嵌入式Linux下的圖形用戶界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了滿足嵌入式系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)需求，給出了一種圖形用戶界面系統(tǒng)SKY-GUI的設(shè)計(jì)思路和其在嵌入式Linux環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)方法。SKY-GUI有四大組成部分：輸入抽象層、顯示抽象層、事件系統(tǒng)和窗口系統(tǒng)。其特點(diǎn)是界面美觀、占用資源少、運(yùn)行效率高，現(xiàn)已應(yīng)用于嵌入式視頻監(jiān)控項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)證明其設(shè)計(jì)思路可行，性能優(yōu)良，適用于典型的嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目。

嵌入式圖形用戶界面(GUI， Graphic UserInterface)系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)中的一大關(guān)鍵技術(shù)，為用戶提供設(shè)備的控制接口，其性能的好壞，界面的美觀程度，影響著用戶對(duì)產(chǎn)品的購(gòu)買意愿和使用感受。

當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)中GUI的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種：一是采用現(xiàn)有的GUI庫(kù);第二種是開(kāi)發(fā)商基于嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)特有的GUI系統(tǒng)。采用第1種方式一般要對(duì)通用GUI庫(kù)進(jìn)行剪裁和個(gè)性化定制，也往往要支出額外的成本來(lái)獲得軟件授權(quán)。相對(duì)而言，第2種方法實(shí)現(xiàn)的GUI占用資源較小、容易滿足嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和個(gè)性化需求。

本文采用第2種方式，在嵌入式Linux下使用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了一個(gè)界面美觀、輕量級(jí)、占用資源少、執(zhí)行效率高的圖形用戶界面系統(tǒng)SKY-GUI.本文的結(jié)構(gòu)如下：第1部分介紹SKY-GUI的基本結(jié)構(gòu);第2部分給出具體的模塊設(shè)計(jì);第3部分給出其實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果;最后總結(jié)。

1 SKY-GUI基本結(jié)構(gòu)

SKY-GUI系統(tǒng)的功能主要有以下四點(diǎn)：

(1)接收各種輸入設(shè)備的輸入。

(2)建立消息循環(huán)，將設(shè)備的輸入翻譯為抽象的事件。

(3)建立窗口和控件對(duì)象系統(tǒng)，組織好各個(gè)抽象模塊的關(guān)系，處理各種GUI事件。

(4)將GUI對(duì)象通過(guò)具體形狀顯示在屏幕上，通過(guò)動(dòng)畫(huà)將系統(tǒng)的狀態(tài)變化呈現(xiàn)給用戶。

基于這樣的設(shè)計(jì)目標(biāo)，SKY-GUI結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SKY-GUI的整體架構(gòu)

它主要由輸入抽象層、顯示抽象層、事件系統(tǒng)和窗口系統(tǒng)四大部分組成。輸入抽象層管理所有的輸入設(shè)備，將用戶的操作轉(zhuǎn)化成消息送入事件系統(tǒng)。

顯示抽象層操作顯示設(shè)備，提供給窗口系統(tǒng)繪畫(huà)、貼圖、顯示字體接口。事件系統(tǒng)為窗口系統(tǒng)提供消息獲取、存儲(chǔ)和處理的機(jī)制。窗口系統(tǒng)是SKY-GUI的核心，定義了各種控件和窗口，描述它們之間的邏輯關(guān)系和消息循環(huán)關(guān)系。下面將分別對(duì)這四大組成部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2 SKY-GUI模塊設(shè)計(jì)

2. 1輸入抽象層

輸入抽象層為各種輸入設(shè)備對(duì)事件系統(tǒng)的輸入接口，它是一個(gè)單獨(dú)的線程，其流程如圖2所示。

圖2輸入抽象層流程。

輸入抽象層首先對(duì)GUI所需的各種輸入設(shè)備初始化，而后等待各個(gè)設(shè)備的輸入。當(dāng)接到設(shè)備輸入，就把用戶對(duì)設(shè)備的操作翻譯成消息，送至事件系統(tǒng)最底層消息隊(duì)列(在異2. 3. 2詳細(xì)討論)中。

設(shè)備輸入的翻譯過(guò)程根據(jù)具體的輸入設(shè)備而定。對(duì)于鍵盤(pán)，只要將其鍵值和該鍵的狀態(tài)封成消息。對(duì)于鼠標(biāo)，除了要記錄其按鍵狀態(tài)，還要根據(jù)鼠標(biāo)當(dāng)前的位置和屏幕的大小將輸入的位移分量轉(zhuǎn)化成鼠標(biāo)的新位置封入消息。

2. 2顯示抽象層

顯示抽象層的作用是為窗口系統(tǒng)提供顯示接口函數(shù)，包括基本圖形接口(畫(huà)點(diǎn)、畫(huà)線、填充矩形、區(qū)域拷貝、Alpha混合等)、貼圖接口和字體接口三大功能，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3顯示抽象層的結(jié)構(gòu)。

顯示抽象層在嵌入式Linux下的基礎(chǔ)設(shè)備為幀緩沖，對(duì)其按坐標(biāo)寫(xiě)入或讀出顏色值即可實(shí)現(xiàn)基本的圖形接口的功能。

簡(jiǎn)單的貼圖功能用基本圖形接口加bmp格式的文件(圖片不經(jīng)過(guò)壓縮，其顏色分量按坐標(biāo)順序存儲(chǔ))就可以實(shí)現(xiàn)。為了讓界面更加美觀，SKY-GUI移植了開(kāi)源的jpeg庫(kù)和png庫(kù)來(lái)解壓相應(yīng)格式的壓縮圖片文件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這兩種圖片格式的支持。

對(duì)字體的支持當(dāng)然必不可少。點(diǎn)陣字體把字體的位圖按12伊12、16伊16等格式存入二進(jìn)制文件，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)字體接口，但字體不能隨意放大縮小，且放大后字體有明顯的鋸齒。矢量字體用數(shù)學(xué)方程加字形上的關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)描述字體，可以進(jìn)行無(wú)級(jí)縮放，為界面的繪制帶來(lái)極大的靈活性。SKY-GUI移植了開(kāi)源的Freetype庫(kù)，用其尋址矢量字體文件并生成字體位圖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)矢量字體的支持。

2. 3事件系統(tǒng)

事件系統(tǒng)為SKY-GUI的其他三大部分提供消息發(fā)送、存儲(chǔ)、獲取和處理的功能。其核心為消息、消息隊(duì)列和消息處理函數(shù)。

2. 3. 1消息定義

SKY-GUI的消息定義為：

typedef STruct __MSG {

HWND hWnd;搖/ /窗口指針

int event;搖/ /事件編號(hào)

void* wParam;搖/ /事件附加參數(shù)1

void* lParam;搖/ /事件附加參數(shù)2

} MSG;

hWnd為指向窗口的指針，表明此消息需要發(fā)給哪個(gè)窗口。event為事件編號(hào)，用不同的整數(shù)代表不同的事件。wParam和lParam為事件的附加參數(shù)，它們的含義根據(jù)事件類型的不同而定，例如，在鼠標(biāo)消息中這兩個(gè)參數(shù)就代表光標(biāo)在屏幕上的坐標(biāo)位置。

2. 3. 2消息隊(duì)列

消息隊(duì)列是事件系統(tǒng)中的消息的暫存處，它由一個(gè)環(huán)形先入先出結(jié)構(gòu)的消息數(shù)組和一個(gè)消息鏈表組成。消息數(shù)組的空間是固定的，一旦被寫(xiě)滿，后來(lái)的消息只好被丟棄;而消息鏈表則可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)充大小。在SKY-GUI中，消息數(shù)組主要用來(lái)存放底層輸入設(shè)備的事件(如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、時(shí)鐘等等)，而消息鏈表主要用來(lái)存放優(yōu)先級(jí)更高且不可丟棄的上層事件(窗口事件和顯示事件)。

2. 3. 3消息操作接口

SKY-GUI定義了三類消息操作接口：消息發(fā)送函數(shù)、消息獲取函數(shù)和事件處理函數(shù)。

消息發(fā)送函數(shù)為輸入抽象層和窗口系統(tǒng)提供消息發(fā)送接口，包括Post_Msg函數(shù)和Send_Msg函數(shù)，其作用都是向消息隊(duì)列發(fā)送消息，不同之處在于Post_Msg發(fā)送的消息存入消息隊(duì)列的數(shù)組之中，而Send_Msg發(fā)送的消息則存入鏈表之中。

消息獲取函數(shù)為Get_Msg函數(shù)，它為窗口提供取得消息的接口。擁有獨(dú)立線程的窗口(異2. 4會(huì)描述其結(jié)構(gòu))調(diào)用它從消息隊(duì)列中取得一個(gè)消息，其中存在鏈表中的消息更為重要，優(yōu)先取出。

事件處理函數(shù)是窗口處理消息事件的函數(shù)接口，在SKY-GUI中，擁有獨(dú)立線程的窗口調(diào)用Dispatch_Msg函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)自己消息處理函數(shù)的調(diào)用。

2. 3. 4消息處理函數(shù)

Dispatch_Msg只是事件處理的調(diào)用接口，窗口收到消息后所采取的具體措施是由消息處理函數(shù)決定的，其定義為：

int WndProc(HWND hwnd， int event， void *wParam，void* lParam);

每一個(gè)窗口都有一個(gè)函數(shù)指針指向自己的消息處理函數(shù)，其功能根據(jù)不同的窗口有所不同，但總體結(jié)構(gòu)是一樣的，如圖4所示。

圖4消息處理函數(shù)的結(jié)構(gòu)

其本質(zhì)上是一個(gè)消息處理的分類列表。當(dāng)窗口調(diào)用消息處理函數(shù)時(shí)，其根據(jù)消息類型的不同分別調(diào)用底層輸入消息、控件消息或顯示消息的處理函數(shù)，而后再根據(jù)具體的消息事件調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種事件的響應(yīng)。

2. 4窗口系統(tǒng)

窗口系統(tǒng)為SKY-GUI系統(tǒng)的核心，它維護(hù)了一個(gè)完整的窗口列表，定義了窗口系統(tǒng)和事件系統(tǒng)之間的關(guān)系，并制定了窗口之間的消息傳遞機(jī)制。