嵌入式Linux的MiniGUI研究和移植
摘要：分析嵌入式操作系统下典型的图形用户界面MiniGUI的结构和特点，并提出将其移植到SUNPLUS的DVD720上的方案。
关键词：图形用户界面(GUI) 嵌入式系统 Frame Buffer
引 言
1 嵌入式Linux下的GUI概况
1.1 GUI在嵌入式系统中的地位
随着嵌入式系统的广泛应用，PDA、机顶盒、DVD/VCD播放机及WAP手机已经迅速普及。图形用户界面（GUI）的广泛流行，是当今计算机技术的重大成就之一。它极大地方便了非专业用户的使用，因此实时嵌入式系统对GUI的需求越来越明显，而这一切均要求有一个高性能、高可靠的GUI 的支持。
由于嵌入式系统实时性要求非常高，对GUI的要求也更高。这些系统一般不希望建立在庞大累赘的、非常消耗系统资源的操作系统和GUI之上，比如Windows或X Window，太过庞大和臃肿。这样，这些系统对轻型GUI的需求更加突出。另外嵌入式系统往往是一种定制设备，它们对GUI的需求也各不相同。有些系统只要求一些图形功能，而有些系统要求完备的GUI支持，因此，GUI也必须是可定制的。嵌入式系统对GUI的基本要求包括轻型、占用资源少、高性能、高可靠性及可配置[1]。
1.2 目前嵌入式系统中GUI的实现
尽管实时嵌入式系统对GUI的需求越来越明显，但目前GUI的实现方法各有不同[1]：
① 某些大型厂商有能力自己开发满足自身需要的GUI系统。
② 某些厂商没有将GUI作为一个软件层从应用程序中剥离，GUI的支持逻辑由应用程序自己来负责。
③ 采用某些比较成熟的GUI系统，比如 Mini GUI、MicroWindows 或者其它GUI系统。
比较常用的有如下几种GUI系统：紧缩的X Window 系统、MiniGUI、MicroWindows、OpenGUI及QT/Embedded 等。下面简单介绍这些系统。
（1）MiniGUI
MiniGUI[2]由原清华大学教师魏永明先生开发，是一种面向嵌入式系统或者实时系统的图形用户界面支持系统。它主要运行于Linux控制台，实际可以运行在任何一种具有POSIX线程支持的 POSIX兼容系统上。MiniGUI同时也是国内最早出现的几个自由软件项目之一。稍后将对它作详细的介绍。
（2）MicroWindows
MicroWindows[3]是一个著名的开放源码的嵌入式GUI软件。MicroWindows提供了现代图形窗口系统的一些特性。MicroWindows API接口支持类Win32 API，接口试图和Win32完全兼容。它还实现了一些Win32用户模块功能。MicroWindows采用分层设计方法，以便不同的层面能够在需要的时候改写，基本上用 C 语言实现。MicroWindows已经支持 Intel 16位和32位CPU、MIPS R4000 以及 ARM 芯片；但作为一个窗口系统，该项目提供的窗口处理功能还需要进一步完善，比如控件或构件的实现还很不完备，键盘和鼠标等的驱动还很不完善。
（3）OpenGUI
OpenGUI[4]在Linux系统上存在已经很长时间了。这个库是用C++编写的，只提供C++接口。OpenGUI基于一个用汇编实现的x86图形内核，提供了一个高层的C/C++图形/窗口接口。OpenGUI提供了二维绘图原语、消息驱动的API及BMP文件格式支持。OpenGUI功能强大，使用方便。OpenGUI 支持鼠标和键盘的事件，在Linux上基于Frame buffer或者SVGALib实现绘图。由于其基于汇编实现的内核并利用MMX指令进行了优化，OpenGUI运行速度非常快。正由于其内核用汇编实现，可移植性受到了影响。通常在驱动程序一级，性能和可移植性是矛盾的，必须找到一个折衷。
（4）QT/Embedded
QT/Embedded[5]是著名的QT库开发商Trolltech 的面向嵌入式系统的QT版本。这个版本的主要特点是可移植性较好，许多基于QT的X Window程序可以非常方便地移植到嵌入式系统；但是该系统不是开放源码的，如果使用这个库，可能需要支付昂贵的授权费用。
2 MiniGUI的特点和体系结构
2.1 MiniGUI的特点
MiniGUI的主要特点有[1]：
◇ 遵循GPL条款的纯自由软件。
◇ 提供了完备的多窗口机制，包括：
多个单独线程中运行的多窗口；
单个线程中主窗口的附属；
对话框和预定义的控件类（按钮、单行和多行编辑框、列表框、进度条及工具栏等）；
消息传递机制。
◇ 多字符集和多字体支持，目前支持 ISO8859-1、GB2312及Big5 等字符集，并且支持各种光栅字体和 TrueType、Type 1 等矢量字体。
◇ 全拼和五笔等汉字输入法支持。
◇ BMP、GIF、JPEG及PCX 等常见图像文件的支持。
◇ Windows的资源文件支持，如位图、图标、光标、插入符、定时器及加速键等。
◇ 小巧。包含全部功能的库文件大小为300 KB左右。
◇ 可配置。可根据项目需求进行定制配置和编译。
◇ 高稳定性和高性能。MiniGUI已经在Linux发行版安装程序、CNC系统及蓝点嵌入式系统等关键应用程序中得到了实际应用。
◇ 可移植性好。目前，MiniGUI可以在X Window 和Linux控制台上运行。中科院EEOS开发组已经成功地将MiniGUI移植到了他们的POSIX兼容系统上。蓝点软件（北京）研发中心也已经成功地将 MiniGUI移植到了两款基于StrongARM的嵌入式系统上。
2.2 MiniGUI的体系结构
从整体结构上看，MiniGUI是分层设计的，层次结构如图1所示。在最底层，GAL和IAL提供底层图形接口以及鼠标和键盘的驱动；中间层是MiniGUI 的核心层，包括窗口系统必不可少的各个模块；最顶层是API，即编程接口。GAL和IAL为 MiniGUI提供了底层的Linux控制台或者X Window 上的图形接口以及输入接口，而Pthread用于提供内核级线程支持的C函数库。
利用GAL和IAL，大大提高了MiniGUI的可移植性，并且使程序的开发和调试变得更加容易。可以在X Window上开发和调试自己的MiniGUI程序，通过重新编译就可以让MiniGUI应用程序运行在特殊的嵌入式硬件平台上。
3 MiniGUI的移植
笔者的项目DVD720工作在μC/OS嵌入式操作系统下，核心CPU为MIPS芯片。该平台是SUNPLUS公司提供的一个多媒体平台，不仅仅实现DVD的播放，还包含一些附加功能，例如游戏、卡拉OK、VOD及上网等功能，并为用户提供了编程接口，使用户可以在DVD上对Lego公司的机器人进行控制。为了给用户提供一个友好的界面，以及从易用性和通用性方面考虑，将MiniGUI移植到我们的DVD720平台。DVD720平台的体系结构如图2[6]所示。由于MiniGUI的分层实现，需要考虑的只是HAL接口下的各驱动程序：鼠标驱动程序、键盘驱动程序及图形驱动程序。
3.1 鼠标和键盘驱动程序
鼠标驱动程序非常简单。抽象意义上讲，初始化鼠标后，每次用户移动鼠标，就可以得到一个X 和 Y 方向上的位移值。驱动程序内部维护鼠标的当前位置，用户移动鼠标后，当前位置被加上位移值，并通过上层Cursor支持，反映到屏幕上，用户就会认为鼠标被正确地“移动”了。现在有各种各样的鼠标，例如MS鼠标、PS/2鼠标、总线鼠标及GPM鼠标等，其主要差别在于初始化和数据包格式上。键盘驱动程序的实现也比较简单，在此不作详细的介绍。
3.2 图形驱动程序
HAL提供的接口函数大多与图形相关，主要就是通过调用图形驱动程序来完成任务的。图形驱动程序屏蔽了底层驱动的细节，实现底层驱动相关的功能，而不是硬件相关的一些功能，如一些画圆和画线的GDI函数、普通的剪切，可直接在HAL接口层实现。
DVD720的显示驱动是基于Frame buffer的驱动程序的。通过对SDRAM中的frame buffer和video bitstream buffer写入，就可以实现对TV和显示器的刷新。像素的写入方式和顺序如图3所示[6]。
下面介绍各接口函数：
Open，Close
基本的初始化和关闭函数。在Open函数里要选择子图形驱动程序，将其实现的函数赋给本PSD 结构的函数指针。这里只考虑基于Frame buffer的图形引擎的初始化。
SetPalette，GetPalette
当使用8位或以下的图形模式时，要使用系统调色板。这里是调色板处理函数，它们和Windows API中的概念类似。Linux系统利用ioctl 提供了处理调色板的接口。
AllocateMemGC，MapMemGC，FreeMemGC
内存屏幕是一个伪屏幕。在对屏幕图形操作过程中，比如移动窗口，先生成一个内存屏幕，将物理屏幕的一个区域拷贝到内存屏幕，再拷贝到物理屏幕的新位置，这样就减少了屏幕直接拷贝的延时。AllocateMemGC用于给内存屏幕分配空间，MapMemGC做一些初始化工作，而FreeMemGC则释放内存屏幕。
DrawPixel、ReadPixel、DrawHLine、DrawVLine及FillRect
这些是底层图形函数。分别是画点、读点、画水平线、画竖直线及画一个实心矩形。之所以在底层实现这么多函数，是为了提高效率。图形函数支持多种画图模式，常用的有直接设置或Alpha混合模式，从而可以支持各种图形效果。
PutHLine、GetHLine、PutVLine、GetVLine、PutBox、GetBox及PutBoxMask
Get* 函数用于从屏幕拷贝像素到一块内存区，而Put*函数用于将存放于内存区的像素画到屏幕上。PutBoxMask 与PutBox的唯一区别是，如果要画的像素是白色，就不会被画到屏幕上，从而达到一种透明的效果。
4 总结与展望
到目前为止，我们的移植工作已经顺利完成。MiniGUI已经能成功运行在我们的DVD720平台上。作为底层支持的GUI系统，MiniGUI也应该像操作系统一样是开放源码的自由软件，并应该得到开发商的共同推动。到目前为止，已经有多家嵌入式系统开发商采用MiniGUI开发嵌入式系统，并且已经开发出了许多重要的应用程序。我们期望能够有更多的人加入MiniGUI的开发，共同促成MiniGUI成为嵌入式 Linux系统上的标准GUI。尽管MiniGUI目前的功能已经非常强大，并且已经成功应用于许多嵌入式系统，但还需要在如下领域进行开发：
◇ 建立一个 C++ 类库来封装MiniGUI的API；
◇ 建立基于传统进程级客户/服务器体系结构的 MiniGUI，以便能够让MiniGUI适合于一些较大的嵌入式系统，比如支持全功能浏览器的机顶盒。
随着MiniGUI不断推广和功能的加强，它也将在实际应用中不断走向成熟。实时嵌入式系统上的GUI开发正处于开始阶段。在这个领域，有许多技术难题等待自由软件程序员去解决。
关键词：图形用户界面(GUI) 嵌入式系统 Frame Buffer
引 言
1 嵌入式Linux下的GUI概况
1.1 GUI在嵌入式系统中的地位
随着嵌入式系统的广泛应用，PDA、机顶盒、DVD/VCD播放机及WAP手机已经迅速普及。图形用户界面（GUI）的广泛流行，是当今计算机技术的重大成就之一。它极大地方便了非专业用户的使用，因此实时嵌入式系统对GUI的需求越来越明显，而这一切均要求有一个高性能、高可靠的GUI 的支持。
由于嵌入式系统实时性要求非常高，对GUI的要求也更高。这些系统一般不希望建立在庞大累赘的、非常消耗系统资源的操作系统和GUI之上，比如Windows或X Window，太过庞大和臃肿。这样，这些系统对轻型GUI的需求更加突出。另外嵌入式系统往往是一种定制设备，它们对GUI的需求也各不相同。有些系统只要求一些图形功能，而有些系统要求完备的GUI支持，因此，GUI也必须是可定制的。嵌入式系统对GUI的基本要求包括轻型、占用资源少、高性能、高可靠性及可配置[1]。
1.2 目前嵌入式系统中GUI的实现
尽管实时嵌入式系统对GUI的需求越来越明显，但目前GUI的实现方法各有不同[1]：
① 某些大型厂商有能力自己开发满足自身需要的GUI系统。
② 某些厂商没有将GUI作为一个软件层从应用程序中剥离，GUI的支持逻辑由应用程序自己来负责。
③ 采用某些比较成熟的GUI系统，比如 Mini GUI、MicroWindows 或者其它GUI系统。
比较常用的有如下几种GUI系统：紧缩的X Window 系统、MiniGUI、MicroWindows、OpenGUI及QT/Embedded 等。下面简单介绍这些系统。
（1）MiniGUI
MiniGUI[2]由原清华大学教师魏永明先生开发，是一种面向嵌入式系统或者实时系统的图形用户界面支持系统。它主要运行于Linux控制台，实际可以运行在任何一种具有POSIX线程支持的 POSIX兼容系统上。MiniGUI同时也是国内最早出现的几个自由软件项目之一。稍后将对它作详细的介绍。
（2）MicroWindows
MicroWindows[3]是一个著名的开放源码的嵌入式GUI软件。MicroWindows提供了现代图形窗口系统的一些特性。MicroWindows API接口支持类Win32 API，接口试图和Win32完全兼容。它还实现了一些Win32用户模块功能。MicroWindows采用分层设计方法，以便不同的层面能够在需要的时候改写，基本上用 C 语言实现。MicroWindows已经支持 Intel 16位和32位CPU、MIPS R4000 以及 ARM 芯片；但作为一个窗口系统，该项目提供的窗口处理功能还需要进一步完善，比如控件或构件的实现还很不完备，键盘和鼠标等的驱动还很不完善。
（3）OpenGUI
OpenGUI[4]在Linux系统上存在已经很长时间了。这个库是用C++编写的，只提供C++接口。OpenGUI基于一个用汇编实现的x86图形内核，提供了一个高层的C/C++图形/窗口接口。OpenGUI提供了二维绘图原语、消息驱动的API及BMP文件格式支持。OpenGUI功能强大，使用方便。OpenGUI 支持鼠标和键盘的事件，在Linux上基于Frame buffer或者SVGALib实现绘图。由于其基于汇编实现的内核并利用MMX指令进行了优化，OpenGUI运行速度非常快。正由于其内核用汇编实现，可移植性受到了影响。通常在驱动程序一级，性能和可移植性是矛盾的，必须找到一个折衷。
（4）QT/Embedded
QT/Embedded[5]是著名的QT库开发商Trolltech 的面向嵌入式系统的QT版本。这个版本的主要特点是可移植性较好，许多基于QT的X Window程序可以非常方便地移植到嵌入式系统；但是该系统不是开放源码的，如果使用这个库，可能需要支付昂贵的授权费用。
2 MiniGUI的特点和体系结构
2.1 MiniGUI的特点
MiniGUI的主要特点有[1]：
◇ 遵循GPL条款的纯自由软件。
◇ 提供了完备的多窗口机制，包括：
多个单独线程中运行的多窗口；
单个线程中主窗口的附属；
对话框和预定义的控件类（按钮、单行和多行编辑框、列表框、进度条及工具栏等）；
消息传递机制。
◇ 多字符集和多字体支持，目前支持 ISO8859-1、GB2312及Big5 等字符集，并且支持各种光栅字体和 TrueType、Type 1 等矢量字体。
◇ 全拼和五笔等汉字输入法支持。
◇ BMP、GIF、JPEG及PCX 等常见图像文件的支持。
◇ Windows的资源文件支持，如位图、图标、光标、插入符、定时器及加速键等。
◇ 小巧。包含全部功能的库文件大小为300 KB左右。
◇ 可配置。可根据项目需求进行定制配置和编译。
◇ 高稳定性和高性能。MiniGUI已经在Linux发行版安装程序、CNC系统及蓝点嵌入式系统等关键应用程序中得到了实际应用。
◇ 可移植性好。目前，MiniGUI可以在X Window 和Linux控制台上运行。中科院EEOS开发组已经成功地将MiniGUI移植到了他们的POSIX兼容系统上。蓝点软件（北京）研发中心也已经成功地将 MiniGUI移植到了两款基于StrongARM的嵌入式系统上。
2.2 MiniGUI的体系结构
从整体结构上看，MiniGUI是分层设计的，层次结构如图1所示。在最底层，GAL和IAL提供底层图形接口以及鼠标和键盘的驱动；中间层是MiniGUI 的核心层，包括窗口系统必不可少的各个模块；最顶层是API，即编程接口。GAL和IAL为 MiniGUI提供了底层的Linux控制台或者X Window 上的图形接口以及输入接口，而Pthread用于提供内核级线程支持的C函数库。
利用GAL和IAL，大大提高了MiniGUI的可移植性，并且使程序的开发和调试变得更加容易。可以在X Window上开发和调试自己的MiniGUI程序，通过重新编译就可以让MiniGUI应用程序运行在特殊的嵌入式硬件平台上。
3 MiniGUI的移植
笔者的项目DVD720工作在μC/OS嵌入式操作系统下，核心CPU为MIPS芯片。该平台是SUNPLUS公司提供的一个多媒体平台，不仅仅实现DVD的播放，还包含一些附加功能，例如游戏、卡拉OK、VOD及上网等功能，并为用户提供了编程接口，使用户可以在DVD上对Lego公司的机器人进行控制。为了给用户提供一个友好的界面，以及从易用性和通用性方面考虑，将MiniGUI移植到我们的DVD720平台。DVD720平台的体系结构如图2[6]所示。由于MiniGUI的分层实现，需要考虑的只是HAL接口下的各驱动程序：鼠标驱动程序、键盘驱动程序及图形驱动程序。
3.1 鼠标和键盘驱动程序
鼠标驱动程序非常简单。抽象意义上讲，初始化鼠标后，每次用户移动鼠标，就可以得到一个X 和 Y 方向上的位移值。驱动程序内部维护鼠标的当前位置，用户移动鼠标后，当前位置被加上位移值，并通过上层Cursor支持，反映到屏幕上，用户就会认为鼠标被正确地“移动”了。现在有各种各样的鼠标，例如MS鼠标、PS/2鼠标、总线鼠标及GPM鼠标等，其主要差别在于初始化和数据包格式上。键盘驱动程序的实现也比较简单，在此不作详细的介绍。
3.2 图形驱动程序
HAL提供的接口函数大多与图形相关，主要就是通过调用图形驱动程序来完成任务的。图形驱动程序屏蔽了底层驱动的细节，实现底层驱动相关的功能，而不是硬件相关的一些功能，如一些画圆和画线的GDI函数、普通的剪切，可直接在HAL接口层实现。
DVD720的显示驱动是基于Frame buffer的驱动程序的。通过对SDRAM中的frame buffer和video bitstream buffer写入，就可以实现对TV和显示器的刷新。像素的写入方式和顺序如图3所示[6]。
下面介绍各接口函数：
Open，Close
基本的初始化和关闭函数。在Open函数里要选择子图形驱动程序，将其实现的函数赋给本PSD 结构的函数指针。这里只考虑基于Frame buffer的图形引擎的初始化。
SetPalette，GetPalette
当使用8位或以下的图形模式时，要使用系统调色板。这里是调色板处理函数，它们和Windows API中的概念类似。Linux系统利用ioctl 提供了处理调色板的接口。
AllocateMemGC，MapMemGC，FreeMemGC
内存屏幕是一个伪屏幕。在对屏幕图形操作过程中，比如移动窗口，先生成一个内存屏幕，将物理屏幕的一个区域拷贝到内存屏幕，再拷贝到物理屏幕的新位置，这样就减少了屏幕直接拷贝的延时。AllocateMemGC用于给内存屏幕分配空间，MapMemGC做一些初始化工作，而FreeMemGC则释放内存屏幕。
DrawPixel、ReadPixel、DrawHLine、DrawVLine及FillRect
这些是底层图形函数。分别是画点、读点、画水平线、画竖直线及画一个实心矩形。之所以在底层实现这么多函数，是为了提高效率。图形函数支持多种画图模式，常用的有直接设置或Alpha混合模式，从而可以支持各种图形效果。
PutHLine、GetHLine、PutVLine、GetVLine、PutBox、GetBox及PutBoxMask
Get* 函数用于从屏幕拷贝像素到一块内存区，而Put*函数用于将存放于内存区的像素画到屏幕上。PutBoxMask 与PutBox的唯一区别是，如果要画的像素是白色，就不会被画到屏幕上，从而达到一种透明的效果。
4 总结与展望
到目前为止，我们的移植工作已经顺利完成。MiniGUI已经能成功运行在我们的DVD720平台上。作为底层支持的GUI系统，MiniGUI也应该像操作系统一样是开放源码的自由软件，并应该得到开发商的共同推动。到目前为止，已经有多家嵌入式系统开发商采用MiniGUI开发嵌入式系统，并且已经开发出了许多重要的应用程序。我们期望能够有更多的人加入MiniGUI的开发，共同促成MiniGUI成为嵌入式 Linux系统上的标准GUI。尽管MiniGUI目前的功能已经非常强大，并且已经成功应用于许多嵌入式系统，但还需要在如下领域进行开发：
◇ 建立一个 C++ 类库来封装MiniGUI的API；
◇ 建立基于传统进程级客户/服务器体系结构的 MiniGUI，以便能够让MiniGUI适合于一些较大的嵌入式系统，比如支持全功能浏览器的机顶盒。
随着MiniGUI不断推广和功能的加强，它也将在实际应用中不断走向成熟。实时嵌入式系统上的GUI开发正处于开始阶段。在这个领域，有许多技术难题等待自由软件程序员去解决。