MiniGUI：跨操作系統的嵌入式圖形支持系統

為目標嵌入式產(chǎn)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(kāi)發(fā)的MiniGUI是一個(gè)高效、可靠、可定制、小巧靈活的圖形用戶(hù)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(shí)時(shí)嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。本文詳細闡述了MiniGUI的特點(diǎn)、運行模式和應用。

隨著(zhù)高端消費類(lèi)電子產(chǎn)品(PDA、手機等)的廣泛應用，原先僅在軍工、工業(yè)控制等領(lǐng)域中使用的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統，受到越來(lái)越多的關(guān)注。因為嵌入式產(chǎn)品本身是一種高度定制化的軟硬件集成產(chǎn)品，單個(gè)操作系統無(wú)法滿(mǎn)足各類(lèi)嵌入式產(chǎn)品的多樣化需求，因此，業(yè)界有許多各具特色的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統產(chǎn)品可供選擇。

在嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，除操作系統之外，開(kāi)發(fā)人員關(guān)注最多的另外一個(gè)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(chǎn)品，就涉及到文字或者圖形的輸出問(wèn)題。

不過(guò)，在嵌入式系統上的GUI應用開(kāi)發(fā)，不像PC平臺上的應用開(kāi)發(fā)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(tài)和動(dòng)態(tài)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(chǎn)品以及各類(lèi)實(shí)時(shí)嵌入式操作系統提供功能完備、且又適合嵌入式產(chǎn)品特點(diǎn)的GUI支持系統，存在著(zhù)諸多技術(shù)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(kāi)發(fā)采用的編程模式。但是，這種模式還存在一些問(wèn)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(shí)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(chǎn)品廠(chǎng)商購買(mǎi)對應的模塊來(lái)實(shí)現。

圖 1 RTOS 的一般軟件結構。

實(shí)際上，不同RTOS之間的區別，除了在任務(wù)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(gè)種類(lèi)：

1．傳統實(shí)時(shí)嵌入式操作系統。主要包括：VxWorks、pSOS、Nucleus、WinCE等。VxWorks和pSOS的用戶(hù)主要集中在軍工、工業(yè)控制及電信領(lǐng)域，Nucleus和WinCE在消費類(lèi)產(chǎn)品中應用較為廣泛。

2．開(kāi)放源碼的嵌入式操作系統。典型代表有Linux/uClinux、eCos。因為傳統實(shí)時(shí)嵌入式操作系統價(jià)格比較昂貴，所以許多用戶(hù)開(kāi)始使用免授權費的Linux/uClinux等操作系統開(kāi)發(fā)自己的嵌入式產(chǎn)品。Linux操作系統從本質(zhì)上屬于通用操作系統，缺少強實(shí)時(shí)支持，因此嵌入式Linux在某些不需要強實(shí)時(shí)性的嵌入式產(chǎn)品中得到了較多應用，典型的產(chǎn)品有智能手機(這類(lèi)產(chǎn)品中的實(shí)時(shí)性主要通過(guò)專(zhuān)用硬件芯片保證)、查詢(xún)終端等。uClinux是Linux的一個(gè)變種，主要運行在沒(méi)有內存管理單元(MMU)的CPU架構上。因為沒(méi)有內存管理單元，uClinux無(wú)法實(shí)現現代操作系統能夠提供的進(jìn)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(chǎn)品中得到了應用。eCos也是一種開(kāi)源、免授權費的RTOS產(chǎn)品。和Linux/uClinux相比，它更類(lèi)似傳統的實(shí)時(shí)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(shí)際應用經(jīng)驗，eCos操作系統在一定程度上可以用來(lái)替代傳統實(shí)時(shí)嵌入式操作系統。

3．新型實(shí)時(shí)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(chǎng)的中低端市場(chǎng)，給廣大嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者提供了性?xún)r(jià)比較高的選擇。

4．本地實(shí)時(shí)嵌入式操作系統。近幾年，中國也有廠(chǎng)商開(kāi)始提供自主研發(fā)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統，典型的有Hopen和Delta操作系統。這些產(chǎn)品已經(jīng)在消費類(lèi)電子產(chǎn)品和軍工領(lǐng)域中得到了一些應用。

通過(guò)上面的介紹可以看到，嵌入式操作系統市場(chǎng)中存在各種產(chǎn)品可供選擇。嵌入式產(chǎn)品的種類(lèi)豐富，需求多樣，不太可能出現類(lèi)似PC那樣由一個(gè)操作系統獨霸天下的狀況。

嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中常用的圖形解決方案

在嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，軟件開(kāi)發(fā)人員通常采取如下幾種方法來(lái)解決產(chǎn)品的圖形需求：

1．針對特定圖形輸出設備的接口，自行開(kāi)發(fā)圖形相關(guān)的功能函數。利用這種手段編寫(xiě)的程序，無(wú)法將顯示邏輯和數據處理邏輯劃分開(kāi)來(lái)，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(diǎn)很明顯，即可移植性差，維護成本高。

2．購買(mǎi)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(chǎng)商，也為自己的操作系統專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了對應的GUI中間件產(chǎn)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(chǎn)品開(kāi)發(fā)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(diǎn)是這類(lèi)軟件包的功能通常比較簡(jiǎn)單，且價(jià)格高昂。另外，基于這些軟件包開(kāi)發(fā)的 GUI 應用軟件不具備跨操作系統的可移植性。

3．采用開(kāi)放源碼的嵌入式GUI支持系統。隨著(zhù)嵌入式Linux操作系統的應用，開(kāi)源社區也在不斷為嵌入式系統提供不同的開(kāi)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(kāi)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(yè)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(shù)支持，因此，存在著(zhù)很大的開(kāi)發(fā)風(fēng)險。

圖 2 MiniGUI 和嵌入式操作系統的關(guān)系。

4．使用由獨立軟件開(kāi)發(fā)商提供的嵌入式GUI產(chǎn)品。這類(lèi)產(chǎn)品有北京飛漫軟件技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的MiniGUI、挪威TrollTech公司的Qt/Embedded等。這兩種產(chǎn)品都是開(kāi)源(遵循GNU的GPL條款發(fā)布)的嵌入式GUI軟件產(chǎn)品，但均采用雙授權模式，即針對商業(yè)使用收取軟件許可費用。MiniGUI屬于中低端產(chǎn)品，具有跨操作系統特性，以及適合嵌入式產(chǎn)品的小巧、高效的特點(diǎn)。Qt/Embedded屬于高端產(chǎn)品，只支持嵌入式Linux操作系統，需要16MB以上的靜態(tài)存儲空間及64MB以上的動(dòng)態(tài)存儲空間。

MiniGUI的特點(diǎn)及應用

MiniGUI作為中國為數不多的幾個(gè)自由軟件項目之一，是面向實(shí)時(shí)嵌入式系統的輕量級圖形用戶(hù)界面支持系統，1999年初遵循GPL條款發(fā)布第一個(gè)版本，目前已發(fā)展到1.6.1版本。

MiniGUI為實(shí)時(shí)嵌入式操作系統提供了非常完善的圖形及圖形用戶(hù)界面支持。MiniGUI本身的可移植性設計，使得不論在哪個(gè)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(lái)，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(lèi)，包括靜態(tài)文本框、按鈕、單行和多行編輯框、列表框、組合框、進(jìn)度條、屬性頁(yè)、工具欄、拖動(dòng)條、樹(shù)型控件、月歷控件等。

3．對話(huà)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(shí)器等。

4．界面皮膚支持。用戶(hù)可通過(guò)皮膚支持獲得外觀(guān)非常華麗的圖形界面。

5．通過(guò)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(diǎn)陣字體、變寬點(diǎn)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(pán)布局的支持。MiniGUI除支持常見(jiàn)的美式PC鍵盤(pán)布局之外，還支持法語(yǔ)、德語(yǔ)等語(yǔ)種的鍵盤(pán)布局。

10．簡(jiǎn)體中文(GB2312)輸入法支持，包括內碼、全拼、智能拼音等。用戶(hù)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(guān)函數等。

與其它針對嵌入式產(chǎn)品的圖形系統相比，MiniGUI具有以下一些技術(shù)優(yōu)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?xún)?；

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(jìn)一步縮小到1MB以?xún)取?br />
最新的研發(fā)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(wú)法達到的。

2)高性能、高可靠性

MiniGUI良好的體系結構及優(yōu)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(shí)時(shí)嵌入式系統的特點(diǎn)，針對多窗口環(huán)境下的圖形繪制開(kāi)展了大量的研究及開(kāi)發(fā)，優(yōu)化了MiniGUI的圖形繪制性能及資源占有。MiniGUI在大量實(shí)際系統中的應用，尤其在工業(yè)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(mǎn)足嵌入式系統千變萬(wàn)化的需求，必須要求GUI系統是可配置的。和Linux內核類(lèi)似，MiniGUI也實(shí)現了大量的編譯配置選項，通過(guò)這些選項可指定MiniGUI庫中包括哪些功能而同時(shí)不包括哪些功能。大體說(shuō)來(lái)，可以在如下幾個(gè)方面對MiniGUI進(jìn)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(xiàn)程的MiniGUI-Threads運行模式還是基于進(jìn)程的MiniGUI-Lite運行模式，或者只是最簡(jiǎn)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(guān)選項；

5．指定需要支持的字體類(lèi)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(lèi)；

9．指定控件的整體風(fēng)格，是三維風(fēng)格、平面風(fēng)格還是手持終端風(fēng)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(chǎn)品中，亦可運行于基于A(yíng)RM9的高端產(chǎn)品中，并使用MiniGUI的高級控件風(fēng)格及皮膚界面等技術(shù)，創(chuàng )建華麗的用戶(hù)界面。

5) 跨操作系統支持

理論上，MiniGUI可支持任意一個(gè)多任務(wù)嵌入式操作系統；實(shí)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(shí)，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(jīng)在大量產(chǎn)品中得到了應用。MiniGUI最主要的應用領(lǐng)域大致可分為三類(lèi)：高端手機、PDA類(lèi)產(chǎn)品；數字媒體及機頂盒類(lèi)產(chǎn)品；工業(yè)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(guò)抽象層將MiniGUI上層和底層操作系統隔離開(kāi)來(lái)。如圖2所示，基于MiniGUI的應用程序一般通過(guò) ANSI C庫以及MiniGUI自身提供的API來(lái)實(shí)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(lái)，而上層應用程序則無(wú)需關(guān)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(lèi)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(méi)有內存管理單元的CPU上；這時(shí)，往往就沒(méi)有進(jìn)程的概念，而只有線(xiàn)程或者任務(wù)的概念，這樣，GUI系統的運行環(huán)境也就大相徑庭。因此，為了適合不同的操作系統環(huán)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(xiàn)程中建立多個(gè)窗口，但所有的窗口在一個(gè)進(jìn)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(gè)程序是單獨的進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程也可以建立多個(gè)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(jìn)程的方式運行，既不需要多線(xiàn)程也不需要多進(jìn)程的支持，這種運行模式適合功能單一的應用場(chǎng)合。例如在一些使用uClinux的嵌入式產(chǎn)品中，因為各種原因而缺少線(xiàn)程支持，這時(shí)，就可以使用MiniGUI-Standalone來(lái)開(kāi)發(fā)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(lèi)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(wù)的實(shí)時(shí)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(gè)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(jiǎn)單介紹MiniGUI到該操作系統上的移植。

uC/OS-II非常簡(jiǎn)單，只要有一個(gè)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(xué)中得到了廣泛應用。因為其簡(jiǎn)單及實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，現在也有一些用戶(hù)開(kāi)始使用uC/OS-II操作系統開(kāi)發(fā)正式的嵌入式產(chǎn)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(guò)，最重要的還是缺乏與POSIX-Threads兼容的接口。為此，我們編寫(xiě)了POSIX-Threads的繞轉接口，這些繞轉接口兼容于POSIX-Threads。同時(shí)，我們還實(shí)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(gè)系統的調試將是非常困難的。為解決調試問(wèn)題，我們首先在SkyEye(清華大學(xué)陳渝主持的自由軟件項目，http://www.skyeye.org)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(gè)引擎分別通過(guò)軟件方法來(lái)模擬實(shí)際的輸出和輸入設備，如LCD顯示屏及鍵盤(pán))來(lái)運行MiniGUI的應用程序。盡管我們看不到真實(shí)的屏幕輸出，但從應用程序在運行過(guò)程中打印的輸出信息，我們可以看到MiniGUI for uC/OS-II已經(jīng)正常工作了。接下來(lái)的工作就是將MiniGUI for uC/OS-II移植到正式的硬件產(chǎn)品中。

我們在S3C2410開(kāi)發(fā)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(gè)開(kāi)發(fā)板編寫(xiě)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(kāi)發(fā)板上正常運行。

作者：魏永明

北京飛漫軟件技術(shù)有限公司