MiniGUI 和嵌入式操作系统
1 引言
由北京飞漫软件技术有限公司开发的 MiniGUI，是国内为数不多的几大国际知名自由软件之一。MiniGUI 是面向实时嵌入式系统的轻量级图形用户界面支持系统，1999 年初遵循 GPL 条款发布第一个版本以来，已广泛应用于手持信息终端、机顶盒、工业控制系统及工业仪表、彩票机、金融终端等产品和领域。目前，MiniGUI 已成为跨操作系统的图形用户界面支持系统，可在Linux/uClinux、eCos、uC/OS-II、VxWorks、等操作系统上运行；已验证的硬件平台包括Intel x86、ARM（ARM7/AMR9 /StrongARM/xScale）、PowerPC、MIPS、M68K（DragonBall/ColdFire）等等。本文将介绍 MiniGUI 以及 MiniGUI 和它支持的各种嵌入式操作系统的关系。
2 MiniGUI 的特点及应用
MiniGUI 为实时嵌入式操作系统提供了非常完善的图形及图形用户界面支持。MiniGUI 本身的可移植性设计，使得不论在哪个硬件平台、哪种操作系统上运行，MiniGUI 均能为上层应用程序提供一致的应用程序编程接口（API）。
2.1 MiniGUI 的功能特色
作为操作系统和应用程序之间的中间件，MiniGUI 将底层操作系统及硬件平台差别隐藏了起来，并对上层应用程序提供了一致的功能特性，这些功能特性包括：
1. 完备的多窗口机制和消息传递机制。
2. 常用的控件类，包括静态文本框、按钮、单行和多行编辑框、列表框、组合框、进度条、属性页、工具栏、拖动条、树型控件、月历控件等。
3. 对话框和消息框支持以及其它 GUI 元素，包括菜单、加速键、插入符、定时器等。
4. 界面皮肤支持。用户可通过皮肤支持获得外观非常华丽的图形界面。
5. 通过两种不同的内部软件结构支持低端显示设备（比如单色 LCD）和高端显示设备（比如彩色显示器），前者小巧灵活，而后者在前者的基础上提供了更加强大的图形功能。
6. Windows 的资源文件支持，如位图、图标、光标等。
7. 各种流行图像文件的支持，包括 JPEG、GIF、PNG、TGA、BMP 等等。
8. 多字符集和多字体支持，目前支持 ISO8859-1～ISO8859-15、GB2312、GBK、GB18030、BIG5、EUC-JP、Shift-JIS、EUC-KR、 UNICODE 等字符集，支持等宽点阵字体、变宽点阵字体、Qt/Embedded 使用的嵌入式字体QPF、TrueType 以及 Adobe Type1 等矢量字体。
9. 多种键盘布局的支持。MiniGUI 除支持常见的美式 PC 键盘布局之外，还支持法语、德语等语种的键盘布局。
10. 简体中文（GB2312）输入法支持，包括内码、全拼、智能拼音等。用户还可以从飞漫软件获得五笔、自然码等输入法支持。
11. 针对嵌入式系统的特殊支持，包括一般性的 I/O 流操作，字节序相关函数等。
2.2 MiniGUI 的技术优势
和其它针对嵌入式产品的图形系统相比，MiniGUI 具有如下几大技术优势：
2.2.1 轻型、占用资源少
MiniGUI 本身的占用空间非常小。以嵌入式 Linux 操作系统为例，MiniGUI 的典型存储空间占用情况如下：
* Linux 内核： 300K ～ 500K（由系统决定）
* MniGUI 支持库： 500K ～ 700K（由编译选项确定）
* MniGUI 字体、位图等资源： 400K （由应用程序确定，可缩小到 200K 以内）
* GB2312 输入法码表：200K（不是必需的，由应用程序确定）
* 应用程序： 1M ～ 2M （由应用程序决定）
总体的系统占有空间应该在 2MB 到 4MB 左右。在某些系统上，功能完备的 MiniGUI 系统本身所占用的空间可进一步缩小到 1MB 以内。
最新的研发成果表明，MiniGUI 能够在 CPU 主频为 30 MHz，仅有 4M RAM 的系统上正常运行（使用 uClinux 操作系统），这是其它针对嵌入式产品的图形系统，比如 MicroWindows 或者 Qt/Embedded 所无法达到的。
2.2.2 高性能、高可靠性
MiniGUI 良好的体系结构及优化的图形接口，可确保最快的图形绘制速度。在设计之初，我们就充分考虑到了实时嵌入式系统的特点，针对多窗口环境下的图形绘制开展了大量的研究及开发，优化了 MiniGUI 的图形绘制性能及资源占有。MiniGUI 在大量实际系统中的应用，尤其在工业控制系统的应用，证明 MiniGUI 具有非常好的性能。
从 1999 年 MiniGUI 的第一个版本发布以来，就有许多产品和项目使用 MiniGUI，MiniGUI 本身也不断从这些产品或者项目当中获得发展动力和新的技术需求，不断提高了自身的可靠性和健壮性。
有关 MiniGUI 的最新成功案例，您可以点击此处。
2.2.3 可配置
为满足嵌入式系统千变万化的需求，必须要求 GUI 系统是可配置的。和 Linux 内核类似，MiniGUI 也实现了大量的编译配置选项，通过这些选项可指定 MiniGUI 库中包括哪些功能而同时不包括哪些功能。大体说来，我可以在如下几个方面对 MiniGUI 进行定制配置：
* MiniGUI 要运行的操作系统，是普通嵌入式 Linux、uClinux、eCos 还是 uC/OS-II 或者 VxWorks。
* 生成基于线程的 MiniGUI-Threads 运行模式还是基于进程的 MiniGUI-Lite 运行模式，或者只是最简单的 MiniGUI-Standalone 运行模式。
* 要采用老的 GAL/GDI 接口（低端显示设备）还是新的 GAL/GDI 接口（高端显示设备）。
* 需要支持的 GAL 引擎和 IAL 引擎，以及引擎相关选项。
* 需要支持的字体类型。
* 需要支持的字符集。
* 需要支持的图像文件格式。
* 需要支持的控件类。
* 控件的整体风格，是三维风格、平面风格还是手持终端风格。
这些配置选项大大增强了 MiniGUI 的灵活性，对用户来讲，可针对具体应用需求量体裁衣，生成最适合产品需求系统及软件。
2.2.4 可伸缩性强
MiniGUI 丰富的功能和可配置特性，使得它既可运行于基于龙珠的低端产品中，亦可运行于基于 ARM9 的高端产品中，并使用 MiniGUI 的高级控件风格及皮肤界面等技术，创建华丽的用户界面。
2.2.5 跨操作系统支持
理论上，MiniGUI 可支持任意一个多任务嵌入式操作系统；实际已支持 Linux/uClinux、eCos、uC/OS-II、VxWorks 等嵌入式操作系统。同时，在不同操作系统上的 MiniGUI，提供完全兼容的 API 接口。
总之，MiniGUI 是一个非常适合于实时嵌入式产品的高效、可靠、可定制、小巧灵活的图形用户界面支持系统。
2.3 MiniGUI 的典型应用
从最初的数控系统到目前流行的智能手持终端设备，MiniGUI 已经在大量产品中得到了应用。MiniGUI 最主要的应用领域大致可分为三类：
l 手机、PDA 类产品。图 1 给出的是采用 eCos 操作系统，基于 MiniGUI 开发的高端智能手机的应用程序界面。
图 1 MiniGUI 典型应用：智能手持设备
l 媒体及机顶盒类产品。图 2 给出的是基于 MiniGUI 开发的机顶盒浏览器产品（由北京东方创科技术有限公司开发）以及由飞漫软件开发的法律政务查询终端产品。
图 2 MiniGUI 典型应用：数字媒体和机顶盒
l 仪表及控制系统。图 3 给出的是基于 Linux 和 MiniGUI 操作系统开发的数控系统、工业仪表及医疗仪器的界面。
图 3 MiniGUI 典型应用：工业仪表及控制系统
3 MiniGUI 和嵌入式操作系统的关系
3.1 基于 MiniGUI 的嵌入式系统软件结构
为什么 MiniGUI 能够在如此众多的嵌入式操作系统上运行？这是因为 MiniGUI 具有良好的软件架构，通过抽象层将 MiniGUI 上层和底层操作系统隔离开来。如图 4 所示，基于 MiniGUI 的应用程序一般通过 ANSI C 库以及 MiniGUI 自身提供的 API 来实现自己的功能；MiniGUI 中的“可移植层”可将特定操作系统及底层硬件的细节隐藏起来，而上层应用程序则无需关系底层的硬件平台输出和输入设备。
图 4 MiniGUI 和嵌入式操作系统的关系
另外，MiniGUI 特有的运行模式概念，也为跨操作系统的支持提供了便利。
3.2 MiniGUI 运行模式
和 Linux 这样的类 UNIX 操作系统相比，一般意义上的传统嵌入式操作系统具有一些特殊性。举例而言，诸如 uClinux、uC/OS-II、eCos、VxWorks 等操作系统，通常运行在没有 MMU（内存管理单元，用于提供虚拟内存支持）的 CPU 上；这时，往往就没有进程的概念，而只有线程或者任务的概念，这样，GUI 系统的运行环境也就大相径庭。因此，为了适合不同的操作系统环境，我们可将 MiniGUI 配置成三种运行模式：
- MiniGUI-Threads。运行在 MiniGUI-Threads 上的程序可以在不同的线程中建立多个窗口，但所有的窗口在一个进程或者地址空间中运行。这种运行模式非常适合于大多数传统意义上的嵌入式操作系统，比如 uC/OS-II、eCos、VxWorks、pSOS 等等。当然，在 Linux 和 uClinux 上，MiniGUI 也能以 MiniGUI-Threads 的模式运行。
- MiniGUI-Lite。和 MiniGUI-Threads相反，MiniGUI-Lite 上的每个程序是单独的进程，每个进程也可以建立多个窗口。MiniGUI-Lite 适合于具有完整 UNIX 特性的嵌入式操作系统，比如嵌入式 Linux。
- MiniGUI -Standalone。这种运行模式下，MiniGUI 可以以独立进程的方式运行，既不需要多线程也不需要多进程的支持，这种运行模式适合功能单一的应用场合。比如在一些使用 uClinux 的嵌入式产品中，因为各种原因而缺少线程支持，这时，就可以使用 MiniGUI-Standalone 来开发应用软件。
一般而言，MiniGUI-Standalone 模式的适应面最广，可以支持几乎所有的操作系统，甚至包括类似 DOS 这样的操作系统；MiniGUI-Threads 模式的适用面次之，可运行在支持多任务的实时嵌入式操作系统，或者具备完整 UNIX 特性的普通操作系统；MiniGUI-Lite 模式的适用面较小，它仅适合于具备完整 UNIX 特性的普通操作系统。
但不论采用哪种运行模式，MiniGUI 为上层应用软件提供了最大程度上的一致性；只有少数几个涉及初始化的接口在不同运行模式上有所不同。
下面我们以 uC/OS-II 操作系统为例，简单介绍 MiniGUI 到该操作系统上的移植。
4 MiniGUI 在 uC/OS-II 操作系统上的移植
uC/OS-II（http://www.micrium.com）是一个应用于实时嵌入式应用的开源、实时操作系统内核。因为 uC/OS-II 非常简单，只要有一个普通的 C 编译器，就能完成编译并运行该操作系统，因此，uC/OS-II 首先在教学中得到了广泛应用。因为其简单及实时性好的特点，现在也有一些用户开始使用 uC/OS-II 操作系统开发正式的嵌入式产品。
将 MiniGUI 移植到 uC/OS-II 是相对复杂的一项工作。因为 uC/OS-II 中缺乏象 malloc/free 甚至是 printf/fprintf/sprintf 这样的接口，不过，最重要的还是缺乏与 POSIX-Threads 兼容的接口。为此，我们编写了 POSIX-Threads 的绕转接口，这些绕转接口兼容于 POSIX-Threads。同时，我们还实现了 malloc/free，以及 printf/sprintf/fprintf 等接口。
因涉及到如此多底层特性的增强和修改，整个系统的调试将是非常困难的。为解决调试问题，我们首先在 SkyEye（清华大学陈渝主持的自由软件项目，http://www.skyeye.org）模拟器上运行 uC/OS-II 操作系统及 MiniGUI for uC/OS-II。我们首先使用了 MiniGUI 内部的 Dummy GAL 引擎和 Dummy/Auto IAL 引擎（这两个引擎分别通过软件方法来模拟实际的输出和输入设备，比如 LCD 显示屏及键盘）来运行 MiniGUI 的应用程序。尽管我们看不到真实的屏幕输出，但从应用程序在运行过程中打印的输出信息，我们可以看到 MiniGUI for uC/OS-II 已经正常工作了。接下来的工作就是将 MiniGUI for uC/OS-II 移植到正式的硬件产品中。
我们在 S 3C 2410 开发板上用 ADS 的 armcc 编译并测试了 MiniGUI 的 uC/OS-II 版本。这次，我们针对这个开发板编写了正式的图形和输入引擎。MiniGUI 的所有示例程序都可以在这块开发板上正常运行。
MiniGUI for uC/OS-II 版本为 uC/OS-II 用户提供了另外一个很好的 GUI 解决方案。相对 Micrium.com 提供的 uC/GUI 而言，MiniGUI for uC/OS-II 版本能够提供更好的功能和特性。
5 MiniGUI 的未来
通过近两年的自由软件商业化运作，飞漫软件已将 MiniGUI 打造成了一款优秀的跨平台嵌入式中间件软件产品。MiniGUI 的跨操作系统支持、可伸缩性及性能等方面的优势，鲜有同类产品可以媲美。飞漫软件将积蓄力量，为打造嵌入式系统软件领域的国产品牌而努力。近期，我们将在如下方面开展围绕 MiniGUI 的研发工作：
- MiniGUI 已可在 Linux/uClinux、eCos、uC/OS-II、VxWorks 等嵌入式操作系统中运行，还将支持更多的嵌入式操作系统。
- 所见即所得开发工具。飞漫软件将为 MiniGUI 用户提供界面设计工具，最终提供嵌入式产品的纯软件模拟平台和集成开发环境。
- 进一步丰富 MiniGUI 开源社区资源。我们将在现有资源基础上建立并维护若干开源项目，比如：嵌入式浏览器、J2SE 移植等。