探究Microwindows的嵌入式GUI设计

引言

嵌入式图形用户界面与存储安全、嵌入式JAVA 虚拟机并称为嵌入式系统中的三大关键技术。在嵌入式应用领域，伴随着硬件技术的发展，传统意义上的人机交互界面正趋于淡化，取而代之的是具有友好人机交互支持的嵌入式图形界面。

嵌入式计算机系统以其关键部件的高性能、低价格等优势为Embedded GUI 的发展奠定了坚实的市场和技术基础;而基于Linux 开放源代码、遵循不同授权条款的诸多Embedded GUI 软件及其自由开发者，又大大推进了Embedded GUI 的应用进程，起到推波助澜的作用，如Microwindows、MiniGUI 及QT/ Embedded 等。

嵌入式系统是以应用为中心、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。嵌入式系统的这一定义也就界定了嵌入式系统对Embedded GUI 的基本要求。这些要求如下： （1） 轻量级、占用系统资源少; （2） 性能高，友好的人机互动; （3） 可靠性高; （4） 模块架构，配置灵活，便于移植。

目前，在嵌入式应用领域比较成功的Embedded GUI主要有MiniGUI、Microwindows 和QT/ Embedded。

MiniGUI 和Microwindows 都是自由软件，只是前者遵循L GPL 条款，后者遵循MPL 条款。这两个系统的技术路线也有所不同。MiniGUI 的策略是首先建立在比较成熟的图形引擎之上，如Svgalib 和LibGGI ，开发的重点在窗口系统、图形接口上。

Microwindows 目前的开发重点则在底层的图形引擎上，它不需要其它图形系统的支持。在Linux 操作系统上，Microwindows 也可以充分利用Linux 提供的Framebuffer机制来显示图形。并且，Microwindows 还具有很强的移植性，能够在大多数微处理器上运行。

QT/ Embedded 由于移植了大量原来基于QT 的XWindows 程序，提供了非常完整的嵌入式GUI 解决方案，再加上Opera 浏览器，可以说是一个成熟的商业软件。然而，QT/ Embedded 不能运行在非QT 的软件中，其源代码也过于庞大。

作为一个开放源代码项目，Microwindows 将现代图形窗口技术的一些特性展现给了编程团体，而不需要诸如Microsof t Windows 或X Window 这样占用较大磁盘和RAM 空间的高级窗口的支持。它直接面向显示硬件本身，不需要任何操作系统或其它图形系统的支持，可以在Linux 2. 0 以上的Framebuffer 系统上很好地运行。Microwindows 本身就被设计成便于移植、能够在大多数硬件和软件环境下运行的Embedded GUI。

Microwindows 最新版本0. 9 有如下新特性：

（1） 支持新的NXL IB 项目，NXL IB 对X11 的二进制程序可以不加修改地直接在Microwindows 里运行，而无需X11 Server 支持;

（2） 支持Sharp Zaurus、Tuxscreen、TriMedia 及Cygnus X11 平台;

（3） 内建标准化校准（nxcal） 支持，如一个触摸屏驱动程序可以支持包含iPAQ、Zaurus、ADS 和Tuxscreen 在内的大多数ARM 平台;

（4） 增强了字符支持，包括BIG5 、GB2312 、EUCCN、EUCKR、EUCJ P 和J ISX0213 等;

（5） 大幅提高了X11 屏幕驱动程序和文本画图的速度;

（6） 32 位ARGB 硬件驱动支持单色Alpha ;

（7） 支持带有HAVI 键盘映射的L IRC 键盘;

（8） 从源代码中为html 和pdf 文档自动生成支持基于Doxygen 的文档。

总而言之，最新版本的Microwindows 在硬件驱动加速上、在图形引擎算法上以及代码质量上，都比原先的版本有较大的改进。

Microwindows 的API

Microwindows 采用分层体系结构设计，提供了丰富的API 支持，支持Win32/ WinCE GDI 和Nano-X两种API 集。

Microwindows 体系结构

Microwindows 的体系结构由下至上，分别为具体硬件、驱动层、图形引擎层和API 层，如图1 所示。用户可以根据具体应用需求对不同层的代码进行修改或重写。

（1） 设备驱动程序。

键盘驱动程序主要有两个，分别是kbd _ tty. c 和kbd _ bios. c 。前者主要用于Linux 和EL KS 系统，而后者主要用于MSDOS 实模式。

鼠标驱动程序主要有三个：mou_gpm. c ，用于Linux 的一个GPM 驱动; mou _ ser. c ，用于Linux 和EL KS 系统;mou_gpm. c ，主要用于MSDOS 系统。

屏幕驱动程序有面向16 位EL KS、MSDOS 实模式的V GA 驱动（ scr_bios. c、vgaplan4. c、memp14. c 、scr_here. c）和面向Linux 的Framebuffer （ scr_fb. c、fb. c 等） 两种。这部分驱动程序最复杂，在设计时可以参考scr_fb. c 来设计自己的屏幕驱动程序。

（2） 设备独立的图形引擎。

Microwindows 的图形引擎是设备独立的。引擎的每一例程都接受SCREENDEVICE 结构的指针（ PSD） 来作为第一个参数。PSD 说明了底层的显示细节，如屏幕大小的x 、y 值，屏幕颜色ncolors ，以及诸如打开、关闭、画线等函数指针。PSD 结构定义如下：

Microwindows 的API

Microwindows 提供两个应用程序接口：一是Win32 接口，这种API 不是很成熟;二是Nano-X ，这种API 比较好，结构上清晰，功能上也完全。

在Microwindows 上的API 接口函数的基本模型都是用来初始化屏幕、键盘和鼠标的驱动程序，然后一直等待select （） 消息循环。当事件发生时，这条信息将送到用户程序。如果是用户请求图形操作，那参数将被编码后送到适当的GdXXX 核心程序上。与原始图形操作相对的窗口概念是被该层所控制的，也就是说该层的API 函数定义了窗口及其对应系统的概念。这样，系统坐标就能被转成屏幕上显示的坐标，并且可将数据传给GdXXX 核心程序，由它进行实际操作。该层亦定义图形/ 显示文件，并且会将此信息（包括裁减信息） 送到核心程序上。

Microwindows 的API 支持大多数图形绘制、裁减、窗口工具条绘制及拖拉窗口等程序。Nano-X 最先是由Davin Bell 为minix 设计的，它被设计为C/ S 模式，一般是通过Unix Domain socket 在客户与服务器端进行通信的，但没有实现窗口管理，所以对窗口的处理需要使用系统提供的一个插件集，或者完全由应用程序员自已开发。另外，Nano-X 不是消息驱动的，而是基于X 协议模式。在这种模式下，驱动整个系统运行的可以说是请求与事件。

请求就是客户端为了完成某一动作而对服务器端所发出的申请，并且为每一个请求都定义了一个标识数。每个请求的结构都是不同的，但类似如下结构：

事件是每个窗口系统必不可少的部分，它反映系统运行的状态，一共有22 种。对于每个事件都要提供有关它的结构，但没有必要提供22 种事件结构，有一些事件所需要的数据是一样的，如所有鼠标的事件都使用一个事件结构表示，如下所示：

Microwindows 在仿真环境下的应用

Microwindows 最为显著的优势在于它可以在桌面计算机上仿真运行目标平台的GUI 及其支撑软件。这就意味着面向Linux 的Microwindows 应用软件可以在桌面计算机的Linux 环境下编制和调试，而没有必要建立跨平台交叉编译环境，并在目标平台上对软件进行编制和调试。这一点对于Embedded GUI 移植和开发而言，意义非同寻常。这完全归功于Microwindows 的X Screen Driver ，而非Linux 的Framebuffer 。

我们在桌面计算机上的Linux 8. 0 仿真环境下运行Microwindows ，并通过一个简单实例演示仿真环境下的Microwindows 应用编程。显然，我们应采用Nano-X API。

仿真环境下Microwindows 主要的安装步骤：

（1） 下载并安装最新源代码Microwindows20. 90. tar和最新字体microwindows2font s20. 90. tar。

（2） 修改安装目录下的配置文件，如mirowin/ src 下的config file ，主要包括以下几项：

ARCH = LINUX-NATIVE;

/ / 高速系统为主机LINUX 建立应用程序

…

HAVE_FREETYPE_SUPPORT = Y;

/ / 设置对Free Type 和T1lib 字体的支持

HAVE_ T1LIB_SUPPORT = Y;

HAVE_HZK_SUPPORT = Y;

…

X11 = Y;

SCREEN_WIDTH = 640 ;

SCREEN_HEIGHT = 480 ;

SCREEN_PIXTYPE = MWPF_TRUECOLOR0888 ;

Microwindows 在桌面Linux 8. 0环境下的运行效果如图2 所示。

结束语

嵌入式相关研究和应用正在以前所未有的速度发展着，而作为嵌入式系统核心内容之一的Embedded GUI 一定会随着嵌入式系统的发展处于举足轻重的地位。具有高可移植性、丰富API 支持、开放源代码及可仿真运行的Microwindows ，在诸多Embedded GUI 技术中必将脱颖而出。

编辑：jq