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浙江大学硕士学位论文 嗽入环境卜高性能町配置g u i 系统设计 嵌入式环境下高性能可配置g u i 系统设计 摘要 随着计算机科学技术的发展，嵌入式设备计算性能和存储器容量的提高，嵌入式系统得到了越 来越广泛的的应用，嵌入式环境对嵌入式g u i 的需求也越来越迫切。由于没有一个统一的标准和统 一的平台不同、i z 台的嵌入式产品之问无法交流，严重阻碍了嵌入式技术的发展。巾国手机软件技 术联盟( c m s l ) 制定的“下机软件平台a p i 标准”为嵌入式g u i 系统的标准化提供了依据。在遵循 该标准的前提下，如何设计开发一个高性能可配嚣的嵌入式g u i 系统是嵌入式领域的一个新课题。 从嵌入式g u i 系统的发展现状出发，介绍了几种现有的嵌入式g u i 系统，通过相互比较，结 合嵌入式环境的特点，得出了嵌入式g u l 系统需要具有体秘小、 用资源少、可配置、高性能等特 点。 在上述研究基础上，提山了s m a r t g u l 系统的总体粲构，然后逐个介绍了s m a r t g u i 系统的并个 组成部分，特别分析了s m a r t g d t 子系统、窗u 子系统、消息子系统的具体设计实现方法，同时穿 插了一些解决问题的不同思路和s m a r t g u l 系统针对嵌入式环境下的优化方案。 照后用实例给出了s m a r t g u i 系统的碰究结果，并与其它g u i 系统进行了比较，指出了 s m a r t g u l 系统的优点和盅用前景，探讨了s m a r t g u ! 系统构迸一步研究方向。 关键词：嵌入式系统；图形用户界断；硬件抽象培；g d h 窗u 管理机制；事件驱动消息机制： 控件：s m a r t g u h 浙江大学硕士学位论文嵌入式环境卜高性能可配置g u i 系统设计 d e s i g no fh i g hp e r f o r m a n c ea n dc o n f i g u r a b l eg r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c ei ne m b e d d e de n v i r o n m e n t 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 ga n ds t o r a g et e c h n o l o g y e m b e d d e dd e v i c e sa r em o r ew i d e l yu s e d a n dt h e yn e e de m b e d d e dg u is y s t e m sm o r es e r i o u s l yt h a na n yt i m eb e f o r eh o w e v e r ，t h e r ei sn os t a n d a r d f o rd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r st od e v e l o pe m b e d d e ds o f t w a r e s ，w h i c hf o r m sab o t t l e n e c kt op r o g r e s si nt h e e m b e d d e df i e l d u n t i ln o wt h ec h i n am o b i l es o f t w a r el e a g u e ( c m s l ) s t i p u l a t e dt h e “s t a n d a r da p io f m o b i l es o f t w a r ep l a t f o m l ， t h ep a p e rd i s c u s s e sh o wt od e v e l o pah i g hp e r f o r m a n c ea n dc o n f i g u r a b l ee m b e d d e dg u is y s t e m a c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d a tf i r s t ，t h ep a p e ro u t l i n e st h es t a t eo ft h ef i e l do fe m b e d d e dg u is y s t e m ，t h e ni ti n t r o d u c e ss e v e r a l e x i s t i n ge m b e d d e dg u is y s t e m ，a f t e rc o m p a r i n gt h e s ee m b e d d e dg u is y s t e me a c ho t h e r , t h ep a p e rp o i n t s o u tt h ep e c u l i a r i t yo fe m b e d d e dg u is y s t e m ，t h a ti s ，l i g h t n e s s ，l e s sr e s o u r c er e q u i r e m e n t ，h i g h p e r f o r m a n c ea n dc o n f i g u r a b l e b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e ，t h ep a p e rb r i n g so u tt h ef r a m e w o r ko fs m a r t g u ls y s t e mw h i c hi sa n e m b e d d e dg u is y s t e mw i t hs u b c o m p o n e n ta r c h i t e c t u r e t h e nt h ep a p e ra n a l y s e st h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fs u b s y s t e m s o fs m a r t g u ii n c l u d i n gs m a n g d i 、w i d o w i n gs y s t e ma n dm e s s a g i n g s y s t e mf u n i l e m o r e i td i s c u s s e ss e v e r a lo t h e rs o l u t i o n st oo p t i m i z es m a r t g u ls y s t e m f i n a l l ys m a r t g u is y s t e mi sc o m p a r e dw i t ho t h e re m b e d d e dg u is y s t e m su s i n gs o m eb e n c h m a r k st o e v a l u a t es m a r t g u ls y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；g u i ；h a r d w a r ea b s t r a c tl a y e r ；g d i ；w i n d o w i n gs y s t e m ； m e s s a g i n gs y s t e m ；c o n t r o l ；s m a r t g u l 浙江大学硕十学位论文 嵌入a 环境f 商性能叮配置g u i 系统殴汁 第一章绪论 1 1 研究背景 随着科学技本的迅速笈餍，计算机技术、互酝铷技术、信息技术进一步发袋数化信息化时 代已经来临。结合计算机技术、信息技术和消费电子一i 者特点的嵌入式产品成为数7 化信息化时代 的主流产品，世界各国在嵌入式领域展开了激烈竞争。由丁嵌入式系统的应用领域非常广泛包括 办公自动化、消费电子、通信设备、智能仪器、军事电子设备和航天航空设备等并个方面，所以嵌 入式系统对于一个国家未来经济和科技的发艘垒关重要。 嵌入式系统是嵌入到对象体系巾的用计算机系统。“嵌入性”、“争用性”和“计算机系统”是 嵌入式系统的三个基本的要素，由丁足嵌入到对象体系巾古的，所以嵌入式系统一般功能单一、简 单、酱遍存在着c p u 运算速度慢、内存蒋最小等特点，由丁这些硬件环境的限制，闻此一直以求， 嵌入式系统大多采用文字用户界血报少采用圈形用户界叫。 但近几年，嵌入式系统硬件性能迅速提高如信息家电、p d a 、于机等，多种赋入式硬件设铬 和嵌入式操作系统得到了发展。现有的嵌入式操作系统包括w i n c e 、v x w o r k s 、s y m b i a n 、p a l m o s 、 l i n u x 等，尽管f ，主流地位的操作系统仍是v x w o r k s 、p a j m o s 等商业操作系统，但另一方面开源的 操作系统如l i n u x 也得到了更多嵌入式厂商的支持，扶得了进一步发展。 但是，多样化的嗽入式，p 台和嵌入式技术标准同时也给资源共亭和资源交流带米了极大的阻，j ， 如在手机领域各个不同品牌手机之m 数据4 i 能自由交换为符个小同品牌下机开发的软件不能重 复使用，造成了严重的资源浪费。 随着嵌入式系统的发展，图形用户界【f 【f 小但成为嵌入式系统的必箭部分。作为与用户商接交互 的【欧入式g u i 系统成为嵌入式系统的一个重耍组成部分。目前常见的谢向嵌入式设前的g u i 系绒 肯q t e 、m i c r o w i n d o w s 、m i n i g u l 、o p e n g u l 等。 嵌入式领域的一个非常重要的产品就足丁机，它的发麒集巾体现了嵌入式技术在通讯行业的府 用状况。孓饥融合了嵌入式通讯、嵌入式操作系统、 汝入式数据管理系统与无线嘲络等技术，成为 数字信息技术时代的典型产品。 为了适应巾国手机行业的快速发展，提高下机软件开发，效冲i ，增强下机应用软件资源的菇享性， 在国家8 6 3 的领导和推动下，由浙江大学、中科院北京凯崽吴鹏软件下程技术有限公司、北京科银 京成技术有限公一j 、北京普天慧讯信息技术骨限公司等公司发起，中国手机软件技术联盟( 简称 c m s l ) 应运而生。 c m s l 特制定“手机软件平台a p i 标准”i i l ，为手机开发商、下机软件i f 台供应商及 蛙用软件开发 商等提供统一、规范、全面的手机软件平台a p i 接 j 标准。统一标准的a p i ，降低于机廊用软件重 复开发的成本有效缩短手机软件开发蒯期。这4 i 仪有利丁共同推进丁机市场形成、空间划分以及 捍下我国国产软件产业发摧的空h j ，而且有利丁在有限技术资源j 共字、保护年u 利用：史为重要的 浙江大学坝上学位论文 嵌入式环境下岛性能口f 配置g u i 系统设计 是，对于形成我国自主的技术标准规范和市场准入规程意义巨大。 浙江大学嵌入式研发中心在遵循上述标准的前提下，提出了s m a r t l 体系结构的概念。其指导 思想是：嵌入式系统中的各个模块可以拆分成构件，而构件又是由更加细粒度的子构件组合而成； 软件弹性化设计，可按照子构件为单位进行任意剪裁：支持子构件优化；应用特制。参见图1 1 。 图1 1 手机软件平台体系结构 s m a r t g u i 系统就是整个s m a r t 体系结构的个组成部分。在手机软件平台a p i 标准中承担 了与用户交互的任务，为用户提供完接的图形用户界覆开发库。 1 2 主要研究内容 嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可以裁减，嵌入到对象体 系中的对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。因而。嵌入式系统与通 用型计算机系统相比具有低功耗、体积小、集成度高、高可靠性、高效率等特点。嵌入式g u i 系统 作为嵌入式系统的个重要组成部分，不仅要实现瞢避g u i 系统提供的功能( 如输入输出功能、幽 形操作接口、窗口和控件集合、通信机制等) ，还需要满足嵌入式环境对嵌入式g u i 系统的特殊要 求。嵌入式环境下的g u l 系统要求简单、直观、可靠、占用资源小且反应速度快，以适应系统硬件 资源有限的环境。同时，由于嵌入式环境的多样性和嵌入式硬件本身的特殊性跨平台、高移植性 也是嵌入式g u i 系统必须具备的特点。总体来讲，嵌入式g u i 应该具备以下特点： ( 1 ) 体积小： ( 2 ) 运行时耗用系统资源小； ( 3 ) 上层接口与硬件无关，高度可移植： ( 4 ) 高可靠性： ( 5 ) 在某些应用场合应具备实时性。 针对上述特点，在深入分析当今主流图形用户界面系统开发技术和比较现有嵌入式g u i 系统的 基础上，研究如何设计一个跨平台的高性能可配置图形用户界面系统。 1 s u b - c o m p o n e n t a r c h i t e c t u r e ，子构件体系结构的意思。 7 浙江大学硕士学位论文嵌入代环境下高性能a t 配置g u i 系统设计 1 3 论文组织 本文首先介绍了嵌入式图形用户抖叫的研究背景和础f 究现状。 第一：章分析了些嵌入式底层图形库和高级图形库同时还分析了现有嵌入式g u i 系统如裁减 后的x w i n d o w 、矾i c r o w i n d o w s 、o p e n g u l 、q t e r a b e d d e d 、赫l n l g u l 。 第二章在比较现有嵌八式g u r 系统的基础上，提出了s m a r t g u l 系统的设计方法和总体架构班 及各个子系统的主要功能。 第四章详细讲述了s m a r t g d l 子系统的各种g d i 对象的概念、功能和设计，并叙述了s m a r t g d 为上层系统提供的备种功能。 第五章着重分析了s m a r t g u i 窗【j 子系统的设计方法特别是窗 j 子系统巾非常关键的窗l l 树、 z 序、剪切域等概念和设训方法。 第六章介绍了s m a r t g u i 的消息子系统侧重分析了事件驱动消息机制的运行原理和设计重点。 第七章给出了几个实例，显示了s m a r t g u i 系统的能力和性能。 第八章总结了开发s m a r t g u i 系统的经验提山了s m a r t g u l 系纰下一阶段开发的些新的崽路。 i l r l i i 学砸十学位论文 眦 止环境r 高性能町配置g u 系统设汁 第二章嵌入式g u i 发展现状 2 1 嵌入式o s 简介 从上世纪七十年代嵌入式系统出现以来，嵌入式技术【2 1 经历了几个发展阶段，特别是嵌入式操 作系统的出现+ 标忠着嵌入式系统进 丁新的整胜阶段。目前国际上著名的商用猷八式系统和专有 操作系统有w i n c e 、v x w o r k s 、l i n u x 、p a l m o s 等。 2 1 1w i n c e w i n d o w sc e 是微软开，发的一个开放的、可升绒的3 2 位嵌人式操作系统，可以应崩在吾种嵌 入式产品中，包括r - 持电脑、消费电予等产品。它足精简的w i n d o w s 。w i n d o w sc e 系统提供山存 管理、抢先多任务年i j 中断处理等多种功能，井且封装了与w i n d o w s 系列同样图形耳l 格的g u i 系统， 提供与w i n d o w s 系列兼容的g u i 接口使得绝太多数w i n d o w s 5 台上的应用程序只需简单的修改 就能移植到w i n c e - 1 - 台上。但w i n c e 币开放源代码，第二方根难实现g u t 的定制，同时w i n c e 体积较大支持的硬件环境较少，还有相对而弃的较高价格都是需要权衡的同素。 2 1 2l i n u x l i n u x 足一个开放源代码的操作系统，具白精简的内核，很高的运行效率，可毗适用于玎i 同的 c p u 支持多种体系结壮如x 8 6 、a r m 、m p s 苷。似足l i n u x l ”作为嗷入式操作系统，还需要进 行适当的裁减1 4 2 】，目前冉r t l i n u x ( 实时l i n u x ) 、u c l i n u x ( 用j 4 1 二m m u 2 设箝的l i n u x ) 、m o n t a v i s t a l i n u x ( 用于a r m 、m i p s 、p p cf | 勺l i n u x 分笸版) 、a r m f 。i n u x ( a r m 上的l i m l x ) 等用于嵌人式 环境的l i n u x 系统。同i 付l i n u x 没有封装g u i 系统，需要第二矗来实玑，丑没有统的标准，徉易 有多个小兼容的版本影响资镡的共享耳u 交流。 2 1 3v x w o r k s v x w o r k s 足美国w i n d r i v c r 公司于1 9 8 3 年璇引开发的一种嵌入式安侉操作系统( p t o s ) ，是 t o r n a d o 嵌入式开发环境的关键自l 成都分。v x w o r k s 提供了基于优先数的c p ij 抢占调度、任务与中 断上问的通信，高性能的内核，蜜时的系统瓷源，具有报蛐柏可靠性。v x w o r k s 是目前嵌入式领域 中使用避。泛、市场占有率最高的系统。它j 1 泛j 衄用在通信、军事、航天航空等高要求技术和高实 时性耍求的领域中。它支持多种处理器，如x 8 6 、m i p s 等等。v x w o r k s 支持的环境和t j n i x 系列币 兼容，并且v x w o r k s 的大多数a p i 是 有的，小利丁垮- 台和移植。肯关v x w o r k s f i 勺进一步信息， 兼释，并且v x w o r l e ；的太多数a p i 是拿自的，小利丁噼、r 台和移植。肯关v x w o r k s 构进一步信息 即内存管理中儿。 浙江大学硕十学位论文喙入a 环境f 高性能“r 配霄g u i 系统设计 第二章嵌入式g u i 发展现状 2 1 嵌入式o s 简介 从上世纪七十年代嵌入式系统出现以来，嵌入式技术经历了几个发艘阶段，特别是嵌入式操 作系统的出现，标志着嵌入式系统进入了新的发艘阶段。目前国际上著名的商用嵌入式系统和争有 操作系统有w i n c e 、v x w o r k s 、l i n u x 、p a l m o s 等。 2 1 1w i n c e w i n d o w sc e 是微软开发的一个开放的、可升缴的3 2 位嵌入式操作系统可以成用在各种嵌 入式产品巾，包括下持电脑、消费电子等产品。它足精简的w i n d o w s 。w i n d o w sc e 系统提供内存 管理、抢先多任务和巾断处理等多种功能，并且封装丁与w i n d o w s 系列同样图形风格的g u i 系统， 提供与w i n d o w s 系列兼容的g u i 接u ，使得绝大多数w i n d o w s 、l 台上的应用程序只需简单的修改 就能移植到w i n c e ，f 台上。但w i n c e4 i 开放源代码，第二三方根难实现g u i 的定制同时w i n c e 体积较大。支持的硬件环境较少还有相对丽者的较高价格都是需要权衡的冈素。 2 1 2l i n u x l i n u x 足一个开放源代码的操作系统，具有精简的内核，报高的运行敛率可以适用丁二4 i 同的 c p u 支持多种体系结构如x 8 6 、a r m 、m i p s 等。但足l i n u x i s 作为嵌入式操作系统，还需要进 行适当的裁减【4 , 5 1 ，i s l 前有r t l i n u x ( 实f f l i n u x ) 、u c l i n u x ( 用t - l l _ _ m m u 2 设稀的l i n u x ) 、m o n t a vj s t a l i n u x ( 用于a r m 、m i p s 、p p c 的l i n u x 分笈版) 、a r m l i n u x ( a r m 上的l i n u x ) 等用r 嵌入式 环境的l i n u x 系统。同时l i n u x 没有封装g u i 系统，需要第方米实现，且没育统一的标准，窬易 有多个4 i 兼容的版本，影响资源的共享和交流。 2 1 3v x w 0 r k s v x w o r k s 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实时操作系统( r t o s ) ，足 t o r n a d o 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r 优先级的c p u 抢占调度、任务与巾 断之间的通信，高性能的内核，蛮时的系统资源，具有很弘的可靠性。v x w o r k s 足目前嵌入式领域 中使用最j 、泛、市场占有率蛙商的系统。它j “泛戊用在通信、军事、航天航空等商要求技术和高寅 时性要求的领域巾。它支持多种处理器，如x 8 6 、m i p s 等等。v x w o r k s 支持的环境和u n i x 系列夸 兼容，并且v x w o r k s 的大多数a p i 是譬古的，4 i 刹1 跨、r 台和移植。胄关v x w o r k s 的进一步信息， 2 即山存管理甲，乙 浙江大学颂士学位论文 嵌入式环境卜离性能可配置g u i 系统设h 可参阅h t t p ：w w w w i n d r i v e r c o n v 。 2 1 4p a l m 0 s p a l m o s 是p a l m 公司开发的譬门用丁p d a 上的一种操作系统，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白行开发所需要的应用柙序目 前大约有数千种号门为p a l m o s 编写的j 衄用柙序，软件资源相1 丰富。同时p a l m o sj 丕具有设计简 洁、效率高的特点。 2 2 嵌入式底层图形库 底层图形库是在操作系统基础上为其他高级图形库或青图形应用程序提供服务的基本函数库。 这些嵌入式底层图形库1 6 1 ( 函数库) 包括：x w i n d o w 、s v g a l i b 、f r a m e b u f f e r 、w i n c eg d i 等等。 2 2 1xw i n d o w x w i n d o w 相同是1 9 8 4 年冀国麻省理丁学院开发的一个图形用户界血系统，住目前娄u n i x 操 作系统巾处r 控制地位。xw i n d o w 足一个相光优秀的图形用户界叫系统，所以有根多j 商在 x w i n d o w 系统上面开发应用程序，使得任x w i n d o w 上血的资源柏丰高。xw i n d o w 系统采用标准 的客户脂技务器体系结构，其中x 服务器住一台训算机l 运行+ 控制显叫器和输入设挤，为x 客户 提供图形显示服务，而x 客户通过刚络与x 服务器通讯，向x 月鲢务器发出显卅请求。这也就意味 着，客户和x 服务器可能在同一台计算机上运行也可能在小同的讣算机上运行。x w i n d o w 的这 种体系结构具有可扩展性好、可移植性好等优点。 2 2 2s v g a l i b s v g a l i b 是l i n u xc o n s o l e 下的非x 图形支持库。s v g a l i b 支持许多常见的s v g a # ，包括 t r i d e n t t v g a 9 4 4 0 、s 3t r i 0 6 4 等。s v g a l i b 肓 像d o s 下的v g a 编柙。但足由于s v g a l i b 一商 向下兼容，保留的很多老接乙j 币能很好的支持新的显4 i 硬件同时对新显爪设备的加速功能的支持 比较缺乏。所以目前s v g a l i b 的成用范嗣并1 i 太f ，小过经常用米制始化芯片的显小模式。 s v g a l - b 跨f 台支持比较弱，只能运行在x 8 6 r 台上。 2 2 3f r a m e b u 仃e r f r a m e b u f f e r 即帧缓冲，因为l i n u xt 作在保护模式下，所以用户态进程没法像d o s 一样直接用 显卡b i o s 提供的中断来实现直接写屏幕所以l i n u x 22 x x 肉核当巾提供了f r a m e b u f f e r 米供用户 浙江大学硕士学位论文 嵌入武环境卜高悱能町配置g u i 系统设计 态进稃商接写屏。f r a m e b u f f e r 将显吖i 设并抽象为帧缓冲慝，从用户的角度来看可以认为足显川i 内 存的一个映像，然后将f r a m e b u f f e r 映射到进秤地址空州就可以商接进，仃读写操作了，并且写操作 直接在屏幕上显示。由于f r a m e b u f f e r 主要足依据v e s a 标准实现的所以只能实现最简单的功能。 在应用程序中，一般先打开f r a m e b u f f e r 设祷，然后通过m m a p 系统调用将显卡的物理内存空问映 射到进程地址空间，映刳后就可以直接写内存丁。 应用程序还可以通过f r a m e b u f f e r 的i o c t l 命令米扶取显小设稀的一些同定信息，包括现存大小、 显示模式等。也可以通过映射将显k 的寄存器映射到内存空间提供给用户态进程进行操作，但足， 由于涉及内核的问题，f r a m e b u f f e r 小允许在系统起来后修改显_ ：模式等操作的，还有，对f r a m e b u f f e r 的修改将会涉及到本机所有控制台的输出。 总的来说，用f r a m e b u f i e r 底层函数库米开发俺用稆| 孚的话腑用桴序需要完成大部分的绘图 功能，冈为f r a m e b u f f e r 只提供了物理显存刊显 寄存器到进干q 空问的一个映射，没宵提供具体的 绘图函数之类的功能，f r a m e b u f f e rh 足一个用米l 画图的四布。 2 2 4l i b g g i l i b g g i 足一个跨平台的底层函数库。它试图设计一个包括输入输出的通用图形接u 。l i b g g 甘前可以运行在s v g a l i b 、x w i n d o w 和f r a m e b u f f e r 等等上l 且。但足l i b g g i 的性能效果并彳i 理想 并且最近几年l b g g i 的发展相当缓慢。 2 3 嵌入式高级图形库 | 投入式高级图形库( 叫一般是建立住【欧入式底层图形庠之上，为用户或青g u i 系统提供高级图形 功能的函数库。常见的嵌入式高绒图形库有x l i b 、s d l 、a l l e g r o 、m e s a 3 d 、d i r e c t f b 等。 2 3 1x l i b 在xw i n d o w 系统下进行图形编程时，可以选择商接使用x l i b 。x l i b 7 1 实际足对底层x 绑议 的封装，可通过该函数库进行一般的图形输出。由丁x l i b 的接u 太原始太复杂，小适j j ：一般用户 使用所以在x l i b 图形库上出现了如g d k 之类的高级一点的函数库。几个每个g d k 函数都是一 个相应的x l i b 函数的封装，但是x l i b 的复杂性被隐藏起米。 2 3 2s d l s d l ( s i m p l e d i r e c t l v l e d i a l a y e r ) 例足一个跨、f 台的多媒体游戏支持庠。其巾包含了对图形、声 音、游戏杆、鼠标键盘等等的支持，目前可以运行l i n u x 、w i n d o w s 、b e o s 、m a c o s c l a s s i c 、m a c o s x 、f r e e b s d 、q n x 等p 台上。冈为s d l 足擘门为游戏和多媒体心用丽设讣开发的，所毗它对图 浙江大学硕士学位论文 嵌入式环境r 高性能町配置g u i 系统 歧计 形的支持非常优秀，尤其是高级图形能力。s d l 现在j 领域。 由于s d l 足c 语言开发的。体税较小，性能优异 是一个不错的选择。 泛麻用于m p e g 播放软件、模拟器、游戏等 所以采用s d l 来作为图形庠开发g u l 系统 2 3 3a l l e g r o a l l e g r o 足一个为c 、c + + 开发辑提供的赫戏开放圈形库，支持d o s 、类u n i x ( 1 i n u x 、f r e e b s d 、 s o l a r i s 、d a r w i n ) 、w i n d o w s 、q n x 、b e o s 捌m a c o sx 等、r 台。它提供了许多显求、声音和输入输 i 出接“，还提供了浮点运算、3 d 运算等丰富的函数。 a l l e g r o 能着色到各种类型的位图和硬件加速的环境中，具有较好的维图形显d i 能力。由于 a l l e g r o 的许多关键代码是采用汇编编写的。所以a l l e g r o 的运算速度较快。但足a l l e g r o 没有对线 程安全进行完善的设计，存在案小安全的隐患。 2 3 4m e s a 3 d m e s a 3 d 是一个3 d 图形库，它的接u 有点类似o p e n g l 3 的接u 。m e s a 3 d 蛙初足为u n i x x ii 系统设计的，目前能够运行在xw i n d o w 、b e o s 、l i n u x 、w i n d o w s 、o s 2 等、r 台上。m e s a 3 d 作 为一个拿业的3 d 图形库。对3 d 加速的支持非常优秀。 2 3 sd i r e e t f b d i r e c t f b 足一个小巧的基rl i n u xf r a m e b u f f e r 硬件加速的一个图形库，它试图建立一个兼容 g t 一的嵌入式g u i 系统。d i r e c t f b 对硬件4 i 支持的功能，用软件进行了模拟实现。它除了提供 常用的绘图接i = = | 以外，还提供了一些简单的a l p h a 混合、3 d 贴图等高级功能。 2 4 现有嵌入式g u i 系统分析 近几年，随肴嵌入式领城软件和硬件技术的快速发胜，嵌入式系统对高性能、高可靠、可配置 的嵌入式g u i 系统的需求也越来越迫切。前嵌入式系统巾的g u i 实现方式盟然多种多样，但从 j 一商的角度米分，可以分为以下几类： ( 1 ) 按照需求白己开发满足臼己的需求的g u i 系统。 ( 2 ) j 商尽提供g u i 系统，由戍用程序白己负责图形用户界嘶的实现。 3 o p e n g l 是个专业的3 d 程序接口，是个功能强火，调用力便的底层3 d 幽形库。 4 g t k ( g i m p t o o l k i t ) 是个生成g u i 的片按l g p l 发柏。蛙初是为g i m p 写的，侗目前已发展为个功能强人 世计灵活的一个通用。具。 浙江大学硕士学位论文嵌入式环境卜高忭能u r 配置g u i 系统殴计 ( 3 ) 采用比较成熟的g u i 系统的设讣方法，如m i c r o w i n d o w s 、m i n i g u i 等，设计一个支持大多 数常见g u i 对象的戍用编 接u 库，或# 直接购买成熟的g u i 系统。 嵌入式g u i 系统是一个跟用户商接交互的l 台晦该遵循一定的标准，如丁机软件、r 台a p i 标准。在上述二种解决方法中筇一种方法能够设引满足特定需求的嵌入式g u i ，也可能具有简捷、 高教等特点。但它存在着专业性强和开发成本高的缺 ，并且需求有所改变叫，都要重新进行开 发，显然与当今嵌入式系统软硬件飞速发展的环境小向适合。筇：种方法足一种临时解决方案。利 用这种手段编写的程序无法清楚的划分显示功能和数据处理功能，不仪车晕序结构层次4 ；清晰，而 且大量代码重复，不适合调试捌维护。筇种方法珏前被大多数j + 商采用。在l i n u x 之上进行嵌 入式系统开发的厂商，一般选择的g u i 系统有：裁减后的x w i n d o w 、m i n i g u l 、m i c 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。 2 4 1 裁减后的x w i n d o w x w i n d o w 足l i n u x 和其他类u n i x 系统的标准g u i 。x w i n d o w 采用的足客户服务器式的结构 模型。它由x 协议、x 服务器、x 客户和x l i b 函数库等几部分组成。x 客户就足j 锌户程序，足指在 本地或者9 5 9 络上运行的利用x 服务器进行显小输出的心用程序。x 服务器是一个图形丁作站上运行 前服务进辊，负责对显1 器的输出键舰和鼠标前输入进行管理。餐户与服务器通过嘲络协议进行 通讯。x w i n d o w 将系统依赖硬件的大部分 i l 节都隐蔽住x s e r v e r 中，使得x w i n d o w 程序具有设备 独立性。 x w i n d o w 系统采用的标准的客户服务器体系结构具有可扩艘性查r ，、可移植性好等优点，同时 也导致了g u i 系统的庞大和低效牢。为了运行在嵌入式环境下，许多家通过对xw i n d o w 系统进 行裁减成t h w x 。 2 4 2m i c r o w i n d o w s ，n a n o x m i c r o w i n d o w s 9 1 是一个箸名的开放源码的项目由炎囡c e n t u r ys o f t w a r e 公吲主持开发，目的 是把图形用户界面引入到运行l i n u x 的小犁设符车u 、r 台上米。作为x w i n d o w 的替代品， m i c 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f h j 提供0x w i n d o w 档似的功能。m i c r o w i n d o w s 目前支持l i n u x 下的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、r 台。 r i c r o w i n d o w s t m i 是一个基于标准客户服务器体系结构的g u t 系统，体系结构可咀分为= 鹾。 虽底层图形、输入输出的驱动层封装了硬件的操作接u ：中间壕是类似g d i 的图形引擎层，封装 了基本的绘图操作如画点、画线、填充。并提供了一些基础的圈形对象如7 7 体等，中间层还负责窗 口的组织和管理。最高层提供了两套a p i 接u ，一套是w i n 3 2 风格的拨u ，男一套足兼锌x w i n d o w 的接口。 由丁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r 台性。它基本上用c 爵苦 浙江大学项十学位论文嵌八，t 环境卜高什能u r 配置g u i 系统破计 实现，只有一些关键代码使用了汇编以提高述度，所以可修改性比较强。 但是m i c r o w i n d o w s 的图形引擎层的算注没有经过优化，影响了整体性能。 2 4 3o p e n g u i o p e n g u i 1 即f a s t g l ，之所以称为f a s t g l 。是闻为o p e n g u l 的绘图性能非常优秀。o p e n g u t 目前支持多种操作系统平台，比如m s d o s 、o n x 年ul 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j p 台。 o p e n g u i 也分为崖。最低培足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；巾刚崖则在底层绘图引擎的基础j ，封装了基础的绘图函数如曲线、i 匦l 矩形、填充 等。o p e n g u l 的最上层足用c 十+ 写的先祭的g u i 心用接u 。 由to p e n g u i 的核心足用汇编写的所以o p e n g u l 具肯稳定性高、运行速度快，r 【1 用资源少 的有点，但同时也导致了可移植性、跨、r 台性、可配置性相对较蔗。 2 4 4q t e m b e d d e d q t e m b e d d e d 足著名的挪威t r o l l t e c h 公刮发布的缸向嵌入式卅、境的q t 版本。它擘门为小型 设备提供图形用户界面的应用框架和窗l j 系统它提供了丰富的窗l 小部件( w i d g e t s ) ，并且j 丕支 持窗u 部件的定制，冈此它可以为用户提供漂亮的图形界叫。同时冈为0 t 住l i n u x 上面的心用比较 广泛，所以何许多基于o t 的xw i n d o w 稆序可以非常方便地移植到q t e m b e d d e d 版本上。换句 话说，q t e m b e d d e d 并小足针对嵌入式环境设计的，而足对现自桌血o l 的移植。 q t e m b e d d e d 采用f r a m e b u f f e r 作为底培图形接l j 。同t t j ，将外部输入设符抽象为k e y b o a r d 和 m o u s e 输入事件，q t e m b e d d e d 柏麻用桥序可以直接写内存帧缓冲，避免了开发扁侄用繁琐的x l i b 系统。 但足q t e m b e d d e d 足用c + + 实现的，所以相对米说体税较大、效率较低性能上有所欠缺。 并且q t e m b e d d e d 足对q t 的移植，所以它的j ) c l 格与嵌入式环境的要求_ i 柏适应。q f f e m b e d d e d 的结 构与o t 类似，比较复杂，难于扩展和移植。 2 4 5m i n i g u i m i n i g u l 1 2 1 足由国内的魏永叫先生【”“6 主持开发的一个白由软件项目( 遵循l g p l 条款发 布) ，其e | 标是为基下l i n u x 的实时嵌入式系统提供一个轻昂鳜的图形用户界血支持系统。 m i n i g u l 提出了图形抽象层的概念，提供了完符的多窗u 机制。图形抽豫崖对顶层a p i 基本 没肯影响但大大方便了m i n i g u ij 衄用行序的移植、调试等1 作。目前包含二个图形引擎， s v g a l i b 、l i b g g i 以及壳接基丁l i n u xf r a m e b u f f e r 的n a t i v ee n g m e 利用l i b g g i 时，可在x w i n d o w 上运行m i n i g u l 席用程序。但是m i n i g u i 没有实现类似，w i n d o w s 下的g d l 对象返不 1 4 浙江大学硕士学位论文 嵌入式环境卜高性能可配置g u i 系统设h 利于上层应用程序灵活调用。 m i n i g u l 到前具有两个小同架构的版本。可选择具柯多线秆版羊u 没宵多线程的m i n i g u il i t e 版。 2 4 。6 现有嵌入式g u i 的比较 下表2 1 综合比较了现有嵌入式g u i 系统的4 i 同。 g u l 名称w i n c em i n i g u lm i c r o w i n d o w s0 p e n g u lo t ，e r o b e d d e d a p i 风格 w i n 3 2w i n 3 2 x w i r l 3 2 子集 私有 q t 风格 g u i 大小较大较小一般较小较大 可靠性 好一般 较蔗 好一般 可移植性 蔗 好好 蔗妤 可配置和可 较茅好( 提供了一般 蔗芹 定制性多个版本】 性能 井立 一般 很好芹 运行硬件环x 8 6x 8 6 、a r m 、x 8 6 、a r m 、 x 8 6 x 8 6 、a r m 、 境m i p s、m i p s、 s 仃o n g a r m p o w e r p c 、 s t r o n g a r m s t r o n g a r m o s 支持w i n c el i n u xl i n u xd o s 、l i n u x 、l i n u x 、w i n c e q n x 多语种支持好好( 特别对般 一般一般 中文支持很 好) 是古开发源古 l g p l 5 m p l l g p l l g p l q p l g p l 代码 5 较宽松公共许可证。 丧2 1 嵌入，g u i 系统比较 浙江1 人学碗 = 学位论文 嵌入，环境r 高n 能叫配冒g u i 系绒设计 第三章s m a r t g u l 系统概述 3 1g u i 系统总体架构 一个能满足嵌入式环境要求的g u i 系统从体系结蜘分崖i “i 的角度来看霈耍有几个抽象层沫 实现对底层功能的封装和向上层应用提供调用按l j 。封姨的原冈在于上层城用程序住开发g u i 应用 软件时一点一点的i m i 出像素显然是4 i 现实的，所以g u i 开发系统必须实现l 四i 点、衄线、画矩形、 画圆形、画h i 规则形、着色、填充等等基本的图形函数，使得g u i 廊用软件开发人员h ；用去管圊一 条线要几个点以及如何让显示器显h 等并种各样低层次的t 作。这些图形函数就称为g u i 的基本