嵌入式linux系統GUI設計方案

嵌入式linux操作系統的快速發展，迫切需求一種簡潔的人機交互界面，為此，本文介紹了如何在FrameBuffer基礎上設計自己的嵌入式GUI的簡單方法。

1?顯示原理

1.1 顏色表示

顏色是所有繪圖操作的基礎。16位的LCD屏一般需要2個字節來表示。16位RGB格式一般可分為RGB565與RGB5551兩種格式。其中RGB565格式如表1所列，而其RGB5551格式如表2所列。表中的R為紅色分量，G為綠色分量，B為藍色分量。



由于顏色采用的是RGB565規則。因此。基本顏色，即紅色、綠色、藍色按照RGB565規則可分別為0xf800、0x07e0、Ox001f。由此可見，如果用十六進制直接表示顏色會非常不便。目前，普遍為軟件工程師所接受的顏色表示方式為24位的RGB，其中R、G、B三個分量各占用一個字節，范圍是0～255。因此，應該為MIS軟件系統提供一個從24位RGB轉化為16RGB的接口。該接口用宏來實現的具體方式如下：

#define RGB(r,g,b)? (((r>>3)<<11)∣((g>>2)<<5)∣(b>>3))

1.2?畫點操作

圖形設備接口的最基本操作為畫點，任何其它繪圖函數都是基于畫點來完成的。其原理是以屏的左上角第一個像素點為(0，0)點，向右為x軸，向下為y軸建立坐標系，只要提供某點的橫坐標x，縱坐標y和顏色值，就可以通過一定的算法找到(x，y)所表示的地址，然后將該地址上的2個字節替換為指定的顏色值。例如有一塊640×480×16的LCD，像素的首地址為0x40000000，那么，其中的第2行、第3列的像素位置如圖1所示。



如果要把第2行、第3列的像素由原來的白色(0xfff)變為黑色(0x0000)。那么，就可以根據下面的尋址方式找到地址：

最終地址=首地址+y×2×屏的寬度+x×2

其中，首地址表示第1行第1列像素所對應的地址。由上式，該點的地址=0x40000000+2×2×0x280+3×2=0x40000A06。那么0x40000A06地址對應的數據應為十六位顏色的低字節部分，而0x40000A07地址對應的數據應為十六位顏色的高字節部分。

例如，畫點函數可用下面的代碼來實現：



其中m_pScreen_Addr是屏的首地址，m_nSereen_Width和m_nScreen_Height則分別為屏寬和屏高。這樣，就可以在畫點的基礎上根據Bresenham算法延伸出各種各樣的基本繪圖操作來，比如畫直線、畫矩形和畫圓等。

2 FrameBuffer接口

FrameBuffer是出現在2.2.xx內核當中的一種驅動程序接口。Linux抽象出FrameBuffer這個設備可供用戶態進程實現直接寫屏。FrameBuffer機制模仿顯卡的功能是將顯卡硬件結構抽象掉，然后通過FrameBuffer的讀寫直接對顯存進行操作。用戶可以將FrameBuffer看成是顯示內存的一個映像。在將其映射到進程地址空間之后，就可以直接進行讀寫操作，而且寫操作還可以立即反映在屏幕上。這種操作是抽象的、統一的。用戶不必關心物理顯存的位置和換頁機制等具體細節，而這些都可由FrameBuffer設備驅動來完成。

Linux采用虛擬內存技術，系統中的所有進程之間以虛擬方式共享內存。對每個進程來說，它們好像都可以訪問整個系統的所有物理內存。更重要的是，即使單獨一個進程，它擁有的地址空間也可以遠遠大于系統物理內存。在地址空間中，進程有權訪問虛擬內存地址區間(比如08048000～0804c000)。這些可被訪問的合法地址區間叫做內存區域(memory area)。通過內核，進程可以給自己的地址空間動態地添加或減少內存區域，而進程只能訪問有效范圍內的內存地址。每個內存區域也具有相應進程必須遵循的特定訪問屬性，如只讀、只寫、可執行等屬性。如果一個進程訪問了不在有效范圍中的地址，或以不正確的方式訪問了有效地址，那么，內核將會終止該進程，并返回“段錯誤”信息。

在應用程序中，一般將FrameBuffer設備映射到進程地址空間，比如下面的程序就可打開／dev／ib0設備，并通過mmap系統調用來進行地址映射，隨后用memset將屏幕清空。Struct fb_var_screen-info記錄了幀緩沖設備和指定顯示模式的可修改信息，包括顯示屏幕的分辨率、每個像素的比特數和一些時序變量。實現以上過程的函數代碼如下：



此外，FrameBuffer設備還提供了若干ioctl命令，通過這些命令可以獲得顯示設備的一些固定信息(比如顯示內存大小)以及與顯示模式相關的可變信息(比如分辨率、象素結構、掃描線的字節寬度)，同時可獲得偽彩色模式下的調色板信息等。

3 GUI系統的自主開發

嵌入式GUI的總體設計思想是把所有操作都由對象和消息驅動，通過對現有GUI的分析來對多種嵌入式應用系統根據GUI的要求進行總結，然后抽象出各種組件類。嵌入式GUI的所有組件和數據都被設計成對象，組件對象通過消息來通信。嵌入式GUI在消息驅動下可形成整體并構成系統。其整體框架和體系結構如圖2所示。



系統中的所有消息節點將構成空閑隊列和消息隊列，其中消息隊列存放當前EGUI系統中沒有處理的消息。消息隊列由消息管理器進行操作和管理。圖2中的輸入設備抽象層、操作系統抽象層和組件對象集合都是消息發生器，它們都會產生EGUI消息。調用消息管理器的操作可將生成的消息放入到消息隊列中。消息管理器用于管理消息隊列和空閑隊列，當有消息產生時，消息管理器將執行消息入隊PUSH ()操作，其處理過程是先從空閑隊列中摘下一個節點，形成一個消息節點，再將它掛到消息隊列的隊尾。桌面對象管理器負責分發消息，它可通過調用消息管理器的出隊操作POP()來取得待處理的消息，處理過程是將消息隊列的第一個消息節點摘下，并取得該消息節點的信息，然后將該消息節點掛到空閑隊列的隊尾。桌面對象管理器取得消息后，將按照一定的策略對取得的消息進行分發，并讓接收該消息的組件對象中的消息處理函數來處理該消息。分發消息時，如果消息指定了接收對象，則將消息路由到接收對象；而非鍵盤的系統消息。將被路由到桌面對象管理器的第一個子對象；對于用戶定義的消息，系統會將其路由到指定的對象。而組件對象處理消息時，如果處理操作要改變屏幕數據，組件對象將調用繪圖操作Draw重繪自己的外觀。整個系統就是這樣不斷地產生消息、分發消息、處理消息，從而形成一個無限循環，同時驅動EGUI運行。

4 結束語

針對當前嵌入式GUI的特點，本文給出了可支持漢字顯示、鍵盤輸入的多線程嵌入式GUI系統的設計方法。該方法設計的系統采用窗口模式，而且便于操作，同時具有可視化界面、操作靈活、資源占用少等優點，并可支持JPG格式的圖像文件。