嵌入式多任務(wù)GUI的通用解決方案

嵌入式GUI(Graphic Uset Interface)系統就是在嵌入式系統中為特定的硬件設備或環(huán)境而設汁的圖形用戶(hù)界面系統。調查顯示，越來(lái)越多具有靈活性、高效性和可移植性的嵌入式GUI系統被廣泛應用于辦公自動(dòng)化、消費電子、通信設備、智能儀器等許多領(lǐng)域；而且隨著(zhù)硬件技術(shù)的發(fā)展，要求GUI實(shí)現的功能越來(lái)越豐富，GUI系統也變得比以往更加復雜、多樣。
大多數的嵌入式GUI系統都只能簡(jiǎn)單地支持單任務(wù)。單任務(wù)GUI的效率較低，無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)GUI的發(fā)展需求，故多任務(wù)GUI是嵌入式GUI的發(fā)展方向。
目前，在嵌入式應用領(lǐng)域比較成功的嵌入式多任務(wù)GUI系統主要有：MiniGUI、MicroWindows和Qt／Em-bedded。它們主要是針對嵌入式Linux而設計的，通過(guò)PThrred庫來(lái)實(shí)現對多線(xiàn)程的支持；而PThred本身就比較復雜，很難將這些GUI系統移植到平臺接口不符合POSIX標準的目標平臺上。所以，上述幾種GUI系統有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是過(guò)分地依賴(lài)于某種特定的平臺，導致可移植性差。
為了有效地兼容嵌入式領(lǐng)域的各種環(huán)境，下面提出一種通用、有效并且可移植性好的嵌入式GUI體系結構，并對多任務(wù)GUI設汁中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 體系結構
針對GUI需要非常強的靈活性，可移植性和可伸縮性的特點(diǎn)，在其體系結構的設計中，采用層次化、模塊化和面向對象的設計思想。層次式的體系結構在許多軟件系統中被采用，被公認為是一種合理的結構，但最重要的是如何來(lái)劃分這些層次，使系統的結構最合理、最清晰。
在設計中采用如下劃分策略：力求層次之間相對獨立，對任一層的改動(dòng)保證它對上層的接口不變，上層不受下層變化的影響。在這樣的層次結構中，最底層和最高層都可能根據具體需要發(fā)生改變，因此應該為這兩層提供充分的變動(dòng)空間，而中間的層次則應是獨立不變的。
GUI在嵌入式應用環(huán)境中，硬件環(huán)境、操作系統和用戶(hù)應用程序之間的層次如圖1所示。圖1中，通過(guò)驅動(dòng)程序，GUI組件部分與硬件隔離；通過(guò)操作系統抽象層，使核心與具體操作系統隔離。這種層次體系結構使得GUI具有良好的平臺無(wú)關(guān)性，在不同的操作系統和硬件平臺之間的移植非常方便。按上述設計思想，GUI層次模型劃分如圖2所示。圖中，GUI被劃分為3層，每一層義根據具體功能的不同被劃分為幾個(gè)模塊。

1.1 輸入輸出層
這一層的功能是將系統中設備和操作系統平臺的具體細節屏蔽起來(lái)。該設備層被定義在BSP中，向上提供GUI對沒(méi)備的顯示特性操作。該層分為設備邏輯和硬件抽象兩個(gè)子層。設備邏輯子層使用同一類(lèi)設備的概念來(lái)描述GUI支持的外部設備及對該設備的邏輯操作，向上層提供了統一的設備操作接口；而硬件抽象子層則利用實(shí)際的設備控制器操作，根據硬件在不同平臺上的驅動(dòng)來(lái)實(shí)現硬件抽象子層中定義的接口。
1.2 窗口核心層
窗口核心層實(shí)現GUI的關(guān)鍵功能，根據功能可劃分為消息管理、緩沖池管理、作圖管理、定時(shí)器、資源管理、對象管理、子屏管理和內存堆管理等幾部分。
由于GUI采取消息驅動(dòng)的通信方式，因此消息管理構成GUI的靈魂，通過(guò)它把系統的各個(gè)部分聯(lián)系起來(lái)。在應用程序的運行過(guò)程中，消息承載了系統各部分間的交換信息。
內存堆管理：目的是避免在系統運行過(guò)程中動(dòng)態(tài)分配和釋放內存時(shí)引起存儲碎片。兩個(gè)比較頻繁的動(dòng)態(tài)內存分配操作是消息空間的申請／釋放和屏幕對象剪切域的刷新。
作圖管理：完成畫(huà)點(diǎn)、畫(huà)線(xiàn)、畫(huà)圓等作圖操作。為了提高GUI的移植性，這層主要完成與硬件無(wú)關(guān)的作圖過(guò)程。對具有特殊顯示功能的應用平臺來(lái)說(shuō)，此層也可以大量調用硬件提供的功能函數(經(jīng)輸出硬件無(wú)關(guān)層包裝后的接口)，從而實(shí)現特殊的作圖效果。GUI在結構上提供了這種靈活性。作圖管理層向上以作圖原語(yǔ)集的形式為應用提供調用接口。
定時(shí)器：根據系統時(shí)鐘來(lái)為應用提供計數信息。
資源管理：主要對字體、圖片和調色板等進(jìn)行管理，需要實(shí)現資源的存儲以及為應用提供適當的接口兩大功能。
對象管理：采取合理的機制來(lái)組織在屏幕上顯示的對象。GUI把所有能在屏幕上顯示的GUI元素稱(chēng)為“對象”，并通過(guò)對象樹(shù)、Z序和剪切域等機制來(lái)實(shí)現對象的管理。窗口核心層還為應用提供了添加、刪除、隱藏對象等操作接口函數。
1.3 應用接口層
應用接口層封裝了GUI為用戶(hù)提供的一切接口，應用程序看到的GUI就是此層提供的所有接口函數，包括工具箱、作圖原語(yǔ)集和對象操作集等3部分。
工具箱：GUI為用戶(hù)提供的控件集。這部分的大小是可根據應用的需要調整的，從而也在較大程度上影響了GUI庫的大小。常用的控件有按鈕、滾動(dòng)條、窗口和編輯框等。
作圖原語(yǔ)集：作圖管理層提供的繪圖函數接口。工具箱也是在它的基礎上實(shí)現的。
對象操作集：主要實(shí)現GUI對象的添加和刪除等操作功能。

2 多任務(wù)GUI關(guān)鍵技術(shù)分析
本文中提到的“任務(wù)”，在同一個(gè)地址空間執行并且可以無(wú)約束地直接訪(fǎng)問(wèn)所有的共享資源。下面對多任務(wù)GUI設計中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。
2.1 多任務(wù)調度策略及管理
多任務(wù)系統需要一個(gè)合理的任務(wù)調度策略來(lái)管理所有的任務(wù)。啟動(dòng)GUI后，會(huì )默認產(chǎn)牛一個(gè)系統任務(wù)、一個(gè)事件任務(wù)和一個(gè)定時(shí)器任務(wù)；而應用任務(wù)的產(chǎn)生則要根據具體的用戶(hù)需求。
(1)系統任務(wù)
桌面對象運行的任務(wù)稱(chēng)為“系統任務(wù)”。系統任務(wù)是整個(gè)圖形用戶(hù)系統運轉的核心。它不斷地從系統的主消息隊列中取消息，并按消息的目的和用途將其派發(fā)到對應的目的任務(wù)；同時(shí)負責所有應用任務(wù)的管理和維護以及桌面管理等事務(wù)。一個(gè)系統中僅有一個(gè)系統任務(wù)。
(2)事件任務(wù)
事件任務(wù)負責收集外部事件，并將事件解釋為與之對應的GUI消息，并放入系統的主消息隊列中。用戶(hù)的輸入正是從這里傳人GUI核心進(jìn)行處理。一般情況下，一個(gè)系統中僅有一個(gè)事件任務(wù)。
(3)定時(shí)器任務(wù)
定時(shí)器任務(wù)是通過(guò)操作系統的系統調用產(chǎn)生GUI定時(shí)器的。
(4)應用任務(wù)
除系統任務(wù)之外，窗口所運行的其他任務(wù)稱(chēng)為“應用任務(wù)”。應用任務(wù)是用戶(hù)程序運行的基本單位。應用邏輯都在此任務(wù)中運行，擁有自己的消息隊列，接收來(lái)自GUI核心的消息，按一定規則獨立進(jìn)行消息循環(huán)。應用任務(wù)通過(guò)消息與系統任務(wù)交互，受系統任務(wù)的管理；通過(guò)應用接口層使用系統的軟硬件資源。應用任務(wù)的上限數目?jì)H受平臺的資源數目限制。
在嵌入式GUI中，系統任務(wù)被賦予最高的優(yōu)先權，其他任務(wù)可使用低于系統任務(wù)優(yōu)先級的不同優(yōu)先級；相同優(yōu)先級應采用時(shí)間片輪轉方式運行?？傊?，如果有必要，則嵌入式GUI系統會(huì )同時(shí)采取時(shí)間片輪轉和優(yōu)先級搶占的任務(wù)調度策略，如圖3所示。

在沒(méi)有消息到達或者在等待某個(gè)事件時(shí)，任務(wù)需要將自己掛起。一旦有消息進(jìn)入消息隊列，任務(wù)將會(huì )被喚醒以處理消息。這樣，有限的CPU資源就能夠被充分地利用。
此外，系統任務(wù)維護一個(gè)用于跟蹤及管理應用任務(wù)的列表。每一個(gè)應用任務(wù)對應一個(gè)包含其屬性信息的任務(wù)信息塊。任務(wù)屬性包括消息隊列指針、任務(wù)句柄和任務(wù)入口等，對指定任務(wù)進(jìn)行了詳細的描述。一個(gè)信息塊的創(chuàng )建與銷(xiāo)毀必須與應用任務(wù)的創(chuàng )建與銷(xiāo)毀保持同步。系統任務(wù)必須維護該列表，以保證這些信息塊的正確性。多任務(wù)管理機制如圖4所示。
對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，只需要簡(jiǎn)單地指定任務(wù)的入口和優(yōu)先級(如果有必要的話(huà))，其他所有的工作都由系統任務(wù)自動(dòng)完成。采用這種調度和管理方法，能使系統變得更加易用和高效。
2．2 消息驅動(dòng)機制
消息機制的提出，最初是為了解決早期程序設計中基于硬件中斷的事件處理問(wèn)題。中斷事件的發(fā)生足不可預期的、突發(fā)性的，因此當有多個(gè)應用等待并處理中斷事件時(shí)，就會(huì )出現問(wèn)題。消息機制可以很好地解決事件驅動(dòng)的多應用設計問(wèn)題，并且可以形成一種處理多個(gè)系統之間、系統內部件和部件之問(wèn)關(guān)系的簡(jiǎn)潔而且可靠的方法。
在只支持單任務(wù)的GUI系統中只有一個(gè)串行化的消息隊列，消息嚴格地按照順序處理，導致響應慢、效率低，故有必要采用并行化的消息隊列。當一個(gè)隊列中的消息忙于處理一個(gè)冗長(cháng)工作時(shí)，輸入焦點(diǎn)能夠切換到另外一個(gè)隊列。
系統維護一個(gè)系統消息隊列和多個(gè)指定任務(wù)信息隊列，每個(gè)指定任務(wù)信息隊列對應一個(gè)應用任務(wù)，如圖5所示。事件任務(wù)將輸入轉化成消息并將其放入系統消息隊列中，系統任務(wù)檢索到輸入消息后首先會(huì )對該消息進(jìn)行檢查，然后將消息郵寄給目標應用任務(wù)或直接對消息進(jìn)行處理。每個(gè)應用任務(wù)從它的消息隊列中移出消息，并將其發(fā)送到適當的窗口程序中進(jìn)行處理。一個(gè)應用任務(wù)可以將消息郵寄到它自己的消息隊列，也可以郵寄到其他應用任務(wù)的消息隊列中。

此外，為了達到不同的目的，系統提供了同步和異步兩種基本類(lèi)型的消息。
2.3 桌面及窗口管理
屏幕中的窗口通常是相互覆蓋，而且它們的相對位置也在不斷地變動(dòng)。這些窗口有可能分別屬于不同的任務(wù)，但共享一個(gè)相同的屏幕。所以，如何方便并有效地計算和維護窗口便顯得很重要。
首先介紹2個(gè)概念：全局剪切域和窗口剪切域。它們都與應用任務(wù)相關(guān)，前者指出哪些區域占據屏幕，后者給出在相同的應用任務(wù)中所有對象的剪切關(guān)系。
系統任務(wù)除了要維護它自己的剪切域外，還要負責管理所有應用任務(wù)的全局剪切域，如圖6所示。一旦窗口位置發(fā)生變化，系統任務(wù)必須更新信息并且通知應用任務(wù)作出相應的變動(dòng)。另一方面，在計算窗口剪切域時(shí)，應用任務(wù)只須關(guān)心它本身而不受其他任務(wù)的影響，好像整個(gè)屏幕只有它一個(gè)任務(wù)在運行。至于最后實(shí)際的剪切結果，只需將全局剪切和窗口剪切結果進(jìn)行“與”運算。

2.4 Z序和對象樹(shù)
Z序實(shí)際定義了屏幕中對象集(可顯窗口)之間的層次關(guān)系。GUI用戶(hù)可以通過(guò)選擇要被置于前端的窗口來(lái)改變Z序。很多GUI系統將Z序當作一個(gè)帶有指定運算集的顯式列表來(lái)實(shí)現。然而，在嵌入式GUI系統中不用這種方式，而是通過(guò)對象樹(shù)來(lái)說(shuō)明這些GUI對象之間的層次關(guān)系和Z序。理論上，每一個(gè)GUI對象都有父親、孩子和兄弟。因此，所有顯示在屏幕上的對象便構成一棵以桌面為根節點(diǎn)的倒置樹(shù)。對樹(shù)進(jìn)行“后根遍歷”就能夠容易地得到Z序。
圖7描述了對象樹(shù)的建立過(guò)程。對象樹(shù)的采用極大地簡(jiǎn)化了桌面管理，能夠在不增加額外工作的情況下方便地組合對象和實(shí)現Z序管理。

3 小 結
將來(lái)的GUI系統將越來(lái)越復雜，要求GUI系統實(shí)現的功能也越來(lái)越豐富，這就需要一個(gè)更加開(kāi)放且伸縮性好的體系結構。本文提出的嵌入式GUI體系結構具有很強的靈活性，且可移植性好，能夠很好地應用于嵌入式領(lǐng)域的各種環(huán)境。