引言
什么是嵌入式系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)一般指以嵌入式微處理器為核心,，有別于PC系統(tǒng)，有計算機的部分功能但又不稱之為計算機的設備或器材,。它主要是以應用為目的,，系統(tǒng)軟硬件于一體，通常要求具有代碼小,、響應速度快,、可靠性高,、低功耗,、集成度高等特點。嵌入式系統(tǒng)遍布于各個行業(yè)以及人們的日常生活當中,，比如掌上PDA,、移動計算設備、電視機頂盒,、手機,、汽車、數(shù)字相機,、家庭自動化系統(tǒng),、安全系統(tǒng)、自動售貨機、工業(yè)自動化儀表與醫(yī)療儀器等,。
什么是嵌入式系統(tǒng)中的GUI
隨著后PC時代的到來,，嵌入式系統(tǒng)的性能有了大幅度的提高，應用范圍也越來越廣,，當初的一些簡單的人機交互接口已經(jīng)無法滿足人們的要求,。而與此同時，在臺式PC機上圖形交互界面早已普及并成熟,，于是在嵌入式系統(tǒng)中也逐漸出現(xiàn)了圖形用戶界面（GraphicUserInterface,GUI）,，特別是在一些消費類產(chǎn)品中。嵌入式系統(tǒng)中的GUI就是在嵌入式系統(tǒng)中為特定的硬件設備或環(huán)境而設計的圖形用戶界面系統(tǒng),。由于受到當前嵌入式系統(tǒng)本身特點的影響,，并受其發(fā)展限制，所以嵌入式系統(tǒng)中的GUI應該有如下特點：
占用的存儲空間以及運行時占用資源少,；運行速度以及響應速度快,；可靠性高；便于移植和定制,。
Linux有開放的源碼,、高效穩(wěn)定的內(nèi)核、良好的開發(fā)環(huán)境以及支持多種硬件平臺等特點,，而且由于Linux的可配置性和可模塊化,，一個Linux內(nèi)核經(jīng)過配置和裁減可以只占用幾百K左右的存儲空間，使其在嵌入式系統(tǒng)中也得到廣泛應用,。然而,，在嵌入式系統(tǒng)中有嚴格的資源限制，臺式機Linux平臺下成熟的GUI無法直接移植到嵌入式設備上,。因此,，嵌入式系統(tǒng)中基于Linux的GUI愈發(fā)成為開發(fā)基于Linux的嵌入式系統(tǒng)所必須面對的問題。目前,，隨著嵌入式行業(yè)分工的細化,，出現(xiàn)了專門的公司致力開發(fā)Linux下的GUI并給其它公司提供授權，從而縮短了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)周期,。本文就旨在于對這樣的幾種嵌入式GUI進行研究,，列出表1進行比較，并介紹這幾種GUI在基于ARMLinux上的移植,。
幾種比較成熟的嵌入式GUI的研究
Microwindows
Microwindows是由美國CenturySoftware公司開發(fā)的開放源碼的嵌入式GUI項目,。它不需要其他圖形系統(tǒng)的支持，可以充分利用Linux提供的FrAMEbuffer機制來進行圖形顯示,。同時在底層提供了對多種芯片的支持,，并基本上用C語言實現(xiàn),，因此移植性很強。國內(nèi)也有人參與了這個項目的開發(fā),，并編寫了GB2312等字符集的支持,。
Microwindows是基于分層式設計的，它允許不同的層可以被重新設計以滿足系統(tǒng)實現(xiàn)的需要,，目前總共分為三層,。最底層是屏幕、鼠標或觸摸屏和鍵盤的驅(qū)動程序,，用于實現(xiàn)系統(tǒng)的顯示功能以及滿足用戶特有的輸入需求,。中間層實現(xiàn)了一個可移植的圖形引擎，以提供對畫線,、填充,、剪切和著色的支持。在最上層,，則提供了多種的API給應用程序設計者,。Microwindows支持兩種API:ECMAAPIW（類Win32API）和Nano-XAPIs。這些API對Win32和XWindow系統(tǒng)有很好的兼容性,，使程序可以很容易地從其它系統(tǒng)上移植過來,。其中比較完備的是Nano-XAPI。Nano-X設計成是一個客戶端/服務器的環(huán)境,，在此模式下應用程序與一個客戶端的庫相連,，而這個庫則通過一個UNIXsocket與Nano-X服務器相連。每個應用程序都通過UNIXsocket來傳遞各種參數(shù),，并由服務端來完成客戶端的各種請求,。當為了滿足運行速度以及調(diào)試的需求時，還可以通過共享的內(nèi)存空間來完成傳播數(shù)據(jù),。
由于Microwindows為了與XWindow的兼容,，它采用了傳統(tǒng)的基于UNIXsocket的客戶端/服務器結構。此是,，客戶端的畫圖,、窗口建立等操作都是通過套接字與服務器通信。在這種情況下,，系統(tǒng)就變得非常依賴于UNIXsocket,而UNIXsocket的傳遞都需要通過內(nèi)核,，這樣在一些對實時性要求比較高的系統(tǒng)里就不太有利,。而且Microwindows基本上用C語言實現(xiàn)的,，雖然增強了可移植性，但也同樣導致了系統(tǒng)的運行效率不高,。同時Microwindows的開發(fā)工具FLNX也還不夠成熟,，有待進一步提高。
MiniGUI
MiniGUI是我國國內(nèi)自主開發(fā)、比較成熟的一個圖形用戶界面系統(tǒng),，面向基于Linux的實時嵌入式系統(tǒng),，使用現(xiàn)有成熟的圖形引擎（SV2GALib/LibGGI），采用類似WinCE的線程機制（目前MiniGUILite版本改用微客戶端/服務器模式來提供對多進程的支持）,，集成了多字體和多字符集,，支持硬件加速能力，充分使用顯示內(nèi)存,。
從整體來看,，MiniGUI也是屬于分層結構設計（見圖1）。在最底層,，GAL和IAL提供了Linux控制臺和底層圖形接口的支持以及輸入設備比如鼠標,、鍵盤等的驅(qū)動，PThread則是提供了內(nèi)核級線程支持的函數(shù)庫,；中間層MiniGUIKernel則包括了窗口系統(tǒng)的各個模塊,，MiniGUI本身是運行在多線程模式下，它的各個模塊都是以單獨的線程運行,，同時它也利用線程來實現(xiàn)多窗口,；最上層，則是提供給各種應用程序使用的API函數(shù),。MiniGUI中利用線程之間的同步操作,，實現(xiàn)了客戶線程和服務線程之間的微客戶端/服務器結構，因為它的客戶和服務器是同一進程的兩個不同線程,。它的核心實現(xiàn)主要體現(xiàn)在消息隊列數(shù)據(jù)結構的使用上,。
多線程有其一定的好處，但弱點則在于不同的線程共享了同一個地址空間,，因此,，客戶線程可能會破壞系統(tǒng)服務器線程的數(shù)據(jù)，導致系統(tǒng)健壯性不夠健全,。雖然目前的MiniGUILite版本拋棄LinuxThread庫而改用微客戶端/服務器模式提供對多進程的支持,，但是仍然存在著對多進程支持弱、圖形功能不完善,、窗口剪切不完備等問題,。
QT/Embedded和Qtopia
QT/Embedded是著名的QT庫開發(fā)商TrollTech開發(fā)的基于framebuffer、面向嵌入式系統(tǒng)的QT版本,。它的特點主要有界面美觀,、色彩配比好，使用與QT/Windows和QT/X11完全一致的API接口,，許多基于QT的程序可以非常方便地移植到嵌入式系統(tǒng),；同時它具有豐富的模塊,，用戶可以根據(jù)需要選擇QT/Embedded的特性集合。Qtopia是TrollTech專門為嵌入式Linux設備所定制終端用戶平臺,，它包括了Qtopia庫和Qtopia的服務器及客戶端應用程序,。
QT/Embedded和Qtopia的結構如圖2所示。QT/Embed2ded實現(xiàn)了對下層輸入設備的驅(qū)動和底層圖形接口以及各基類和API,。Qtopia也是以客戶/服務器的方式,，通過消息機制來管理各種應用程序。QT的資源相當豐富,，基于QTAPI開發(fā)的應用程序相當多,，像KDE這種應用范圍極廣的GUI也是使用QTAPI開發(fā)出來的；而且OPIE組織也開發(fā)了并改進了許多專門基于QT/Embedded上的Qtopia應用程序及函數(shù)庫,。
不過QT/Embedded對于系統(tǒng)的資源要求非常高,，需要在較大的存儲空間和運行空間上才可以運行；而且它是基于C++來實現(xiàn)的,，而這種C++接口對于嵌入式系統(tǒng)中的某些應用來說就顯得比較臃腫,；另外如若需要修改QT/Embedded并在商業(yè)產(chǎn)品中發(fā)布，則需要分別購買開發(fā)授權及運行時授權,，所需費用太昂貴,。
基于ARMLinux平臺的移植
編譯環(huán)境的建立
GUI的編譯通常都是在PC機上執(zhí)行的，也就是說,，編譯器本身能夠在PC機上執(zhí)行,，同時編譯源代碼生成的二進制文件必須能在目標機上執(zhí)行，這類編譯器通常稱為交叉編譯器,。對于ARM平臺,，我們安裝了cross-arm-binutils-*.i386.rpm、cross-arm-gcc-*.i386.rpm,、cross-arm-glibc-*.i386.rpm這三個包,。這些包都可以從網(wǎng)上免費獲取，“*”通常代表版本號,。arm-binutils這個包一般包含了一些針對ARM平臺的二進制工具,，比如arm-STrip、arm-ar等命令,；arm-glibc這個包包含的是標準C的函數(shù)庫的ARM的版本以及對應的頭文件,；arm-gcc中包含的則是生成ARM平臺代碼的x86上的交叉編譯器。執(zhí)行rpm命令將這些包安裝到PC機上,，若不在系統(tǒng)默認搜索目錄下,，比如安裝在/opt/cross目錄下，則必須將/opt/cross/bin目錄加到系統(tǒng)的PATH環(huán)境變量中,，這樣在每次編譯時系統(tǒng)才能找得到編譯器,。另外需要注意的是,，編譯時所用的函數(shù)庫版本要與目標版上運行時所用的函數(shù)庫版本一致,。經(jīng)過上述步驟,，就已經(jīng)建立了交叉編譯環(huán)境，接下來的就是選擇或修改GUI的編譯選項,，從而生成所需要的GUI系統(tǒng),。
Microwindows的移植
Microwindows的定制和編譯主要是通過修改它源程序根目錄下的cONfig這個文件中的選項來實現(xiàn)，而在configs這個目錄下已經(jīng)有一些針對不同平臺的config文件,，若目標平臺與之定義的相符,，可直接將其拷貝到根目錄下覆蓋掉原有的config文件，然后輸入命令make來開始編譯,。另外還可以執(zhí)行根目錄下的xconfigure文件,，它提供了一個可視化的窗口來方便用戶進行編譯選項配置。下面介紹一下其中主要的一些選項：
目標平臺選項,。ARCH表示目標機的平臺,，比如ARCH=LINUX-ARM,BIGENDIAN表示目標平臺是否為大數(shù)端；
圖像支持選項,。HAVE-BMP-SUPPORT=Y,、HAVEJPEG-SUPPORT=Y兩項表示對BMP和JPEG格式圖像的支持（還有其它格式選項）。設置JPEG圖像選項時必須給出外部jpeg解壓縮庫的位置,，例如LIBJPEG=/usr/lib/libjpeg.a;
字體支持選項,。HAVE-FREETYPE-SUPPORT=Y、HAVE-T1LIB-SUPPORT=Y表示支持TrueType和AdobeType1字體,，這些庫也必須預先編譯并在配置文件中指定其位置,，Microwindows的網(wǎng)站上提供了許多字庫函數(shù)的下載。另外,，Microwindows還提供了中文BIG5,、GB2312以及日文和韓文的支持；
輸出顯示選項,。FRAMEBUFFER=Y表示使用Linux上的framebuffer來實現(xiàn)顯示,，當然Microwindows也支持X11顯示；
輸入設備選項,。Microwindows提供了一系列的鼠標（包括觸摸屏）和鍵盤的支持,，可以根據(jù)不同的系統(tǒng)選擇適當?shù)倪x項。
配置完成后,，執(zhí)行make命令開始編譯,。編譯完成后，將生成的庫以及可執(zhí)行文件打包下載到目標板上,。如果庫文件沒有放在目標系統(tǒng)的默認搜索庫的路徑中,，那么還需將此目錄加到LD-LIBRARY-PATH環(huán)境變量中,，然后即可以運行nano-X服務器及各應用程序。
MiniGUI的移植
下載MiniGUI的庫文件源代碼包libminigui-3.tar.gz和資源文件包minigui-res-3.tar.gz以及演示程序包mde-3.tar.gz后,，將它們分別解壓到各自的目錄下,。首先介紹庫文件的編譯，它的編譯配置主要通過執(zhí)行源程序根目錄下configure這個文件,，并給它傳遞相關的參數(shù)來實現(xiàn),。比如：CC=arm-linux-gcc./configure———host=i386-linux———target=arm-linux。其中,，CC參數(shù)表示所使用的編譯器名,，host表示編譯環(huán)境所在的主機類型，target表示編譯生成后目標系統(tǒng)的主機類型,，當前默認編譯生成的是MiniGUIThread版本,，如果要生成MiniGUILite版本需再加上參數(shù)———enable-lite,更多參數(shù)可以通過執(zhí)行。/configure-help來查詢,。在執(zhí)行configure之前,，根據(jù)硬件特性可以修改根目錄下的etc目錄下的Minigui-3d.cfg和Minigui-flat.cfg兩個文件中的選項。比如,，如果目標系統(tǒng)的framebuffer大小是320X240,每像素占12bits,則將上述兩個文件中[fbcon]組中的defaultmode的值就應設置為320X240-12bpp,。配置完成以后執(zhí)行make命令開始編譯，編譯結束后執(zhí)行makeinstall命令,，在/usr/local/lib下面會生成交叉編譯出來的動態(tài)庫和靜態(tài)庫文件,。其次，資源文件的安裝比較簡單,，解壓以后在其根目錄下有一個名叫config.linux的文件,，修改其中的TOPDIR一項，這樣執(zhí)行makeinstall安裝命令以后,，所有資源文件會被安裝到TOPDIR所定義的目錄下的usr/local/lib/minigui下,。最后演示程序包的編譯與庫文件編譯類似，也是執(zhí)行其根目錄下的configure文件并傳遞相關參數(shù),，然后執(zhí)行make命令來編譯,。若編譯庫文件時選擇———enable-lite參數(shù)，由于MiniGUI-Lite采用的是微客戶端/服務器架構,，要運行應用程序必須先啟動服務器程序mginit,然后才能運行其它的應用程序,；若編譯庫文件時沒有添———enable-lite參數(shù)，則mginit目錄根本不會編譯進去,，演示程序可以直接執(zhí)行,。
QT的移植
QT的編譯步驟比較復雜。Qtopia的根目錄下有README.html文件介紹了PC機上編譯的步驟及參數(shù)。因此,，本文主要描述在編譯成以ARM為目標平臺時有所區(qū)別的幾個步驟及參數(shù),。下載Qt/Embedded、Qt/X11和Qtopia三個包并分別解壓,。這三者的編譯配置都是通過執(zhí)行相應根目錄下的configure文件并傳遞相關參數(shù)來實現(xiàn),，另外在Qtopia目錄下src/qt/qconfig-qpe.h文件中要定義一些相關的宏，這樣在編譯時編譯器會根據(jù)所定義的宏選擇需要的代碼來進行編譯,。比如,，目標系統(tǒng)所使用的觸摸屏實現(xiàn)方式與IPAQ類似,，若要使QT將所支持的代碼編譯進來,，則需在qt2config-qpe.h中定義宏QT-QWS-IPAQ。首先,，我們在執(zhí)行configure對QT/Embedded進行配置時,，傳遞了三個參數(shù)-xplatformlinux-arm-g++、-qconfigqpe和-no-qvfb,。其中第一個參數(shù)表示,，編譯后二進制文件執(zhí)行時所在的目標平臺類型；第二個參數(shù)告訴編譯器配置頭文件是在src/tools/目錄下叫做qconfig-qpe.h,通常這個文件就是Qtopia目錄下src/qt/qconfig-qpe.h的一個拷貝,；第三個參數(shù)表示在編譯時不需要編譯qvfb工具,，當目標系統(tǒng)不支持Framebuffer時，在執(zhí)行啟動Qtopia之前先通過執(zhí)行qvfb來產(chǎn)生一個虛擬的Framebuffer,這時再啟動Qtopia相應的內(nèi)容就會顯示在qvfb上,。在對Qtopia進行配置時,，只傳遞了一個參數(shù)：-platformarm-linux-g++,表示目標平臺是ARM平臺。當然在上述配置過程中還可以使用其它一些參數(shù),，這些參數(shù)可以通過傳遞-help參數(shù)給configure來查詢,。在配置并編譯完之后，將Qtopia目錄下的運行時相關目錄全部打包并下載到目標系統(tǒng)上,，設置了相應的環(huán)境變量（比如QPEDIR,、QTDIR和LD-LIBRARY-PATH等）后，就可以執(zhí)行,。當然目標系統(tǒng)上的特殊硬件的支持需要通過修改QT/Embedded下的對應源程序來完成,。