Qt/Embedded在嵌入式Linux系統(tǒng)中的應用

摘要：分析和討論Qt/Embedded的主流版本3.x系列的底層實現(xiàn)技術(shù)；結(jié)合2.x版本系列和3.x版本系列，在兩種不同的硬件平臺（Intel PXA255開發(fā)系統(tǒng)與筆者自行設(shè)計的Motorola MC9328 MX1開發(fā)系統(tǒng)）上的移植過程，討論Qt/Embedded的底層設(shè)備接口與應用移植技術(shù)。

關(guān)鍵詞：Qt/Embedded嵌入式Linux framebuffer 驅(qū)動接口

引言

隨著嵌入式Linux應用的不斷發(fā)展，嵌入式處理器運算能力的不斷增強，越來越多的嵌入式設(shè)備開始采用較為復雜的GUI系統(tǒng)，手持設(shè)備中的GUI系統(tǒng)發(fā)展得非常迅速。傳統(tǒng)的GUI系統(tǒng)，如Microwindows等，由于項目規(guī)模較小、功能較為薄弱，缺乏等三方軟件開發(fā)的支持等諸多原因，在比較高級的手持或移動終端設(shè)備（如PDA、Smart-Phone、車載導航系統(tǒng)）中應用較少。

Qt/Embedded是著名的Qt庫開發(fā)商Trolltech公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本，開發(fā)人員多為KDE項目的核心開發(fā)人員。許多基于Qt的X Window程序可以非常方便地移植到Qt/Embedded上，與X11版本的Qt在最大程度上接口兼容，延續(xù)了在X上的強大功能，在底層徹底摒棄了X lib，僅采用framebuffer作為底層圖形接口。Qt/Embedded類庫完全采用C++封裝。豐富的控件資源和較好的可移植性是Qt/Embedded最為優(yōu)秀的一方面，使用X下的開發(fā)工具Qt Designer可以直接開發(fā)基于Qt/Embedded的UI（用戶操作接口）界面。越來越多的第三方軟件公司也開始采用Qt/Embedded開發(fā)嵌入式Linux下的應用軟件。其中非常著名的Qt Palmtop Environment（Qtopia）早期是一個第三方的開源項目，并已經(jīng)成功應用于多款高檔PDA。Trolltech公司針對Smart-Phone中的應用需求，于2004年5月底發(fā)布了Qtopia的Phone版本。

1 Qt/Embedded的實現(xiàn)技術(shù)基礎(chǔ)分析

橫向來看，由于發(fā)布的版權(quán)問題，Qt/Embedded采用兩種方式進行發(fā)布：在GPL協(xié)議下發(fā)布的free版與專門針對商業(yè)應用的commercial版本。二者除了發(fā)布方式外，在源碼上沒有任何區(qū)別?？v向看來，當前主流的版本為Qtopia的2.x系列與最新的3.0x系列。其中2.0版本系統(tǒng)較多地應用于采用Qtopia作為高檔PDA主界面的應用中；3.x版本系列則應用于功能相對單一，但需要高級GUI圖形支持的場合，如Volvo公司的遠程公交信息系統(tǒng)。圖1為Qt/Embedded的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

3.x版本系列的Qt/Embedded相對于2.x版本系統(tǒng)增加了許多新的模塊，如SQL數(shù)據(jù)庫查詢模塊等。幾乎所有2.x版本中原有的類庫，在3.x版本中都得到極大程度的增強。這就極大地縮短了應用軟件的開發(fā)時間，擴大了Qt/Embedded的應用范圍。

在代碼設(shè)計上，Qt/Embedded巧妙地利用了C++獨有的機制，如繼承、多態(tài)、模板等，具體實現(xiàn)非常靈活。但其底層代碼由于追求與多種系統(tǒng)、多種硬件的兼容，代碼補丁較多，風格稍顯混亂。

1．1 Qt/Embedded的圖形引擎實現(xiàn)基礎(chǔ)

Qt/Embedded的底層圖形引擎基于framebuffer。Framebuffer是在Linux內(nèi)核架構(gòu)版本2.2以后推出的標準顯示設(shè)備驅(qū)動接口。采用mmap系統(tǒng)調(diào)用，可以將framebuffer的顯示緩存映射為可連續(xù)訪問的一段內(nèi)存儲針。由于目前比較高級的ARM體系的嵌入式CPU中大多集成了LCD控制模塊，LCD控制模塊一般采用雙DMA控制器組成的專用DMA通道。其中一個DMA可以自動從一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊列中取出并裝入新的參數(shù)，直到整個隊列中的DMA操作都已完成為止。另外一個DMA與畫面緩沖區(qū)相關(guān)，這部分由兩個DMA控制器交替執(zhí)行，并每次都自動按照預定的規(guī)則改變參數(shù)。雖然使用了雙DMA，但這兩個DMA控制器的交替使用對于CPU來說是不可見的。CPU所獲得的只是由兩個DMA組成的一個“通道”而已。

Framebuffer驅(qū)動程序的實現(xiàn)分為兩個方面：一方面是對LCD及其相關(guān)部分的初始化，包括畫在緩沖區(qū)的創(chuàng)建和對DMA通道的設(shè)置；另外一方面是對畫面緩沖區(qū)的讀寫，具體到代碼為read、write、lseek等系統(tǒng)調(diào)用接口。至于將畫面緩沖區(qū)的內(nèi)容輸出到LCD顯示屏上，則由硬件自動完成。對于軟件來說是透明的。當對于DMA通道和畫面緩沖區(qū)設(shè)置完成后，DMA開始正常工作，并將緩沖區(qū)中的內(nèi)容不斷發(fā)送到LCD上。這個過程是基于DMA對于LCD的不斷刷新的。基于該特性，framebuffer驅(qū)動程序必須將畫面緩沖區(qū)的存儲空間（物理空間）重新映射到一個不加高緩存和寫緩存的虛擬地址區(qū)間中，這樣能才保證應用程序通過mmap將該緩存映射到用戶空間后，對于該畫面緩存的寫操作能夠?qū)崟r的體現(xiàn)在LCD上。

在Qt/Embedded中，Qscreen類為抽象出的底層顯示設(shè)備基類，其中聲明了對于顯示設(shè)備的基本描述和操作方式，如打開、關(guān)閉、獲得顯示能力、創(chuàng)建GFX操作對象等。另外一個重要的基類是QGfx類。該類抽象出對于顯示設(shè)備的具體操作接口（圖形設(shè)備環(huán)境），如選擇畫刷、畫線、畫矩形、alpha操作等。以上兩個基類是Qt/Embedded圖形引擎的底層抽象。其中所有具體函數(shù)基本都是虛函數(shù)，Qt/Embedded對于具體的顯示設(shè)備，如Linux的framebuffer、Qt Virtual Framebuffer做的抽象接口類全都由此繼承并重載基類中的虛函數(shù)實現(xiàn)。圖2為Qt/Embedded中底層圖形引擎實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

圖2

在圖2中，對于基本的framebuffer設(shè)備，Qt/Embedded用QlinuxFbScreen來處理。針對具體顯示硬件（如Mach卡、Voodoo卡）的加速特性，Qt/Embedded從QlinuxFbScreen和圖形設(shè)備環(huán)境模板類QgfxRasterdepth,type>繼承出相應子類，并針對相應硬件重載相關(guān)虛函數(shù)。

Qt/Embedded在體系上為C/S結(jié)構(gòu)，任何一個Qt/Embedded程序都可以作為系統(tǒng)中唯一的一個GUI Server存在。當應用程序首次以系統(tǒng)GUI Server的方式加載時，將建立QWSServer實體。此時調(diào)用QWSServer::openDisplay()函數(shù)創(chuàng)建窗體，在QWSServer::openDisplay（）中對QWSDisplay：：Data中的init()加以調(diào)用；根據(jù)QgfxDriverFactory實體中的定義（QLinuxFbScreen）設(shè)置關(guān)鍵的Qscreen指針qt_screen并調(diào)用connect()打開顯示設(shè)備（dev/fb0）。在QWSServer中所有對于顯示設(shè)備的調(diào)用都由qt_screen發(fā)起。至此完成了Qt/Embedded中QWSServer的圖形發(fā)生引擎的創(chuàng)建。當系統(tǒng)中建立好GUI Server后，其它需要運行的Qt/Embedded程序在加載后采用共享內(nèi)存及有名管道的進程通信方式，以同步訪問模式獲得對共享資源framebuffer設(shè)備的訪問權(quán)。

1.2 Qt/Embedded的事件驅(qū)動基礎(chǔ)

Qt/Embedded中與用戶輸入事件相關(guān)的信號，是建立在對底層輸入設(shè)備的接口調(diào)用之上的。Qt/Embedded中的輸入設(shè)備，分為鼠標類與鍵盤類。以3.x版本系列為例，其中鼠標設(shè)備的抽象基類為QWSMouse Handler，從該類又重新派生出一些具體的鼠標類設(shè)備的實現(xiàn)類。該版本系列的Qt/Embedded中，鼠標類設(shè)備的派生結(jié)構(gòu)如圖3所示。

與圖形發(fā)生引擎加載方式類似的，在系統(tǒng)加載構(gòu)造QWSServer時，調(diào)用QWSServer::openMouse與QWSServer::openKeyboard函數(shù)。這兩個函數(shù)分別調(diào)用QmouseDriverFactory::create()與QkbdDriverFactory::create()函數(shù)。這時會根據(jù)Linux系統(tǒng)的環(huán)境變量QWS_MOUSE_PROTO與QWS_KEYBOARD獲得鼠標類設(shè)備和鍵盤類設(shè)備的設(shè)備類型和設(shè)備節(jié)點。打開相應設(shè)備并返回相應設(shè)備的基類句柄指針給系統(tǒng)，系統(tǒng)通過將該基類指令強制轉(zhuǎn)換為對應的具體子類設(shè)備指針，獲得對具體鼠標類設(shè)備和鍵盤類設(shè)備的調(diào)用操作。

值得注意的是，雖然幾乎鼠標類設(shè)備的功能上基本一致，但由于觸摸屏和鼠標底層接口并不一樣，會造成對上層接口的不一致。舉例來講，從鼠標驅(qū)動接口中幾乎不會得到絕對位置信息，一般只會讀到相對移動量。另外，鼠標的移動速度也需要考慮在內(nèi)，而觸摸屏接口則幾乎是清一色的絕對位置信息和壓力信息。針對此類差別，Qt/Embedded將同一類設(shè)備的接口部分也給予區(qū)別和抽象，具體實現(xiàn)在QmouseDriverInterface類中。鍵盤類設(shè)備也存在類似問題，同樣引入了QkbdDriver Inteface來解決。具體實現(xiàn)此處暫不多述。

2 Qt/Embedded的移植與應用

針對Qt/Embedded的實現(xiàn)特點，移植該嵌入式GUI系統(tǒng)一般分為以下幾個步驟：

①設(shè)計硬件開發(fā)平臺，并移植Linux操作系統(tǒng)；

②采用靜態(tài)鏈接進Linux內(nèi)核的方式，根據(jù)該平臺顯示設(shè)備的顯示能力，開發(fā)framebuffer驅(qū)動程序；

③開發(fā)針對該平臺的鼠標類設(shè)備驅(qū)動程序，一般為觸摸屏或USB鼠標；

④開發(fā)針對該平臺的鍵盤類設(shè)備驅(qū)動程序，一般為板載按鈕或USB鍵盤（該部分可選）；

⑤根據(jù)framebuffer驅(qū)動程序接口，選擇并修改Qt/Embedded中的QlinuxFbScreen和QgfxRaster類；

⑥根據(jù)鼠標類設(shè)備驅(qū)動程序，實現(xiàn)該類設(shè)備在Qt/Embedded中的操作接口；

⑦根據(jù)鍵盤類設(shè)備驅(qū)動程序，實現(xiàn)該類設(shè)備在Qt/Embedded中的操作接口（該部分可選）；

⑧根據(jù)需要選擇Qt/Embedded的配置選項，交叉編譯Qt/Embedded的動態(tài)庫；

⑨交叉編譯Qt/Embedded中的Example測試程序，在目標平臺上運行測試。

Framebuffer設(shè)備驅(qū)動程序提供出的接口是標準的，除了注意endian問題外，配置Qt/Embedded時選擇相應的色彩深度支持即可，因此該部分的移植難點就在于framebuffer驅(qū)動程序的實現(xiàn)。Qt/Embedded部分的QWSServer打開/dev/中的framebuffer設(shè)備后讀出相應的顯示能力（屏幕尺寸、顯示色彩深度），模板QgfxRasterdepth.type>將根據(jù)色彩深度在用戶空間設(shè)備創(chuàng)建出與顯示緩存同樣大小的緩沖作為雙緩沖，并采用正確方式進行顯示。

2.1 在PXA255平臺上移植和應用

在筆者參與設(shè)計的某Smart-Phone開發(fā)平臺中，GUI系統(tǒng)實現(xiàn)方案采用了Qt/Embedded 2.3.7和Qtopia 1.7.0（基于Qt/Embedded 2.x系列的手持套件），硬件平臺采用了基于Intel XScale PXA255處理器的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)。該開發(fā)系統(tǒng)采用640480分辨率的TFT LCD和PXA255內(nèi)部LCD控制模塊作為顯示設(shè)備，ADS7846N作為外部電阻式觸摸屏控制器；另外，采用了五方向按鍵作為板載鍵盤。由于該系統(tǒng)采用了ISP1161作為USB Host控制器，較好地支持了USB接口的鍵盤和鼠標，操作系統(tǒng)為ARM Linux 2.4.19。參考Linux 2.4.19內(nèi)核目錄drivers/input部分，可以按照標準內(nèi)核中input device接口設(shè)計實現(xiàn)觸摸屏和鍵盤，在實現(xiàn)了基于ISP1161的EHCI驅(qū)動程序后，移植標準的USB接口的人機界面設(shè)備驅(qū)動HID和USB鍵盤、鼠標的驅(qū)動程序后，可以獲得對于該類設(shè)備的調(diào)用接口。此過程不屬本文討論范疇，此處暫不多述。

Qt/Embedded 2.x系列對于輸入設(shè)備的底層接口與3.x系列不同，觸摸屏設(shè)備和鍵盤設(shè)備需要根據(jù)具體的驅(qū)動程序接口在Qt/Embedded中設(shè)備實現(xiàn)對應的設(shè)備操作類。其中對應于鼠標類設(shè)備的實現(xiàn)位于src/kernel/qmouse_qws.cpp中。由于觸摸屏在實現(xiàn)原理上存在著A/D量化誤差的問題，因此所有的觸摸屏接口實現(xiàn)類需要從特殊的QcalibratedMouseHandler繼承，并獲得校正功能。

Qt/Embedded 2.x中對于鍵盤響應的實現(xiàn)函數(shù)位于src/kernel/qkeyboard_qws.cpp中。在qkeyboard_qws.h中，定義了鍵盤類設(shè)備接口的基類QWSKeyboardHandler，移植時需要根據(jù)鍵盤驅(qū)動程序從該類派生出實現(xiàn)類，實現(xiàn)鍵盤事件處理函數(shù)processKeyEvent()，并在QWSServer::newKeyboardHandler函數(shù)中注冊自己的鍵盤類設(shè)備即可。其中對于點擊鍵的鍵碼定義在Qt/Embedded的命名空間――src/kernel/qnamespace.h中。

圖4為筆者在該Smart-Phone開發(fā)平臺上移植Qt/Embedded 2.3.7和Qtopia 1.7.0后顯示的截圖。

2.2 在MC9328平臺上移植和應用

在某車載導航輔助系統(tǒng)的開發(fā)平臺設(shè)計中，采用了Qt/Embedded 3.3.2版本作為其GUI系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。硬件平臺采用自行設(shè)計的以Motorola MC9328 MX1為核心的開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CPU內(nèi)部LCD控制器和240320分辨率的16 bpp TFT LCD作為顯示設(shè)備，采用I2C總線擴展出16按鍵以及MX1集成的ASP模塊和電阻觸摸屏。操作系統(tǒng)為ARM Linux 2.4.18。

Qt/Embedded 3.x版本系統(tǒng)中與底層硬件接口相關(guān)部分的源碼位于src/embedded/目標中。該部分包含三類設(shè)備的接口：framebufer、鼠標與鍵盤。參照該目標中相關(guān)設(shè)備的具體接口代碼，根據(jù)自身硬件臺增添接口即可。

由于系統(tǒng)LCD的岔道率為240320，物理尺寸較小，在實現(xiàn)其于該系統(tǒng)的framebuffer驅(qū)動程序時并沒有將其本身與Linux字符控制臺設(shè)備掛靠，因此framebuffer并不具備TEXT模式的工作方式。在移植Qt/Embedded時，無需作framebuffer設(shè)備的工作方式轉(zhuǎn)換。正確配置色彩顯示支持后，Qt/Embedded能夠在LCD顯示出正確的圖形。由于該平臺的顯示系統(tǒng)為縱向320行，在設(shè)計時考慮到人對于非手持設(shè)備的視覺習慣為寬度大于高度的觀察方式，為了符合這種習慣性的觀察方式，在移植Qt/Embedded時采用了Transformed的旋轉(zhuǎn)圖形顯示方式在軟件上實現(xiàn)了顯示方向的轉(zhuǎn)換變化。

鼠標設(shè)備接口這一基類QWSMouseHandler的實現(xiàn)位于src/embedded/qmouse_qws.cpp中。與2.x版本系列不同的是，3.x中所有的Linux觸摸屏示例接口代碼均實現(xiàn)在src/embedded/qmouselinuxtp_qws.cpp中的QWSLinuxTPMouseHandler類中。其中對于不同型號的觸摸屏的接口實現(xiàn)代碼，采用不同的宏定義和預編譯的方式將它們分隔開。筆者還通過從QWSLinuxTPMouseHandler中繼承自身觸摸屏接口類，替代原有的QWSLinuxTPMouseHandlerPrivate類，而在QWSLinuxTPMouseHandler生成自身觸摸屏接口對象的方式，較好地將移植部分的代碼與原有比較混亂的代碼分隔開來。

圖4

3.x中鍵盤接口基類們于src/embedded/qkbd_qws.cpp中，為QWSKeyboardHandler。實現(xiàn)I2C總線擴展出的16鍵鍵盤接口類方式與觸摸屏類似，此處不多述。需要注意的是，Qt/Embedded提供了事件過濾器（key event filter）的接口，在鍵盤點擊事件從QWSServer截獲并發(fā)送到相應的client之前會經(jīng)過函數(shù)QWSServer::KeyboardFilter。在此函數(shù)中可以按照自身需求生成新的鍵盤點擊事件，而后利用QWSServer::sendKeyEvent()發(fā)送新的點擊事件到client中。利用該方式可以將各種鍵盤點擊無法輸入的unicode字符轉(zhuǎn)換出來，從而可以在較少的按鍵鍵盤上實現(xiàn)多unicode字符輸入法。Qt/Embedded 3.x鍵盤接口的移植與鼠標設(shè)備接口類似，此處不多述。

3 總結(jié)

隨著嵌入式處理器運算能力的不斷提高，對外設(shè)支持的不斷豐富，嵌入式Linux系統(tǒng)的應用也逐漸增多。Qt/Embedded延續(xù)了Qt在桌面系統(tǒng)的所有功能，豐富的API接口和基于組件的編程模型使得嵌入式Linux系統(tǒng)中的應用程序開發(fā)更加便捷。由于Qt/Embedded本身面向高端的手持設(shè)備和移動設(shè)備，將成為未來嵌入式系統(tǒng)的主要GUI。