詳述嵌入式系統(tǒng)下Microwindows的實(shí)現(xiàn)
前 言
目前，伴隨著各種手持、無線及嵌入式設(shè)備的迅猛發(fā)展，相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)也發(fā)生了很大的變化。許多設(shè)備都使用了Intel，MIPS，摩托羅拉的32位微處理器及大屏幕的液晶圖形顯示器。由于在過去10年中，桌面操作模式取得了巨大成功，于是許多開發(fā)者在嵌入式設(shè)計(jì)中開始使用類似于桌面的操作系統(tǒng)。其中一個(gè)比較好的方案就是使用Linux操作系統(tǒng)。由于Linux在嵌入式系統(tǒng)上具有桌面電腦的全部功能和特性，同時(shí)作為一種開放式源碼，它允許各種各樣的修改，并且還可以根據(jù)用戶的特定要求進(jìn)行定制。
Microwindows概述
Microwindows是一個(gè)著名的開放式源碼的嵌入式GUI軟件，目的是把現(xiàn)代圖形視窗環(huán)境引入到運(yùn)行Linux的小型設(shè)備和平臺(tái)上。作為XWindow的替代品，Microwindows可以使用更少的RAM和文件存儲(chǔ)空間（100K-600K）提供與XWindow相似的功能。該體系結(jié)構(gòu)允許設(shè)計(jì)者輕松加入各種顯示設(shè)備、鼠標(biāo)、觸摸屏和鍵盤等。Linux2.2以上版本的內(nèi)核代碼允許用戶將圖形顯存作為幀緩存進(jìn)行存取，這樣當(dāng)用戶對(duì)顯示設(shè)備進(jìn)行寫入、控制時(shí)可以避免對(duì)內(nèi)存映射區(qū)進(jìn)行操作，因此用戶可以在不了解底層圖形硬件或沒有使用過XWindow的情況下進(jìn)行圖形程序的開發(fā)。這就是為什么現(xiàn)在在嵌入式系統(tǒng)中廣泛使用Microwindows的原因。Microwindows的可移植性非常好，基本上用 C 語言實(shí)現(xiàn)，只有某些關(guān)鍵代碼使用了匯編以提高速度。Microwindows支持 Intel16位、32位CPU，MIPS R4000 以及 ARM 芯片。
Microwindows已經(jīng)移植到一些掌上電腦。它的圖形引擎被設(shè)計(jì)成能夠運(yùn)行在任何支持readpixel， writepixel， drawhorzline和drawvertline， 和setpalette的系統(tǒng)之上。在底層函數(shù)的支持之下，上層實(shí)現(xiàn)了位圖，字體，光標(biāo)以及顏色的支持。Microwindows支持新的Linux內(nèi)核幀緩存結(jié)構(gòu)，目前提供每像素1、2、4、8、16、24和32位的支持，另外還支持彩色顯示和灰度顯示，其中彩色顯示包括真彩色(每像素15、16和32位)和調(diào)色板(每像素1， 2， 4 和 8位)兩種模式。在彩色顯示模式下，所有的顏色用RGB格式給出，系統(tǒng)再將它轉(zhuǎn)換成與之最相似的可顯示顏色，而在單色模式下中則是轉(zhuǎn)換成不同的灰度級(jí)。Microwindows支持窗口覆蓋和子窗口概念、完全的窗口和客戶區(qū)剪切、比例和固定字體，還提供了字體和位圖文件處理工具。系統(tǒng)使用了優(yōu)化的繪制函數(shù)，這樣當(dāng)用戶在移動(dòng)窗口時(shí)可以提供更好的響應(yīng)。內(nèi)存圖形繪制和移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)使得屏幕畫圖顯得很平滑，這點(diǎn)特別在顯示動(dòng)畫、多邊形繪制、任意區(qū)域填充、剪切時(shí)有用。
盡管Microwindows完全支持Linux，但是它內(nèi)部的可移植結(jié)構(gòu)是基于一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的屏幕設(shè)備接口，可在許多不同的RTOS和裸機(jī)上運(yùn)行。這種特性的優(yōu)點(diǎn)突出體現(xiàn)在用戶設(shè)計(jì)的圖形程序不需重寫就可以被不同的工程共享，甚至可以運(yùn)行在不同RTOS的不同對(duì)象上。
Microwindows系統(tǒng)以圖形方式支持在主機(jī)平臺(tái)上的仿真目標(biāo)平臺(tái)。這樣，為L(zhǎng)inux設(shè)計(jì)的Microwindows應(yīng)用程序就可以在臺(tái)式機(jī)上進(jìn)行編寫和開發(fā)而不用進(jìn)行交叉編譯就可測(cè)試和運(yùn)行，并且直接在目標(biāo)平臺(tái)上運(yùn)行。臺(tái)式主機(jī)上運(yùn)行的目標(biāo)應(yīng)用程序在X window中顯示，這一點(diǎn)通過由Microwindows提供的Xwindow屏幕驅(qū)動(dòng)來完成，而不是通過幀緩存驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)可以在像素位素和顏色深淺方面準(zhǔn)確的模擬目標(biāo)平臺(tái)上的顯示器，這樣即使桌面系統(tǒng)是24位顏色，它也可以預(yù)覽顯示2bpp灰度級(jí)的目標(biāo)應(yīng)用程序。
Microwindows采用分層設(shè)計(jì)方法。在最底層，屏幕，鼠標(biāo)/觸摸屏以及鍵盤驅(qū)動(dòng)程序提供了對(duì)物理設(shè)備訪問的能力。在中間層，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可移植的圖形引擎，支持行繪制，區(qū)域填充，剪切以及顏色模型等。在上層，實(shí)現(xiàn)多種API以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。
兩種API：Win32和Nano-X
Microwindows中使用兩種流行的圖形編程接口：MicrosoftWindows Win32/WinCE圖形顯示接口（GDI）和Xlib-like接口。前者應(yīng)用于所有的WindowsCE和Win32應(yīng)用程序，后者就象Nano-X,應(yīng)用于所有LinuxX插件集的最底層。這樣做可以讓大量的Windows程序員開發(fā)圖形應(yīng)用程序，類似地也可以讓Linux圖形程序員用X接口開發(fā)圖形應(yīng)用程序。
Nano-X程序設(shè)計(jì)
本文中將用Nano-XAPI設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用程序，并且討論底層Nano-X程序的設(shè)計(jì)問題。Nano-X允許應(yīng)用程序使用client/server網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或本地UNIX的主域接口。這樣可以讓幾個(gè)應(yīng)用程序在嵌入式設(shè)備或遠(yuǎn)程主機(jī)上運(yùn)行而連接到Microwindows的服務(wù)器上顯示，這些特點(diǎn)使得Nano-X的操作非常像X Windows系統(tǒng)。在底層和大部分有關(guān)創(chuàng)建、刪除窗口以及基本畫圖函數(shù)方面，Nano-XAPI和X的Xlib庫很相似。另外，由于Microwindows被設(shè)計(jì)得很小，很多選項(xiàng)可以用資源包中的配置文件來進(jìn)行設(shè)置。
下面的過程是建立一個(gè)Nano-X服務(wù)器的一個(gè)具體操作。
（1）初始化
Mcrowindows的資源包可以從http://microwindows.org下載。首先通過編譯為主機(jī)和嵌入式目標(biāo)平臺(tái)建立一個(gè)Nano-X的服務(wù)器。大多數(shù)的設(shè)置選項(xiàng)在配置文件中，所以在解壓縮該資源包后進(jìn)入microwin/src目錄里編輯配置文件。下面是一些最重要的ARCH選項(xiàng)：
ARCH=LINUX-NATIVE ARCH=LINUX-ARM ARCH=LINUX-MIPS ARCH=LINUX-POWERPC
為L(zhǎng)INUX-NATIVE設(shè)置ARCH選項(xiàng)的目的是通知系統(tǒng)為當(dāng)前運(yùn)行的主機(jī)的Linux系統(tǒng)生成程序，而為其他選項(xiàng)設(shè)置ARCH則是要給一個(gè)RISC目標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行交叉編譯。Microwindows中使用Arch.rules文件為每一個(gè)選項(xiàng)確定一個(gè)具體的設(shè)置。
下面的設(shè)置項(xiàng)用于提供Nano-X 服務(wù)器的圖像支持：
HAVE_BMP_SUPPORT=Y HAVE_GIF_SUPPORT=Y HAVE_JPEG_SUPPORT=Y
設(shè)置JPEG圖像選項(xiàng)時(shí)必須給出外部jpeg解壓縮庫的位置，例如LIBJPEG=/usr/lib/libjpeg.a。大部分系統(tǒng)都提供了解壓庫，也可從Microwindows網(wǎng)站上下載。另外一個(gè)重要設(shè)置項(xiàng)為選擇是否提供大小可變字體支持，缺省項(xiàng)是在drivers/genfont.c中提供固定大小的位圖字體。如想顯示更大的字體，例如運(yùn)行一個(gè)嵌入式瀏覽器，則可加入對(duì)TrueType 或 Adobe Type1字體的支持。當(dāng)選項(xiàng)確定以后，就可以根據(jù)顯示的需要指定字體文件和像素點(diǎn)的大小，相應(yīng)Microwindows會(huì)根據(jù)外部字體文件來生成大小適當(dāng)?shù)淖煮w。最新的版本還可支持外部中文字體，其中所有的字體可用8位ASCII 碼、Unicode-16或UTF-8確定。其中UTF-8是Unicode的字節(jié)流編碼方案。
有關(guān)字符支持的選項(xiàng)如下：
HAVE_FREETYPE_SUPPORT=Y HAVE_T1LIB_SUPPORT=Y HAVE_HZK_SUPPORT=Y
FreeType 和T1lib外部庫分別用于支持TrueType 和 Adobe Type 1字體。這些庫必須預(yù)先編譯并且在配置文件中應(yīng)指定其位置。Microwindows的網(wǎng)站上提供的所有庫函數(shù)的下載。
（2）配置輸出顯示設(shè)備
由于Microwindows可在幀緩存系統(tǒng)和X Windows下運(yùn)行，每一種顯示驅(qū)動(dòng)需要確定不同的設(shè)置。如果已經(jīng)在Linux桌面上運(yùn)行了X ，最好首先用X屏幕驅(qū)動(dòng)建立系統(tǒng)，然后再為嵌入式設(shè)備生成一個(gè)幀緩存。下列選項(xiàng)用以配置X屏幕驅(qū)動(dòng)：
X11=Y SCREEN_WIDTH=640 SCREEN_HEIGHT=480 SCREEN_PIXTYPE=MWPF_TRUECOLOR0888
Microwindows通過這些選項(xiàng)在X桌面上生成一個(gè)640x480的虛窗口，采用了8位色彩模式（紅、綠、蘭各用8位表示）輸出。通過改變?cè)O(shè)置，可以在自己的桌面上控制目標(biāo)嵌入式設(shè)備的仿真。例如仿真一個(gè)每像素16位的顯示，SCREEN_PIXTYPE=MWPF_TRUECOLOR565。其中MWPF常數(shù)在src/include/mwtypes.h 頭文件中有詳盡的解釋。
由于必須確定Linux系統(tǒng)內(nèi)核支持幀緩存，因此設(shè)置幀緩存顯示比較復(fù)雜。其設(shè)置如下：
X11=N FRAMEBUFFER=Y FBVGA=Y VTSWITCH=Y PORTRAIT_MODE=N
FBVGA選項(xiàng)引入了對(duì)16色VGA平面模式屏幕驅(qū)動(dòng)的支持，但是該選項(xiàng)不可用于嵌入式系統(tǒng)。VTSWITCH選項(xiàng)允許Microwindows在幀緩存控制器上運(yùn)行，按下ALT鍵可打開另一個(gè)虛擬控制器。一些嵌入式系統(tǒng)要求該選項(xiàng)關(guān)閉。PORTRAIT_MODE選項(xiàng)利用 L/R鍵來指定系統(tǒng)偏向于左/右運(yùn)行，這一點(diǎn)和康柏公司出品的iPAQ PDA非常類似。
（3）Linux內(nèi)核幀緩存支持
如果在運(yùn)行Nano-X 服務(wù)器時(shí)顯示“Can’t open/dev/fb0”，說明沒有打開幀緩存或是系統(tǒng)內(nèi)核沒有引入幀緩存驅(qū)動(dòng)。最簡(jiǎn)單的識(shí)別方式是當(dāng)啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)是否看見一個(gè)企鵝圖標(biāo)，如果沒有圖標(biāo)則確認(rèn)下列選項(xiàng)是否在/usr/src/linux/.config文件中：
CONFIG_FB=y CONFIG_FB_VGA16=y CONFIG_FBCON_VGA=y CONFIG_FBCON_CFB4=y CONFIG_FBCON_CFB8=y
如果系統(tǒng)支持圖形卡而不是標(biāo)準(zhǔn)的老式VGA，可以不用CONFIG_FB_VGA16選項(xiàng)。在重建內(nèi)核之前，需要備份舊的內(nèi)核，并且在lilo.conf文件中寫明備份位置。啟用幀緩存是大部分嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。
最后一項(xiàng)重要配置是為Microwindows指定鼠標(biāo)或觸摸屏輸入的驅(qū)動(dòng)程序。目前Microwindows上的鼠標(biāo)是通過GPM工具或直接使用串口。指令GPMMOUSE=Y是選擇GPM支持，設(shè)置之后運(yùn)行g(shù)pm工具，例如‘gpm–R –t ps2’（支持 PS/2 鼠標(biāo)）；指令SERMOUSE=Y 是選擇串口，同時(shí)還要在src/drivers/mou_ser.c中設(shè)置MOUSE_TYPE和MOUSE_PORT兩個(gè)環(huán)境變量。
（4）創(chuàng)建一個(gè)完整的演示系統(tǒng)
一旦在配置文件中設(shè)置好選項(xiàng)后，只要用戶不再改動(dòng)，參數(shù)就保持不變。同時(shí)在src目錄中還有很多針對(duì)不同平臺(tái)的樣本配置文件。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè) Nano-X服務(wù)器并且運(yùn)行演示程序，首先進(jìn)入microwin/src目錄，然后鍵入“make”。所有的程序在microwin/src/bin目錄中生成，客戶鏈接庫也放在microwin/src/lib目錄下。要運(yùn)行演示程序，首先運(yùn)行Nano-X 服務(wù)器(在bin/nano-X下)，然后再運(yùn)行應(yīng)用程序。
bin/nano-X & sleep 1; bin/world
在運(yùn)行demonstration world plotting程序之前運(yùn)行休眠命令以便服務(wù)器有一段時(shí)間來進(jìn)行初始化。創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的Nano-X應(yīng)用程序。目的：繪制一個(gè)帶蘭邊的白色方塊。源代碼如下:
filename ：sample.c #define MWINCLUDECOLORS #include #include “nano-X.h” int main(int ac,char **av) { GR_WINDOW_ID w; GR_EVENT event; if (GrOpen() < 0) { printf(“Can’t open graphics\n”); exit(1); } w = GrNewWindow(GR_ROOT_WINDOW_ID, 20, 20, 100, 60, 4, WHITE, BLUE); GrMapWindow(w); for (;;) { GrGetNextEvent(&event); } GrClose(); return 0; }
在配置和檢測(cè)了Microwindows初始安裝程序以后，用“make install”指令來創(chuàng)建Nano-X 服務(wù)器、客戶庫和頭文件，然后鍵入下述字符編譯、鏈接和運(yùn)行示例程序：
gcc sample.c –o sample –lnano-X nano-X & sleep 1; sample
鍵入escape將退出服務(wù)器。
GrOpen()函數(shù)用于打開一個(gè)與正在運(yùn)行中的Nano-X服務(wù)器的連接，如果服務(wù)器沒有運(yùn)行，則返回-1值，應(yīng)用程序此時(shí)顯示錯(cuò)誤信息并退出。GrNewWindow函數(shù)在屏幕（20，20）的位置上創(chuàng)建一個(gè)100x60像素的窗口。它的邊界大小為4像素寬，蘭邊白底。然后調(diào)用GrMapWindow函數(shù)將剛剛創(chuàng)建的窗口在屏幕上顯示出來。這是因?yàn)橛袝r(shí)生成一組窗口很方便，但是要根據(jù)用戶指令在屏幕上顯示和移動(dòng)。在屏幕顯示窗口以后，程序進(jìn)入“event loop”狀態(tài)，等待下一個(gè)鼠標(biāo)或鍵盤事件。
Expose event
更為復(fù)雜的Nano-X應(yīng)用程序基本上遵從上述同樣的邏輯結(jié)構(gòu)。首先生成窗口，接著顯示出來，然后程序進(jìn)入“eventloop”等待用戶發(fā)出指令。在該例中并沒有真正寫出明確的代碼在窗口上畫出東西。在實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)之前，首先應(yīng)當(dāng)理解關(guān)于Exposeevent的概念。Nano-XAPI提供一套完整的在屏幕上劃線、寫字、畫圓和顯示圖像的函數(shù)。當(dāng)一個(gè)窗口被遮住時(shí)，Microwindows剪輯該窗口圖畫并保存下來，當(dāng)被遮掩部分再次需顯示時(shí)，可以重新刷新以顯示以前的內(nèi)容。刷新發(fā)生時(shí)，服務(wù)器首先向應(yīng)用程序發(fā)送一個(gè)Exposeevent，要求重新繪制窗口中的內(nèi)容。Microwindows在首次顯示窗口后就發(fā)出一個(gè)exposeevent指令，這樣重新繪制時(shí)使用的代碼和原來顯示時(shí)所用的代碼完全一樣，所以可以實(shí)現(xiàn)在原先位置上顯示同樣的內(nèi)容。下例是用該機(jī)制顯示一些文字，并在窗口移動(dòng)后重新顯示出來(sample2.c).
#define MWINCLUDECOLORS #include #include “nano-X.h” int main(int ac,char **av) { GR_WINDOW_ID w; GR_GC_ID gc; GR_EVENT event; if (GrOpen() < 0) { printf(“Can’t open graphics\n”); exit(1); } w = GrNewWindow(GR_ROOT_WINDOW_ID, 20, 20, 100, 60,4, WHITE, BLUE); gc = GrNewGC(); GrSetGCForeground(gc, BLACK); GrSetGCUseBackground(gc, GR_FALSE); GrSelectEvents(w, GR_EVENT_MASK_EXPOSURE); GrMapWindow(w); for (;;) { GrGetNextEvent(&event); switch (event.type) { case GR_EVENT_TYPE_EXPOSURE: GrText(w, gc, 10, 30, “Hello World”, -1, GR_TFASCII); break; } GrClose(); return 0; }
為了檢測(cè)expose event代碼，要運(yùn)行帶有NanoWM窗口管理器的Nano-X，這樣就可以移動(dòng)窗口了。命令如下：
bin/nano-X & sleep 1; bin/nanowm & sleep 1; sample2
在上例中用GrSelectEvents函數(shù)發(fā)送GR_EVENT_TYPE_EXPOSURE事件到客戶（client）程序中。為了保持client/server之間的通信，server只向每個(gè)client窗口發(fā)送選擇過的事件。程序中只有一句處理“HelloWorld”顯示文本，該句在expose event例程中。GrMapWindow調(diào)用后立即產(chǎn)生一個(gè)exposeevent，這樣即使窗口實(shí)際上并沒有真正移動(dòng)文字還是會(huì)被顯示出來。
Graphics contexts
當(dāng)繪制類似于線條或文字的圖形時(shí)，所調(diào)用的每個(gè)畫圖函數(shù)都定義了一些可以影響操作的參數(shù)。每個(gè)調(diào)用除了一些類似于線條起始點(diǎn)這樣的最基本信息以外，還由系統(tǒng)確定一些其它信息。前景色、背景色、與或畫圖模式以及一些其它參數(shù)保存在一個(gè)graphics context結(jié)構(gòu)中。上例中g(shù)raphics context用GrNewGC生成。該函數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置生成graphicscontext，然后調(diào)用GrSetGCForeground設(shè)置前景文字顏色。在expose event處理過程中，graphicscontext通過window id設(shè)置文本繪制參數(shù)。
畫圖函數(shù)
上面已經(jīng)介紹了生成程序、窗口和graphics context的基本知識(shí)，下面介紹Microwindows圖形庫中提供的其它函數(shù)。
GrClearWindow 清除窗口（Clear a window to it’s background color）
GrPoint 畫點(diǎn)（Draw a single point）
GrLine 畫線（Draw a line）
GrRect 畫矩形（Draw a rectangle outline）
GrFillRect 填充矩形（Draw a filled rectangle）
GrEllipse 畫圓/橢圓（Draw an ellipse or circle outline）
GrFillEllipse 填充圓/橢圓（Draw a filled ellipse or circle）
GrArc 畫弧形（Draw an arc outline or pie wedge）
GrArcAngle 畫弧形，指定浮點(diǎn)及角度（Like GrArc, but uses floating point and angles）
GrPoly 畫多邊形（Draw a polygon outline）
GrFillPoly 填充多邊形（Draw a filled polygon）
GrBitmap 繪制位圖（ Draw a bitmap image）
GrDrawImageFromFile 繪制存盤的BMP、GIF、JPEG圖形（Draw a BMP, GIF or JPEG file from disk）
GrDrawImageToFit 繪制cache中的圖形，并適當(dāng)調(diào)整其大?。―raw a cached image and stretch to fit）
GrArea 繪制內(nèi)存隊(duì)列中像素點(diǎn)（Draw from a memory array of pixels）
GrCopyArea 將某一窗口中的矩形區(qū)域復(fù)制到另一窗口（Copy a rectangular area fromonewindow to another）
Microwindows也支持一種從來不在屏幕上顯示的窗口，即像素映射（pixmap）。像素映射窗口有時(shí)也稱作虛窗口(offscreen)，虛窗口不能在屏幕上顯示出來，但是可以使用GrCopyArea函數(shù)復(fù)制到別的窗口。有時(shí)在exposeevents期間，CPU太忙而無法保存顯示窗口的內(nèi)容，普通窗口在被遮掩時(shí)又從不保存它們的內(nèi)容，這時(shí)就可以使用像素映射。用GrNewPixmap函數(shù)可以生成一個(gè)像素映射。
希望上面的介紹可以幫助你理解在嵌入式Linux里，一個(gè)小型系統(tǒng)如何運(yùn)行復(fù)雜的應(yīng)用程序。Microwindows網(wǎng)站上還有更多的內(nèi)容。
