基于嵌入式Linux系統界面的研究

1概述

1.1什么是嵌入式系統

嵌入式系統一般指非PC系統，有計算機功能但又不稱(chēng)之為計算機的設備或器材。他是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，并且軟硬件可裁減的，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。

1.2嵌入式操作系統的發(fā)展

嵌入式技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了4個(gè)階段：

第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統，同時(shí)具有與監測、伺服、指示設備相配合的功能。這種系統大部分應用于一些專(zhuān)業(yè)性極強的工業(yè)控制系統中，一般沒(méi)有操作系統的支持，通過(guò)匯編語(yǔ)言編程對系統進(jìn)行直接控制，運行結束后清除內存。

第二階段是以嵌入式CPU為基礎、以簡(jiǎn)單操作系統為核心的嵌入式系統。這一階段的操作系統具有一定的兼容性和擴展性，但用戶(hù)界面不夠友好。

第三階段是以嵌入式操作系統為標志的嵌入式系統。這一階段系統的主要特點(diǎn)是：嵌入式操作系統能運行于各種不同類(lèi)型的微處理器上，兼容性好；操作系統內核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò )支持、圖形窗口以及用戶(hù)界面等功能；具有大量的應用程序接口（API），開(kāi)發(fā)應用程序簡(jiǎn)單；嵌入式應用軟件豐富。

第四階段是以基于Internet為標志的嵌入式系統，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數嵌入式系統還孤立于Internet之外，但隨著(zhù)Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結合日益密切，嵌入式設備與Internet的結合將代表著(zhù)嵌入式技術(shù)的真正未來(lái)。

1.3嵌入式操作系統的特點(diǎn)

與其他類(lèi)型的操作系統相比，嵌入式操作系統具有以下一些特點(diǎn)。

（1）體積小

嵌入式系統有別于一般的計算機處理系統，他不具備像硬盤(pán)那樣大容量的存儲介質(zhì)，而大多使用閃存（FlashMemory）作為存儲介質(zhì)。這就要求嵌入式操作系統只能運行在有限的內存中，不能使用虛擬內存，中斷的使用也受到限制。因此，嵌入式操作系統必須結構緊湊，體積微小。

（2）實(shí)時(shí)性

大多數嵌入式系統都是實(shí)時(shí)系統，而且多是強實(shí)時(shí)多任務(wù)系統，要求相應的嵌入式操作系統也必須是實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)。實(shí)時(shí)操作系統作為操作系統的一個(gè)重要分支已成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)，主要探討實(shí)時(shí)多任務(wù)調度算法和可調度性、死鎖解除等問(wèn)題。

（3）特殊的開(kāi)發(fā)調試環(huán)境

提供完整的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是每一個(gè)嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員所期待的。一個(gè)完整的嵌入式系統的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境一般需要提供的工具是編譯/連接器、內核調試/跟蹤器和集成圖形界面開(kāi)發(fā)平臺。其中的集成圖形界面開(kāi)發(fā)平臺包括編輯器、調試器、軟件仿真器和監視器等。

2嵌入式Linux

嵌入式Linux是按照嵌入式操作系統的要求而設計的一種小型操作系統。由一個(gè)Kernel（內核）及一些根據需要進(jìn)行定制的系統模塊組成。其Kernel很小，一般只有幾百kB左右。即使加上其他必須的模塊和應用程序，所需的存儲空間也很小。他有多任務(wù)、多進(jìn)程的系統特征，有些還具有實(shí)時(shí)性。一個(gè)小型的嵌入式Linux系統只需要引導程序、Linux微內核、初始化進(jìn)程3個(gè)基本元素。運行嵌入式Linux的CPU可以是x86，Alpha，Sparc，MIPS，PPC等。與這些芯片搭配的主板都很小，與一張PCI卡大小相當，有的甚至更小。嵌入式Linux所需的存儲器不是軟磁盤(pán)、硬盤(pán)、Zip盤(pán)、CDROM，DVD這些眾所周知的常規存儲器，他使用Rom，CompactFlash，MSystems的DiskOnChip，Sony的MemoryStick，IBM的MicroDrive等體積極小與主板上的BIOS大小相近，存儲容量不太大的存儲器。他的內存可以使用普通的內存，也可以使用專(zhuān)用的RAM。與其他嵌入式操作系統相比，Linux的源代碼是開(kāi)放的，不存在黑箱技術(shù)。Linux作為一種可裁剪的軟件平臺系統，是發(fā)展未來(lái)嵌入式設備產(chǎn)品的最佳資源。

3圖形用戶(hù)界面系統MiniGUI

3.1圖形用戶(hù)界面簡(jiǎn)介

計算機用戶(hù)界面是指計算機與其使用者之間的對話(huà)接口，是計算機系統的重要組成部分。計算機的發(fā)展史不僅是計算機本身處理速度和存儲容量飛速提高的歷史，也是計算用戶(hù)界面不斷改進(jìn)的歷史。用戶(hù)界面的重要性在于他極大地影響了最終用戶(hù)的使用，影響了計算機的推廣應用，甚至影響了人們的工作和生活。由于開(kāi)發(fā)用戶(hù)界面的工作量極大，加上不同用戶(hù)對界面的要求也不盡相同，因此，用戶(hù)界面已成為計算機軟件研制中最困難的部分之一。

GUI在嵌入式系統或者實(shí)時(shí)系統中的地位將越來(lái)越重要，這些系統對GUI的基本要求包括：

①輕型、占用資源少。

②高性能。

③高可靠性。

④可配置。

3.2MiniGUI圖形用戶(hù)系統

3.2.1MiniGUI特色

MiniGUI由原清華大學(xué)教師魏永明先生開(kāi)發(fā)，是中國人做得較好的自由軟件之一。MiniGUI是一種面向嵌入式系統或者實(shí)時(shí)系統的圖形用戶(hù)界面支持系統。他主要運行于Linux控制臺，實(shí)際可以運行在任何一種具有POSIX線(xiàn)程支持的POSIX兼容系統上。MiniGUI同時(shí)也是國內最早出現的幾個(gè)自由軟件項目之一。

MiniGUI的主要特色有：

(1)遵循LGPL條款的純自由軟件。

(2)提供了完備的多窗口機制。包括多個(gè)單獨線(xiàn)程中運行的多窗口；單個(gè)線(xiàn)程中主窗口的附屬；對話(huà)框和預定義的控件類(lèi)（按鈕、單行和多行編輯框、列表框、進(jìn)度條、工具欄等）。

(3)消息傳遞機制。

(4)多字符集和多字體支持。

(5)BMP，GIF，JPEG，PCX等常見(jiàn)圖像文件的支持。

(6)Windows的資源文件支持，如位圖、圖標、光標、插入符、定時(shí)器、加速鍵等。

(7)小巧

包含全部功能的庫文件大小為300kB左右。

(8)可配置

可根據項目需求進(jìn)行定制配置和編譯。

(9)高穩定性和高性能。

(10)可移植性好。

(11)圖形抽象層

圖形抽象層對頂層API基本沒(méi)有影響，但大大方便了MiniGUI應用程序的移植、調試等工作。目前包含2個(gè)圖形引擎，SVGALib和LibGGI，利用LibGGI時(shí)，可在XWindow上運行MiniGUI應用程序，并可非常方便地進(jìn)行調試。與圖形抽象層相關(guān)的還有輸入事件的抽象層。

3.2.2MiniGUI的體系結構

從整體結構上看，MiniGUI是分層設計的，層次結構如圖1所示。在最底層，GAL和IAL提供底層圖形接口以及鼠標和鍵盤(pán)的驅動(dòng)；中間層是MiniGUI的核心層，包括窗口系統必不可少的各個(gè)模塊；最頂層是API，即編程接口。GAL和IAL為MiniGUI提供了底層的Linux控制臺或者XWindow上的圖形接口以及輸入接口，而Pthread用于提供內核級線(xiàn)程支持的C函數庫。おお