求的嵌入式系统，必须采用嵌入式实时 操作系统保证系统的响应时间。 容错性要求系统的硬件和软件子系统都要有自动的错误避免、错误检测、错 误处理和错误报告等相应考虑，在军事和航空航天等关键领域尤其强调容错性。 2 效率性需求 高效率需求来自两个方面：时间效率和空间效率。 时间效率必须考虑到嵌入式系统的硬件核心单片机或微控制器，其运算 能力通常根本不能和个人计算机c p u 相提并论，所以系统的时间复杂度必须做好 精心设计。 空间效率必须考虑到嵌入式系统的存储空间非常宝贵，系统有限的r o m 、r a m 和f l a s h 等存储介质要求空间复杂度的设计需精确至k b 、b y t e 甚至b i t 。 3 面向应用需求 嵌入式系统是面向具体应用的，可能用于一种工业仪器，也可能用于汽车上 的一种电子装置。嵌入式系统通常只运行存储在r o u 或闪存中的可执行映像，而 通用计算机可以加载、运行磁盘上的各种软件。 嵌入式系统在原理上非常近似，可是在实际应用中由于系统需求的差别，往 往嵌入式系统的配置情况将会千差万剐。嵌入式系统与外界的接口设备都是针对 具体应用的设备，往往具有特殊性，不同应用领域之间差别很大，往往有不同系 列的c p u ，比如x 8 g 、p o w e r p c 等。 3 1 2 嵌入式图形系统的特殊需求 嵌入式图形系统是嵌入式系统中的重要组件，除了满足嵌入式系统的一般特 1 2 华北电力大学硕士学位论文 性之外，还需满足如下要求“”： 1 功能需求 作为嵌入式图形系统，需具备以下方面的功能： ( 1 ) 输入输出硬件设备 支持各种点阵，典型分辨率为6 4 0 x4 8 0 ，3 2 0 x2 4 0 ，1 6 0 x2 4 0 ，1 2 0 x1 6 0 ， 1 2 0 x6 0 等，开发过程中应充分考虑到未来点阵大小的扩充性。 实现对显示输出设备( 如l c d 显示器) 、用户输入设备( 键盘、触摸屏) 的控 制，并通过设备硬件抽象，隔离具体的物理实现，以实现g u i 硬件无关性。 ( 2 ) 图形原语 基本的绘图函数：点p o i n t 、线l i n e 、矩形( 填充) r e c t a n g l e ( f i l l e d ) 、 圆( 填充) c i r c l e ( f i l l e d ) 、椭圆( 填充) e l l i p s e ( f i l l e d ) 和弧线a r c 等。 ( 3 ) 图形文件格式 支持当今大多数流行的通用图形格式，如b m p 、j p e g 和a n i m a t i o ng i f 等。 ( 4 ) 字符集和字体 能灵活支持区域化的多语言字符集，提供挂接不同字符集的接口：并且能够 支持各个字符集到u n i c o d e 之间的转换。要求能够支持中文显示，必要时需要设 计预留抽象的输入法接口，便于嵌入式应用开发商集成第三方软件。 能够提供不同大小点阵的字形，字形可分为固定宽度和可变宽度两种。典型 的中文字形大小为1 2x1 2 、1 6x1 6 等。 ( 5 ) 窗口和控件集合 高效的多窗口机制。支持非全屏幕的可拖动窗口，不同窗口之问可相互覆盖： 同时也须提供全屏幕的窗口机制，在有更高性能要求的情况下，提供进一步优化 的空间；提供丰富的图形控件，用户可以通过继承的方法，轻松地从这些控件中 派生出拥有自己独特风格的新控件，而不必去关心其内部结构；提供简洁、可靠、 高效的a p i ，同时便于维护和扩展，能够满足各种嵌入式应用的需求。 ( 6 ) 通信机制 嵌入式g u i 采取“事件驱动机制”，程序会一直处于一个循环状态，在这个循 环当中，程序从外部输入设备获取某些事件，然后根据这些事件做出某种响应， 并完成定的功能，这个循环直到程序接收到系统某个退出消息为止。 2 高效率需求 嵌入式图形系统模块的性能指标为单位时间实例化个数，主要包括： ( 1 ) 外部事件处理速度 g u i 对外部事件的响应铯力。外部事件包括输入设备引发的中断、操作系统 和系统内其他任务发送的消息。 ( 2 ) 基本图形绘制速度 1 3 华北电力大学硕士学位论文 点、线、框、块、圆、弧和椭圆等图形单元绘制速度。在显示设备可见范围 内任意位置产生随机大小的基本图形。量化指标为单位时间内绘制的个数，并以 较长测试时间中取得的单位时间平均值为准。 ( 3 ) 窗口或控件创建速度 在显示设备可见范围内任意位置创建随机大小的窗口。量化指标为单位时间 内成功创建及绘制完毕的窗口个数或控件数，并以较长测试时间中取得的单位时 间平均值为准。 ( 4 ) 事件驱动机制反应速度 针对窗口及不同控件的典型事件及耗时事件，测试其完成时间。窗口及控件 的大小、复杂程度随机产生量化指标为单位时间内成功处理完毕的事件数，并 以较长测试时间中取得的单位时间平均值为准。 3 可移植性需求 由于嵌入式系统的面向应用特性，这决定了嵌入式g u i 必须能够广泛的适应 各种软硬件平台，应该保证嵌入式应用开发商非常容易地集成商用嵌入式实时操 作系统和支持需要的外部设备。 4 可裁剪性需求 面向应用特性还要求嵌入式图形系统支持各种级别的图形功能。对于高端市 场需求，由于硬件性能优良，需求图形元素种类丰富，图形输出精度高；对于低 端市场需求，因为硬件配置相对较低，系统主要任务不是输入输出，产品成本必 须严格限制。 3 2 嵌入式图形系统的体系结构 一个能满足嵌入式环境要求的图形系统( g u i ) ，从体系结构分层。“的角度来 看，需要有几个抽象层来实现对底层功能的封装和向上层应用提供调用接口。底 层首先封装域点、画线、画矩形、着色、填充等基本的图形函数，继而把这些基 本的图形函数封装成窗口的抽象部件比如按钮、菜单、滚动条等等，这样不仅完 善了g u i 系统功能，同时还为g u i 应用软件开发提供了便利。g u i 系统除了实现 各种不同风格的窗口以及对它们的组织管理以外，还需要实现一种通讯机制来保 证输入输出与g u i 系统、g u i 系统与g u i 应用程序、g u i 系统内部子系统的沟通和 协调，这就是g u i 系统的事件驱动消息机制。因此g u i 体系结构的分层设计思想 不仅易于实现g u i 系统的功能，同时还保证了g u i 系统的可裁剪性、可移植性。 一个基于嵌入式l i n u x 的g u i 体系结构，如图3 - i 所示。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 应用程序 g u 叮 i o 。? ja p i ? 、j + ? 。i 控件层 5 0 ( w i d g e t sl a y e r ) 线程、气 7i 互斥、 i 一 宙口子系统 消息子系统 同步、 擎 ( w i n d o w ss u b - s y a c m ) ( m 笛s a 窖髂 。 内存管理 图形设备接口g d i 逶 s u b - s y s t c l n ) 等 ( g r a p h i c sd c v i c ei n t c r f a c c l + + 篱 ! 设备上下史d e ，遣 ；i ； ( d e v i c ec o n t c x o “ 锈g觏 ；赫跪 一，# * 一，拣毋篱 鬻# 嚣瓣 抽象层( f r a m e b u f f e r 、硬件抽象) 妖人a l l “豫作系玩 l 驱动程序 硬件( 输入、输出设备) 图3 1 基于嵌入式l