基於Microwindows的嵌入式Linux輕量級圖形應用庫的設計

    嵌入式Linux系統的很多應用領域，諸如消費類電子產品、測量控制設備等，圖形用戶界面不僅在技術上是軟體系統設計的一個重點，而且在商業上也關係到用戶對該產品接受的程度。根據產品功能低高端的不同定位，系統設計對圖形用戶界面的要求也不同，一般大致可以分為單進程方式的輕量級圖形界面和多任務窗口系統圖形用戶界面GUI，前者主要用於低端的信息終端和工業控制系統，後者主要用於PDA、機頂盒、DVD/VCD播放機、WAP手機等產品中。
    目前，在Linux操作系統中，一般可將圖形應用庫粗略地分為三個不同層次。第一層次是圖形基礎設施，它們本身沒有提供相應的應用程序編程介面，而是集成在操作系統中或採用某種封裝形式，用作其他高級圖形或者應用程序的基本函數庫，較典型的有X Window、SVGALib、framebuffer(幀緩衝)和LibGGI等；第二層次是高級函數庫，它們提供了大量的應用程序編程介面，較典型的有Xlib、GDK、GTK+、QT、SDL、OpenGL、PEG和DirectFB等；第三層次多任務窗口系統圖形用戶界面GUI，較典型的有Microwindows、OpenGUI、Qt/Embedded和MiniGUI等。
    在低端的嵌入式系統中， 由於用戶圖形界面僅僅需要用到一些簡單的畫點、畫線、圖片顯示和中西文輸入/顯示等，同時考慮到成本、佔資源大小和穩定性等諸多因素，因此在對Microwindows進行相應裁減的基礎上進行應用圖形庫的設計。

1 Microwindows的分層結構
   Microwindows是一個著名的開放源碼的嵌入式GUI軟體，專門用於小型嵌入式設備上開發高性能圖形應用程序和多任務窗口系統。它用C語言實現，可移植性好，能夠在嵌入式Linux上運行。目前，它不僅可以在支持Framebuffer的32位嵌入式Linux系統上運行，還可以在SVGALib庫上運行，甚至可以被移植到16位的ELKS和實模式的MSDOS上。
   Microwindows採用分層結構設計，共有三層(見圖1)。底層驅動層是面向基本的圖形輸出和鍵盤、滑鼠或觸摸屏的驅動程序，在程序中通過相應的數據結構就能訪問實際的硬體設備；中間引擎層提供底層硬體的抽象介面，是一個可移植的圖形引擎，提供點線繪製、區域填充、多邊形繪製、裁減和RGB顏色模式使用等；最高應用層分別提供兼容於X Window 和Windows CE(Win32子集)的API，同時提供窗口管理。
  
   底層驅動層也叫設備與平台相關層，這一層的功能是將系統與設備和操作系統平台的具體細節屏蔽起來。它通過實際的設備驅動程序介面或者OS系統調用來與硬體設備交互，這些硬體設備主要包括屏幕、滑鼠和鍵盤等。我們使用設備對象(device object)的概念來描述一類設備，每一個對象描述了一類實際設備的屬性和方法。比如，屏幕設備對象就描述了其各種屬性(屏幕尺寸、解析度、像素深度、像素格式、邏輯顯存首地址等)和基本方法(打開和關閉顯示器、設置調色板、返回屏幕屬性、讀寫像素點等)。最底層實際上是以設備對象的方式為中間層提供了一個抽象的設備驅動界面。Microwindows在這一層中對屏幕、滑鼠、觸摸屏和鍵盤等設備分別定義了一個對應的數據結構。其中，屏幕設備驅動結構體SCREENDEVICE指定了諸如設備的大小、硬體使用的圖形模式等底層的顯示情況以及打開、關閉、畫點線等方法；鍵盤設備驅動結構體KBDDEVICE定義打開、關閉和讀取鍵值等方法； 屏幕信息的結構體MWSCREENINFO和點陣圖信息的結構體MWIMAGEINFO是兩個常用的結構體，用以取得當前打開的顯示屏幕和點陣圖的長、寬、位色等屬性值。
    中間引擎層也叫設備與平台無關層，這一層的功能是提供一個可以為各種應用層共享的與設備無關的核心圖形引擎，其中的主要工作就是實現各種圖形函數和輸入設備的功能函數。對於中間層，它向下看到的是各類設備對象，向上則是要提供一個抽象的核心圖形界面，使得上面的應用層對它所使用的到底是什麼設備對象不用去理會。當運行在Linux系統中時，Microwindows提供的所有繪圖函數都是通過調用底層屏幕驅動Framebuffer或SVGALib來實現的。它支持行繪製、區域填充、剪切以及RGB顏色模型，控制字體的顯示等。
   最高層即應用層，這一層的功能是按照應用的具體要求為應用程序提供適當的應用層用戶界面。當應用程序不需要窗口系統的時候，用戶自定義圖形界面將十分簡單，甚至可以什麼都不做而直接使用中間層提供的抽象核心界面(本文討論的圖形應用庫就是基於該原理來構建的)。如果用戶需要完善多任務窗口系統，則可以使用抽象核心界面來實現其應用程序編程介面(API)以及窗口和消息機制等。Microwindows實現了MicrosoftWin32/WinCE圖形顯示介面(GDI)和Xlib(XWindows)介面兩種API以適應不同的應用環境。其中前者應用於所有的Windows CE和Win32應用程序，用於設計類Win32圖形用戶界面GUI；後者就像Nano-X，應用於所有Linux X插件集的最底層，這樣可讓Linux圖形程序員X介面開發圖形應用程序。
    顯然，Microwindows的分層設計使得其能夠在需要的時候易於改寫和定製，能夠運行在任何支持Framebufer的Linux系統(2.2以上版本的內核)中，這些特點使得Microwindows在嵌入式系統設計中的應用十分廣泛。

2 圖形應用庫的設計
    儘管Microwindwos已經提供了一個全功能的可視化圖形用戶界面開發工具，但是由它生成的代碼量很大，在某些類低端的嵌入式Linux系統中不適合，因此，設計一個面向低端的、非窗口管理的基本圖形應用庫就顯得非常重要。它佔用較少的磁碟空間和較少的內存開銷，旨在為嵌入式系統構建基本的圖形用戶界面提供編程介面。基本圖形應用庫的設計思路是以Microwindows驅動層和獨立圖形引擎層為核心，將它們抽取出來，不再採用分層結構，最後構建一個儘可能小的、滿足繪圖、顯示、中文輸入等功能的輕量級圖形應用庫。該圖形應用庫類似於Turboc C，支持灰度/彩色LCD和PS/2鍵盤，屏幕驅動支持1/2/4/8/l6/32bpp，能進行相應的中西文輸入和顯示；具有強大的繪圖功能，包括畫線、區域填充、畫多邊形、剪貼和圖形模塊等。顯然，由於圖形庫以framebufer為基礎，無需特殊操作系統或圖形系統的支持，能很好的在嵌入式Linux系統上運行，具有較好的移植性、易使用性、穩定性。
    這裡基於Linux2.4.19和Microwindows0.89進行討論，主要難點：一是將Microwindows層次打亂后如何進行代碼的重構，用最少的代碼實現最有效的功能，二是提供中文顯示和中文輸入的支持。
2.1 結構重構
(1)底層驅動層
    整個系統的核心是鍵盤和屏幕數據結構，它們在Linux系統中都是被當作文件來進行訪問，其C代碼主要在src/drivers和src/engine目錄下。
    鍵盤是通過fd=open("/dev/tty"，O_NONBLOCK)打開，利用ioctl來進行操作的，涉及到的文件有kbd_ttyscan.c(提供鍵盤的打開、關閉等支持)。
    屏幕驅動是基於Linux內核中framebuffer，這要求在編譯內核的時候選擇支持framebuffer編譯參數選項。它是通過fd=open(env="/dev/fb0")打開，用SCREENDEVICE的指針PSD指向這片顯存，然後對這片顯存根據屏幕的不同位色設置情況為中間引擎層提供相應的圖形操作支持，包括畫點線、圖片顯示、屏幕拷貝以及中西文字的顯示等等。其涉及到的文件較多，類型定義與函數聲明的頭文件有fb.h、genfont.h和genmem.h，C代碼文件有src_fb.c(提供基本的framebuffer打開和關閉等支持)、fb*.c(*為2、4、8、16、24、32，提供對應不同灰度級別和不同位色屏幕的支持)、genmem.c(提供顯存分配)和genfont.c(提供中西文字體顯示支持)。
(2)中間引擎層
    這一層是在底層驅動層提供的設備對象支持下，完成圖形在實虛屏之間的轉換(以PSD指針作為參數來進行)，實現各種圖形功能函數(以Gd...為開頭)。相關的類型定義與函數聲明頭文件有include目錄下的mwtypes.h、swap.h和winkbd.h，C代碼主要有src/engine目錄下的devarc.c(提供弧線和橢圓繪製支持)、devclip.c(提供剪貼支持)、devdraw.c(提供基本的繪圖支持)、devfont.c(提供字體字型檔支持)、devimage(提供圖片繪製拷貝支持)、devkbd.c(提供鍵盤控制支持)、devrgn.c(提供區域操作動態分配支持)和devpal*.c(*為1、2、4、8，提供調色板支持)。
    在分析完驅動層和引擎層后，將它們的相關文件放在同一個目錄下，利用gcc編譯器編譯，鏈接生成目標文件，然後用ar歸檔命令即可生成庫文件(動態庫和靜態庫)，只需要將這個庫文件提交給二次開發人員即可進行圖形應用程序的開發。
2.2 中文支持
   在嵌入式Linux應用系統中，控制台驅動程序和Framebuffer驅動程序對字元的處理都是以單位元組為基礎的，所以需要進行中文化的改造。
(1)中文顯示的支持
    這裡採用16×16點陣的GB2312字型檔，字模文件hzk.bin存放在/font/chinese目錄下。對於一個需要顯示的字元串，首先判斷其是屬於哪種編碼集，如果是ASCII碼，就調用Microwindows提供的GdText函數進行顯示；如果是漢字，則根據其機內碼得到區位碼，計算該漢字字模在字模文件中的偏移量，讀出該漢字字模，調用底層DrawPixel函數的像素點，並顯示這個漢字。
(2)中文輸入的支持
    由於Microwindows對輸入法沒有任何支持，所以這一塊幾乎所有的代碼都需要重新編寫。目前只提供GB2312字型檔的拼音輸入方法，且只能逐字輸入(見圖2)，同時也默認字模文件hzk.bin存放在/fonts/chinese目錄下。
先定義一個拼音結構體：
struct PY_index
{ char PY[6];//拼音的韻母
char *PY_mb;//對應的漢字機內碼
}；
    然後根據GB2312字型檔和漢字的聲母、韻母定義拼音輸入法查詢碼錶。查詢碼錶分兩部分，第一部分是二級索引表，它將每個拼音和漢字對應起來：
stmct PY_index PY_index_a[5]={
{"","阿啊呵腌嗄錒吖"},
……
{"i","愛哀挨礙埃癌艾唉矮哎皚藹隘暖靄捱噯璦嬡鎄嗌砹”},
{"o"，"奧澳傲熬敖凹襖懊坳嗷拗鏖驁鰲翱嶴廒遨獒聱媼螯鏊"}};
……
strucet PY_index PY_index_z[36]={{"a","雜扎砸咋咂匝拶"},
{"ai","在再載災仔宰哉栽崽甾"),
{"an","咱贊暫攢簪糌瓚拶昝趲鏨"),
……
{"un","尊遵樽鱒撙“},
{"uo","作做坐座左昨琢佐鑿撮柞嘬怍胙唑笮阼祚酢"}};
street PY_index PY_index_end [1] = {{"",
PY_mb_space}
};
   其中PY_mb_space為常量0xffff，它用於兩個地方，一是i，v，u三個字母不能作為聲母，所以它們沒有對應的漢字，這裡就以0xffff來約定；二是表示拼音表的結束。
 
第二部分是一級索引表，它將26個首字母(即聲母)和其韻母對應起來：
street PY_index code *code PY_index_headletter[27]=
{
PY_index_a,
PY_index_b,

PY_index_z,
PY_ index_end
};
    有了上面定義的兩個索引表，就可以進行漢字的輸入了。

3 結論
   圖形應用庫提供了圖形系統的初始化、鍵盤操作、區域塊拷貝、中西文的輸入顯示、基本圖形繪製等共計40多個API功能函數，很好的滿足了低端嵌入式Linux系統的圖形應用程序開發的需要。該圖形應用庫只有70多KB大小，佔用資源少，性能穩定，很好的滿足了低端信息終端和控制系統等嵌入式Linux產品設計的需要， 目前已經成功應用於嵌入式稅控收款機(pos)、自動櫃員機(ATM)等嵌入式產品中。