一種可移植的嵌入式圖形支持系統：MiniGUI

為目標嵌入式產品選擇適合的嵌入式圖形支持系統成為與選擇嵌入式操作系統一樣頗具挑戰性。本土公司開發的MiniGUI是一個高效、可靠、可定制、小巧靈活的圖形用戶界面支持系統，并具有跨硬件平臺、跨操作系統的可移植性，非常適合于實時嵌入式產品開發。本文詳細闡述了MiniGUI的特點、運行模式和應用。
　　
　　隨著高端消費類電子產品(PDA、手機等)的廣泛應用，原先僅在軍工、工業控制等領域中使用的實時嵌入式操作系統，受到越來越多的關注。因為嵌入式產品本身是一種高度定制化的軟硬件集成產品，單個操作系統無法滿足各類嵌入式產品的多樣化需求，因此，業界有許多各具特色的實時嵌入式操作系統產品可供選擇。
　　
　　在嵌入式產品開發中，除操作系統之外，開發人員關注最多的另外一個系統軟件組件就是圖形支持系統。只要是面向人機交互的嵌入式產品，就涉及到文字或者圖形的輸出問題。
　　
　　不過，在嵌入式系統上的GUI應用開發，不像PC平臺上的應用開發那么容易和方便。一是因為設備的可用資源有限(CPU運算能力、靜態和動態存儲空間等)，二是因為操作系統提供的底層機制有限。這樣，為具有不同硬件配置的嵌入式產品以及各類實時嵌入式操作系統提供功能完備、且又適合嵌入式產品特點的GUI支持系統，存在著諸多技術挑戰。
　　
　　嵌入式操作系統的選擇
　　
　　“內核接口+ANSI C庫”的模式，是大多數嵌入式操作系統開發采用的編程模式。但是，這種模式還存在一些問題。如果我們要使用ANIS C庫中的標準I/O接口，則需要操作系統提供文件系統及字符輸出的支持；如果我們要使用ANSI C庫中的內存管理函數(malloc/free函數族)，就需要提供針對具體硬件的堆管理方案及實現代碼。因此，RTOS通常都設計為模塊化的軟件系統，需要什么樣的功能，可向RTOS產品廠商購買對應的模塊來實現。

　　
　　圖1 RTOS 的一般軟件結構。
　　
　　實際上，不同RTOS之間的區別，除了在任務管理上的核心區別之外，其他的主要區別就在外圍模塊上。圖1給出了RTOS的一般軟件結構。
　　
　　RTOS可劃分為如下幾個種類：
　　
　　1．傳統實時嵌入式操作系統。主要包括：VxWorks、pSOS、Nucleus、WinCE等。VxWorks和pSOS的用戶主要集中在軍工、工業控制及電信領域，Nucleus和WinCE在消費類產品中應用較為廣泛。
　　
　　2．開放源碼的嵌入式操作系統。典型代表有Linux/uClinux、eCos。因為傳統實時嵌入式操作系統價格比較昂貴，所以許多用戶開始使用免授權費的Linux/uClinux等操作系統開發自己的嵌入式產品。Linux操作系統從本質上屬于通用操作系統，缺少強實時支持，因此嵌入式Linux在某些不需要強實時性的嵌入式產品中得到了較多應用，典型的產品有智能手機(這類產品中的實時性主要通過專用硬件芯片保證)、查詢終端等。uClinux是Linux的一個變種，主要運行在沒有內存管理單元(MMU)的CPU架構上。因為沒有內存管理單元，uClinux無法實現現代操作系統能夠提供的進程地址空間保護等高級特性，但它最大程度地保留了Linux的系統調用功能，而且資源消耗低，因此在一些中低端的32位嵌入式產品中得到了應用。eCos也是一種開源、免授權費的RTOS產品。和Linux/uClinux相比，它更類似傳統的實時嵌入式操作系統，而且提供了豐富的外圍模塊，如文件系統、TCP/IP接口模塊、POSIX兼容接口模塊等。根據筆者的實際應用經驗，eCos操作系統在一定程度上可以用來替代傳統實時嵌入式操作系統。
　　
　　3．新型實時嵌入式操作系統。主要包括uC/OS-II、ThreadX等操作系統，它們的出現，填補了RTOS操作系統市場的中低端市場，給廣大嵌入式產品開發者提供了性價比較高的選擇。
　　
　　4．本地實時嵌入式操作系統。近幾年，中國也有廠商開始提供自主研發的實時嵌入式操作系統，典型的有Hopen和Delta操作系統。這些產品已經在消費類電子產品和軍工領域中得到了一些應用。
　　
　　通過上面的介紹可以看到，嵌入式操作系統市場中存在各種產品可供選擇。嵌入式產品的種類豐富，需求多樣，不太可能出現類似PC那樣由一個操作系統?霸天下的狀況。

　　
　　嵌入式產品開發中常用的圖形解決方案
　　
　　在嵌入式產品的開發過程中，軟件開發人員通常采取如下幾種方法來解決產品的圖形需求：
　　
　　1．針對特定圖形輸出設備的接口，自行開發圖形相關的功能函數。利用這種手段編寫的程序，無法將顯示邏輯和數據處理邏輯劃分開來，從而導致程序結構不好，不便于調試，并導致大量的代碼重復。這種方案的缺點很明顯，即可移植性差，維護成本高。
　　
　　2．購買針對特定嵌入式操作系統的圖形中間件軟件包。一些嵌入式操作系統廠商，也為自己的操作系統專門開發了對應的GUI中間件產品。如uC/OS-II上的uC/GUI、Nucleus上的GRAFIX包、VxWorks上的WindML包等等。這種方案為嵌入式產品開發提供了直接可用的方案，并且能夠和原有操作系統良好配合；但缺點是這類軟件包的功能通常比較簡單，且價格高昂。另外，基于這些軟件包開發的GUI 應用軟件不具備跨操作系統的可移植性。
　　
　　3．采用開放源碼的嵌入式GUI支持系統。隨著嵌入式Linux操作系統的應用，開源社區也在不斷為嵌入式系統提供不同的開放源碼嵌入式圖形解決方案，如MicroWindows、OpenGUI，以及新近出現的picoGUI等。這些開放源碼的嵌入式GUI軟件提供免授權費的解決方案。然而，由于缺少商業公司的支持，這些軟件一般存在較多的軟件缺陷，加上缺乏有擔保的技術支持，因此，存在著很大的開發風險。

　　
　　圖2 MiniGUI 和嵌入式操作系統的關系。
　　
　　4．使用由獨立軟件開發商提供的嵌入式GUI產品。這類產品有北京飛漫軟件技術有限公司開發的MiniGUI、挪威TrollTech公司的Qt/Embedded等。這兩種產品都是開源(遵循GNU的GPL條款發布)的嵌入式GUI軟件產品，但均采用雙授權模式，即針對商業使用收取軟件許可費用。MiniGUI屬于中低端產品，具有跨操作系統特性，以及適合嵌入式產品的小巧、高效的特點。Qt/Embedded屬于高端產品，只支持嵌入式Linux操作系統，需要16MB以上的靜態存儲空間及6?MB以上的動態存儲空間。
　　
　　MiniGUI的特點及應用
　　
　　MiniGUI作為中國為數不多的幾個自由軟件項目之一，是面向實時嵌入式系統的輕量級圖形用戶界面支持系統，1999年初遵循GPL條款發布第一個版本，目前已發展到1.6.1版本。
　　
　　MiniGUI為實時嵌入式操作系統提供了非常完善的圖形及圖形用戶界面支持。MiniGUI本身的可移植性設計，使得不論在哪個硬件平臺、哪種操作系統上運行，MiniGUI均能為上層應用程序提供一致的應用程序編程接口(API)。
　　
　　作為操作系統和應用程序之間的中間件，MiniGUI將底層操作系統及硬件平臺差別隱藏了起來，并對上層應用程序提供了一致的功能特性，這些功能特性包括：
　　
　　1．完備的多窗口機制和消息傳遞機制。
　　
　　2．常用的控件類，包括靜態文本框、按鈕、單行和多行編輯框、列表框、組合框、進度條、屬性頁、工具欄、拖動條、樹型控件、月歷控件等。
　　
　　3．對話框和消息框支持以及其它GUI元素，包括菜單、加速鍵、插入符、定時器等。
　　
　　4．界面皮膚支持。用戶可通過皮膚支持獲得外觀非常華麗的圖形界面。
　　
　　5．通過兩種不同的內部軟件結構支持低端顯示設備(如單色 LCD)和高端顯示設備(如彩色顯示器)，前者小巧靈活，而后者在前者的基礎上提供了更加強大的圖形功能。
　　
　　6．Windows的資源文件支持，如位圖、圖標、光標等。
　　
　　7．各種流行圖像文件的支持，包括JPEG、GIF、PNG、TGA、BMP等等。
　　
　　8．多字符集和多字體支持，目前支持ISO8859-1?ISO8859-15、GB2312、GBK、GB18030、BIG5、EUC-JP、Shift-JIS、EUC-KR、UNICODE等字符集，支持等寬點陣字體、變寬點陣字體、Qt/Embedded 使用的嵌入式字QPF、TrueType以及Adobe Type1等矢量字體。
　　
　　9．多種鍵盤布局的支持。MiniGUI除支持常見的美式PC鍵盤布局之外，還支持法語、德語等語種的鍵盤布局。
　　
　　10．簡體中文(GB2312)輸入法支持，包括內碼、全拼、智能拼音等。用戶還可以從飛漫軟件獲得五筆、自然碼等輸入法支持。
　　
　　11．針對嵌入式系統的特殊支持，包括一般性的I/O流操作，字節序相關函數等。

　與其它針對嵌入式產品的圖形系統相比，MiniGUI具有以下一些技術優勢：
　　
　　1)．輕型、占用資源少
　　
　　MiniGUI本身的占用空間非常小，以嵌入式Linux操作系統為例，MiniGUI的典型存儲空間占用情況如下：
　　
　　1．Linux內核： 300K?500K(由系統需求決定)；
　　
　　2．文件系統：500K?2MB(由系統需求決定)；
　　
　　3．MiniGUI支持庫：500K?700K(由編譯選項確定)；
　　
　　4．MiniGUI字體、位圖等資源：400K(由應用程序確定，可縮小到200K以內)；
　　
　　5．GB2312輸入法碼表：200K(不是必需的，由應用程序確定)；
　　
　　6．應用程序：1M?2M(由系統決定)。
　　
　　總體的系統占有空間應該在 2MB到4MB左右。在某些系統上，功能完備的MiniGUI系統本身所占用的空間可進一步縮小到1MB以內。
　　
　　最新的研發成果表明，MiniGUI能夠在CPU主頻為30MHz，僅有4M RAM的系統上正常運行(使用uClinux 操作系統)，這是其它圖形系統，如MicroWindows或者Qt/Embedded所無法達到的。
　　
　　2)高性能、高可靠性
　　
　　MiniGUI良好的體系結構及優化的圖形接口，可確保最快的圖形繪制速度。在設計之初就充分考慮到了實時嵌入式系統的特點，針對多窗口環境下的圖形繪制開展了大量的研究及開發，優化了MiniGUI的圖形繪制性能及資源占有。MiniGUI在大量實際系統中的應用，尤其在工業控制系統的應用，證明 MiniGUI具有非常好的性能。
　　
　　3) 可配置性
　　
　　為滿足嵌入式系統千變萬化的需求，必須要求GUI系統是可配置的。和Linux內核類似，MiniGUI也實現了大量的編譯配置選項，通過這些選項可指定MiniGUI庫中包括哪些功能而同時不包括哪些功能。大體說來，可以在如下幾個方面對MiniGUI進行定制配置：
　　
　　1．指定MiniGUI要運行的操作系統；
　　
　　2．指定生成基于線程的MiniGUI-Threads運行模式還是基于進程的MiniGUI-Lite運行模式，或者只是最簡單的MiniGUI-Standalone運行模式；
　　
　　3．指定要采用老的GAL/GDI接口(低端顯示設備)還是新的GAL/GDI接口(高端顯示設備)；
　　
　　4．指定需要支持的GAL引擎和IAL引擎，以及引擎相關選項；
　　
　　5．指定需要支持的字體類型；
　　
　　6．指定需要支持的字符集；
　　
　　7．指定需要支持的圖像文件格式；
　　
　　8．指定需要支持的控件類；
　　
　　9．指定控件的整體風格，是三維風格、平面風格還是手持終端風格。
　　
　　4) 可伸縮性強
　　
　　MiniGUI豐富的功能和可配置特性，使得它既可運行于基于龍珠的低端產品中，亦可運行于基于ARM9的高端產品中，并使用MiniGUI的高級控件風格及皮膚界面等技術，創建華麗的用戶界面。
　　
　　5) 跨操作系統支持
　　
　　理論上，MiniGUI可支持任意一個多任務嵌入式操作系統；實際已支持Linux/uClinux、eCos、uC/OS-II、VxWorks、pSOS、ThreadX等嵌入式操作系統，也可以在Win32平臺上運行。同時，在不同操作系統上的MiniGUI，提供完全兼容的API接口。
　　
　　從最初的數控系統到目前流行的智能手持終端設備，MiniGUI已經在大量產品中得到了應用。MiniGUI最主要的應用領域大致可分為三類：高端手機、PDA類產品；數字媒體及機頂盒類產品；工業儀表及控制系統。

基于MiniGUI的嵌入式系統軟件結構
　　
　　為什么MiniGUI能夠在如此眾多的嵌入式操作系統上運行？這是因為MiniGUI具有良好的軟件架構，通過抽象層將MiniGUI上層和底層操作系統隔離開來。如圖2所示，基于MiniGUI的應用程序一般通過 ANSI C庫以及MiniGUI自身提供的API來實現自己的功能；MiniGUI中的“可移植層”可將特定操作系統及底層硬件的細節隱藏起來，而上層應用程序則無需關心底層的硬件平臺輸出和輸入設備。
　　
　　另外，MiniGUI特有的運行模式概念，也為跨操作系統的支持提供了便利。
　　
　　與Linux這樣的類UNIX操作系統相比，一般意義上的傳統嵌入式操作系統具有一些特殊性。舉例而言，諸如uClinux、uC/OS-II、eCos、VxWorks等操作系統，通常運行在沒有內存管理單元的CPU上；這時，往往就沒有進程的概念，而只有線程或者任務的概念，這樣，GUI系統的運行環境也就大相徑庭。因此，為了適合不同的操作系統環境，我們可將MiniGUI配置成三種運行模式：
　　
　　1．MiniGUI-Threads。運行在MiniGUI-Threads上的程序可以在不同的線程中建立多個窗口，但所有的窗口在一個進程或者地址空間中運行。這種運行模式非常適合于大多數傳統意義上的嵌入式操作系統，如uC/OS-II、eCos、VxWorks、pSOS等等。當然，在Linux和uClinux上，MiniGUI也能以MiniGUI-Threads的模式運行。
　　
　　2． MiniGUI-Lite。與MiniGUI-Threads相反，MiniGUI-Lite上的每個程序是單獨的進程，每個進程也可以建立多個窗口。MiniGUI-Lite適合于具有完整UNIX特性的嵌入式操作系統，比如嵌入式Linux。
　　
　　3． MiniGUI-Standalone。這種運行模式下，MiniGUI能以獨立進程的方式運行，既不需要多線程也不需要多進程的支持，這種運行模式適合功能單一的應用場合。例如在一些使用uClinux的嵌入式產品中，因為各種原因而缺少線程支持，這時，就可以使用MiniGUI-Standalone來開發應用軟件。
　　
　　一般而言，MiniGUI-Standalone模式的適應面最廣，可以支持幾乎所有的操作系統，甚至包括類似DOS這樣的操作系統；MiniGUI-Threads模式的適用面次之，可運行在支持多任務的實時嵌入式操作系統，或者具備完整UNIX特性的普通操作系統；MiniGUI-Lite模式的適用面較小，它僅適合于具備完整UNIX特性的普通操作系統。
　　
　　不論采用哪種運行模式，MiniGUI為上層應用軟件提供了最大程度上的一致性；只有少數幾個涉及初始化的接口在不同運行模式上有所不同。
　　
　　MiniGUI在uC/OS-II操作系統上的移植
　　
　　下面以uC/OS-II操作系統為例，簡單介紹MiniGUI到該操作系統上的移植。
　　
　　uC/OS-II非常簡單，只要有一個普通的C編譯器，就能完成編譯并運行該操作系統，因此，uC/OS-II首先在教學中得到了廣泛應用。因為其簡單及實時性好的特點，現在也有一些用戶開始使用uC/OS-II操作系統開發正式的嵌入式產品。
　　
　　將MiniGUI移植到uC/OS-II是相對復雜的一項工作。因為uC/OS-II中缺乏象malloc/free甚至是printf/fprintf/sprintf這樣的接口，不過，最重要的還是缺乏與POSIX-Threads兼容的接口。為此，我們編寫了POSIX-Threads的繞轉接口，這些繞轉接口兼容于POSIX-Threads。同時，我們還實現了 malloc/free，以及printf/sprintf/fprintf等接口。
　　
　　因涉及到如此多底層特性的增強和修改，整個系統的調試將是非常困難的。為解決調試問題，我們首先在SkyEye(清華大學陳渝主持的自由軟件項目)模擬器上運行uC/OS-II操作系統及MiniGUI for uC/OS-II。我們首先使用了MiniGUI內部的Dummy GAL引擎和Dummy/Auto IAL 引擎(這兩個引擎分別通過軟件方法來模擬實際的輸出和輸入設備，如LCD顯示屏及鍵盤)來運行MiniGUI的應用程序。盡管我們看不到真實的屏幕輸出，但從應用程序在運行過程中打印的輸出信息，我們可以看到MiniGUI for uC/OS-II已經正常工作了。接下來的工作就是將MiniGUI for uC/OS-II移植到正式的硬件產品中。
　　
　　我們在S3C2410開發板上用ADS的armcc編譯并測試了MiniGUI的uC/OS-II版本。這次，我們針對這個開發板編寫了正式的圖形和輸入引擎。MiniGUI的所有示例程序都可以在這塊開發板上正常運行。

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