摘要： 圖形用戶界面(Graphic User Interface, 簡稱GUI)的廣泛流行是當今計算機技術(shù)的重大成就之一， 它極大地方便了非專業(yè)用戶的使用。本文簡要介紹當前國內(nèi)外幾種嵌入式GUI 系統(tǒng)的實現(xiàn)方式與特點。對基于Qt 的嵌入式GUI---Qt/Embedded的交叉開發(fā)平臺、窗口系統(tǒng)、圖形引擎的實現(xiàn)技術(shù)以及Qt 的核心特性---信號與槽機制進行了分析。最后給出了Qt/Embedded 應(yīng)用程序的移植過程， 移植過程采用交叉編譯， 系統(tǒng)界面直觀簡潔， 易于操作。

1 引言

圖形用戶界面系統(tǒng)(GUI)是系統(tǒng)級的底層軟件， 它可以和文件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)內(nèi)核等一起構(gòu)成一個完整的操作系統(tǒng)。GUI為用戶提供了與應(yīng)用系統(tǒng)交互的可視化通道， 同時GUI 為程序員提供了一種編程模式， 即GUI 負責系統(tǒng)的可視化界面的生成、管理以及系統(tǒng)與用戶之間的信息交互， 而程序員只需專注于對實際應(yīng)用的分析。

嵌入式GUI 除了以上特點， 還要求簡單、直觀、可靠、占用資源小且反應(yīng)快速， 以適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)硬件資源有限的條件。

另外， 由于嵌入式硬件本身的特殊性， 嵌入式GUI 應(yīng)具備高度可移植性和可裁剪性， 以適應(yīng)不同硬件平臺的需求。

2 國內(nèi)外幾種嵌入式GUI 系統(tǒng)實現(xiàn)方式與特點

為了適應(yīng)日益擴大的嵌入式Linux 市場的需求， 國內(nèi)外的相關(guān)研究機構(gòu)和開發(fā)商已經(jīng)或者正在開發(fā)一大批嵌入式圖形系統(tǒng)項目和原型產(chǎn)品。其中較為著名的開放源碼項目有Tiny X(小型的X 窗口系統(tǒng))、Microwindows、MiniGUI、Qt/Embedded 等。

Tiny X:是標準X- windows 在嵌入式系統(tǒng)的小巧實現(xiàn)， 作為一個圖形環(huán)境， X- window 是成功的， 但由于在體系接口上的原因， 限制了它對游戲、多媒體的支持能力。

Microwindows: 典型的基于Server/Clinent 體系結(jié)構(gòu)的GUI系統(tǒng)， 提供了相對完善的圖形功能和一些高級的特性， 如Alpha混合、三維支持等。該系統(tǒng)為了提高運行速度， 也改進了基于Socket 套接字的X 實現(xiàn)模式， 采用了基于消息機制的Server/Client 傳輸機制。

MiniGUI:由國內(nèi)自由軟件開發(fā)人員設(shè)計開發(fā)， 是一種面向嵌入式系統(tǒng)或者實時系統(tǒng)的圖形界面支持系統(tǒng)。MiniGUI 具有資源消耗小、速度快、效率高的特點， 但目前還不是很成熟， 主要表現(xiàn)在：體系結(jié)構(gòu)不完善， 自有圖形引擎的功能較弱， 控件的可定制性不好， 基于線程機制的系統(tǒng)脆弱性在復雜應(yīng)用中更為突出， 尤其是缺少一個方便的圖形開發(fā)環(huán)境。

Qt/Embedded: 縮寫為Qt/E, Qt 是Trolltech 公司的產(chǎn)品， 是一個多平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架， 它注重于給用戶提供精美的圖形用戶界面所需要的所有元素。而且它是基于一種面向?qū)ο蟮乃枷耄?所以用戶對其對象的擴展是相當容易的， 并且他還支持真正的組件編程。這也是本文將要重點介紹的內(nèi)容。

3 Qt /E 的介紹及開發(fā)環(huán)境的建立

3.1 Qt/E 體系結(jié)構(gòu)

3.1.1 交叉開發(fā)平臺

Qt 是用于本地化跨平臺應(yīng)用開發(fā)的領(lǐng)先性框架。Qt 所有平臺的API 是一致的。這就意味著在一種平臺上寫的應(yīng)用程序， 在新的平臺上經(jīng)過重新編譯和連接便能運行于該新平臺上。因此， 軟件開發(fā)者通過開發(fā)和維護一種平臺的應(yīng)用源碼來用于多種平臺的開發(fā)。同樣， 嵌入式Qt 也可以移植基于Qt 的軟件到嵌入式Linux 中。Qt 可提供的平臺， 如圖1:

Qt/Windows: 用于Microsoft Windows xp、2000、NT4、Me/98.

Qt 庫使用Windows 的GDI API 來實現(xiàn)， 并且使用微軟的窗口系統(tǒng); Qt/X11:包括Linux、HP- UX、Sun Solaris、Digital UNIX、SGI Irix、IBMAIX 等。Qt 庫使用X11 庫來實現(xiàn)， 并且使用X 窗口系統(tǒng); Qt/E:包括一個完整的窗口系統(tǒng)， 并允許設(shè)計者輕易地加入各種顯示設(shè)備和硬件輸入設(shè)備(如鼠標、鍵盤、觸摸屏等); Qt/Mac:

用于Mac OS X 平臺。Qt 對不同平臺的專門API 進行了封裝， 如文件處理、網(wǎng)絡(luò)(操作， 協(xié)議)、進程處理、線程、數(shù)據(jù)庫訪問等。

3.1.2 Qt/E 的窗口系統(tǒng)

Qt/E 的窗口系統(tǒng)采用一種客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)， 如圖2所示。一個典型的嵌入式Qt 窗口系統(tǒng)一般包括一個服務(wù)器進程、一個或多個客戶進程(簡稱服務(wù)器和客戶)。服務(wù)器負責為客戶和其本身分配顯示區(qū)域、生成鼠標和鍵盤事件。而客戶則通過與服務(wù)器通信來申請顯示區(qū)域， 接收鼠標和鍵盤事件?？蛻艨梢灾苯釉L問所分配的顯示區(qū)域， 以便為用戶提供GUI 服務(wù)。服務(wù)器和客戶通過共享內(nèi)存的方式來傳遞所有分配顯示區(qū)域上的信息。

服務(wù)器：服務(wù)器維護著一組區(qū)域， 當窗口被創(chuàng)建、移動、改變大小和破壞時， 通過這組區(qū)域來改變每個客戶的申請。該區(qū)域存放在共享內(nèi)存中， 在執(zhí)行繪圖操作時， 客戶可以從中讀取信息; 客戶：嵌入式Qt 為客戶提供的API 與標準的Qt API 是一致的。當Qt/E 客戶使用Qt API 畫線時， Qt/E 庫直接訪問顯存， 完成畫線工作。嵌入式Qt 客戶庫還負責處理所有的繪畫操作， 另外， 他還處理那些定制的窗口裝飾(如標題條等)。

3.1.3 Qt/E 圖形引擎的實現(xiàn)

Qt/E 的底層圖形引擎基于幀緩沖(frame buffer)。幀緩沖是標準顯示設(shè)備驅(qū)動接口， 使用MMAP 系統(tǒng)將幀緩存映射到應(yīng)用程序虛擬內(nèi)存空間， 這樣應(yīng)用程序可以訪問它。

幀緩沖驅(qū)動程序的實現(xiàn)分為兩個方面， 一方面是LCD 等相關(guān)硬件及緩存的初始化， 包括圖形在緩沖區(qū)的創(chuàng)建和設(shè)置DMA 通道; 另外一方面是對畫面緩沖區(qū)的讀寫， read、write 及l(fā)seek 等系統(tǒng)調(diào)用接口可以調(diào)用驅(qū)動程序的讀寫函數(shù)。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。

當設(shè)置DMA 通道和畫面緩沖區(qū)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， 這個過程基于DMA 對于LCD 的不斷刷新。幀緩沖驅(qū)動程序則將數(shù)據(jù)寫入幀緩存中， 這通過映射MMAP 來實現(xiàn)。

在Qt/E 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/E 圖形引擎的底層抽象， 其中許多函數(shù)是虛函數(shù)。當具體的顯示設(shè)備(如具體的幀緩沖設(shè)備和虛擬幀緩沖設(shè)備)從其派生類時， 這些派生類會繼承并重載基類中的虛函數(shù)來實現(xiàn)。

3.2 Qt 系統(tǒng)的信號與槽(Signal and Slot)機制

信號/槽是一種高級接口， 應(yīng)用于對象之間的通信， 是Qt 的核心特性， 也是Qt 區(qū)別于其他工具包的重要地方。信號/槽是Qt 自行定義的一種通信機制， 獨立與標準的C/C++語言， 因此要正確的處理信號和槽， 必須借助于一個稱為MOC(Meta ObjectCompiler)的Qt 工具， 該工具是一個C++預處理程序， 它為高層次的事件處理自動生成所需要的附加代碼。

Qt 中使用信號/槽機制替代原始回調(diào)和消息映射機制。當一個特定事件發(fā)生的時候， 一個信號被發(fā)射。Qt 的窗口部件有很多預定義的信號， 但是程序員總是可以通過繼承來加入自定義的信號。槽就是一個可以被調(diào)用處理特定信號的函數(shù)。Qt 的窗口部件有很多預定義的槽， 但是通常的習慣是加入程序員自己的槽， 這樣就可以處理自己所感興趣的信號。[!--empirenews.page--]

所有從QObject 或其子類派生的類都能夠包含信號和槽。

當對象改變其狀態(tài)時， 信號就由該對象發(fā)射出去， 這就是對象所要做的全部事情。它不知道另一端是誰在接收這個信號， 這就是真正的信息封裝， 它確保對象被當作一個真正的軟件組件來使用。槽用于接收信號， 但它們是普通的對象成員函數(shù)。

一個槽并不知道是否有任何信號與自己相連接。而且， 對象并不了解具體的通信機制， 這樣就可以相對容易地開發(fā)出代碼可高重用的類。

多個信號可以連接一個槽， 一個信號也可以連接多個槽，甚至一個信號與另外一個信號相連接也是可能的， 這時無論第一個信號什么時候發(fā)射系統(tǒng)都將立刻發(fā)射第二個信號， 如圖3所示?？傊?信號與槽構(gòu)造了一個強大的部件編程機制。

4 Qt /E 的移植

在PC 上基于Qt/X11 和qvfb 的應(yīng)用程序調(diào)試通過以后就可以將應(yīng)用程序軟件移植到目標平臺上， 但前提是要保證framebuffer、觸摸屏等驅(qū)動程序的正常運行。Qt/E 移植過程如下：

1) 交叉工具鏈的安裝。

本文選用的交叉工具鏈是arm- linux- gcc 系列。安裝包為：

cross- 2.95.3.tar.bz2 將其拷貝到某個目錄下， 依次執(zhí)行如下命令：

tar - jxvf cross- 2.95.3.tar.bz2這個工具鏈應(yīng)該安裝的路徑是：/usr/local/arm/2.95.3(或者可以通過查看GCC 版本號， 可以得到一些信息， 從版本信息中可以看到"- prefix=…… ", 這就是GCC 安裝的路徑， 它是在GCC編譯前通過prefix 選項配置的)。

￥ mkdir - p /usr/local/arm

￥mv ./2.95.3 /usr/local/arm

然后， 在環(huán)境變量PATH 中添加路徑， 就可以直接使用arm- linux- gcc 命令了。

￥export PATH=/usr/local/arm/2.95.3/bin:$PATH

2) 交叉編譯Qt/E 庫安裝完交叉工具鏈之后， 需要對Qt/E 軟件包進行交叉編譯。將Qt/E 的源代碼拷貝到另外一個目錄下， 依次執(zhí)行如下命令序列：

tar xfz qt- embedded- free- 3.2.1.tar.gz

cd qt- embedded- free- 3.2.1

export QTDIR=￥PWD

export QTEDIR=￥QTDIR

export PATH=￥QTDIR/bin:￥PATH

export LD_LIBRARY_PATH = ￥QTDIR/lib: ￥LD_LIBRARY_

PATH

export PATH=/usr/local/arm/2.95.3/bin:￥PATH

./configure - embedded arm - thread

Qt/E 的配置選項可以參考。/configure –help.其中比較關(guān)鍵的是- embeddded arm 表示配置為目標板為ARM 的嵌入式用途， 在編譯過程中會進行多級優(yōu)化以減小體積， 提高效率。

3) 交叉編譯Qt/E 應(yīng)用程序。

有了交叉工具鏈以及經(jīng)過交叉編譯的Qt/E 庫之后， 就可以將驅(qū)動程序或應(yīng)用程序進行編譯， 然后發(fā)布到ARM平臺上。

首先， 編寫項目工程文件。pro, 然后用qmake 工具生成Makefile 文件， 最后調(diào)用Make 指令編譯、鏈接即可。這個過程中， 在生成Makefile 文件之前， 需要修改環(huán)境變量使其指向交叉編譯后的Qt/E 庫所在目錄。最終生成ARM平臺目標代碼，即可在目標平臺上運行測試。

5 總結(jié)

嵌入式產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用帶動了圖形用戶界面(GUI)的迅速發(fā)展， 嵌入式系統(tǒng)需要一個高性能、高可靠的GUI 支持。Qt/E 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(yīng)用程序開發(fā)更加便捷。由于Qt/E 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)的主流GUI.

本文創(chuàng)新觀點： 本文首先比較當前流行的國內(nèi)外幾種嵌入式GUI 系統(tǒng)的實現(xiàn)方式與特點， 分析它們的優(yōu)缺點。著重介紹了基于Qt 的嵌入式GUI---Qt/Embedded, 并通過舉例來具體說明Qt/Embedded 應(yīng)用程序的移植過程。