基于GEF的MiniGUI可视化开发工具设计

1 概 述
    随着嵌入式系统的广泛应用，图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)在嵌入式系统中的地位也越来越重要。
    目前比较成熟的嵌入式GUI系统包括MicroWin-dows、Qt／Embedded、MiniGUI等。MicroWindows可移植性好，开发重点在底层的图形引擎，但窗口系统和图形接口方面的功能还比较欠缺。Qt／Embedded可移植性较好，基于Qt的X Window程序可以非常方便地移植到嵌入式系统，但对系统硬件要求较高，主要用于手持设备。MiniGUI最初是为了工业控制系统设计开发的，定制能力强，速度快，性能好，特别适合于实时性要求高的场合。由于受到嵌入式系统硬件资源的限制，对嵌入式系统GUI的基本要求包括：占用资源少、高性能、高可靠性、可配置。本文设计的可视化开发工具选择MiniGUI作为图形界面支持系统。
    MiniGUI是一款遵循LGPL条款的纯自由软件，是根据嵌入式系统应用特点量身定做的图形界面支持系统，得到了广泛应用。它提供了完备的多窗口机制和消息传递机制，以及对话框和常用的控件类，包括文本框、按钮、编辑框、列表框等；非常小巧，包含全部功能的库文件仅为300 KB左右。传统的MiniGUI程序开发是基于文本编辑器的，开发人员在程序源代码编写过程中无法预先看到窗口、控件的整体效果，缺乏一个可视化的开发环境。因此，本文设计了一个MiniGUI可视化开发工具，并使用Eclipse GEF(Graphical Editing Framework)实现。

2 可视化开发工具整体设计
2．1 功能需求
    可视化开发工具要提供界面布局设计功能，主要包括：界面上控件位置的摆放、属性的设置，为每个控件定义callback函数；菜单、状态条、位图编辑；响应界面编辑过程中发生的交互事件，比如drop／drag、undo／redo、move、de-lete、resize等；保存及解析呈现相应布局的功能；根据用户设计生成可运行的MiniGUI源代码。
2．2 整体结构
    可视化开发工具主要由界面设计工具和源代码生成工具两部分组成。整体结构如图1所示。

    界面设计工具：实现所见即所得的界面编辑器功能，可以根据需要改变和调整显示的内容和形式，这使得用户界面的制作非常方便。采用传统的面向对象设计方法来开发可视化界面，会遇到用户界面和底层的数据杂合、接口扩展导致的类膨胀等问题，因此界面设计工具使用MVC模式设计。用户通过界面设计工具的“控件设计”设置控件属性；“交互事件响应”用于响应界面编辑过程中发生的交互事件，完成控件属性的修改。这两部分对应MVC中的Control-ler。“控件类”保存控件的各种属性，对应Model。“控件显示”根据控件类的属性设置显示控件，对应View。XML文档则负责保存界面布局，控件类也能够根据XML解析文档内容得到自身属性。
    源代码生成工具：通过遍历所有控件类的属性，将图形用户界面布局按照运行平台要求(目前仅支持RTEMS)生成相应的MiniGUI源代码。
2．3 组织结构
    所有控件类通过树的形式来管理。树的顶层表示一个管理的工程，其下包括所有的对话框、菜单、状态条及位图资源，对话框的子节点是其上显示的所有控件，菜单包括弹出菜单和菜单项，状态条与对话框类似，树形结构如图2所示。由于XML文档会被Java解析成树形结构，解析界面布局的过程就是一个树的遍历过程。使用树形结构来组织控件类，能够让软件在逻辑上简单易懂，控件组织关系清晰明了，并且通过树的遍历可以保存界面布局及生成源代码。

    由于图形用户界面中许多元素具有共同属性，本文把这些元素的共有属性及方法抽象出来作为基类。主要使用2个基类：容器类Content和控件类Control。Content主要包括容器ID、文字属性及保存解析控件等方法；Control主要包括控件ID、位置大小、控件风格等属性，以及保存解析控件、生成源代码等方法。其中，对话框、菜单、状态条和位图继承自Content，如图3(a)所示；对话框控件继承自Control，如图3(b)所示。在生成源代码等操作时自顶向下遍历整个界面工程，可直接调用基类的方法，无需区分控件具体的类别。这样提高了代码的重用度，减少了冗余代码。

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3 系统实现
    GEF基于MVC框架，可以方便地实现drop／drag、undo／redo、move、delete、resize等图形编辑器的基本功能，并且提供了常用的布局器，非常适合用于开发所见即所得的界面编辑器。其中，GEF的EditPart对应MVC中的Controller，Figure对应View。
    本工具基于GEF开发，可以最大限度地减小开发工作量，增强软件的稳定性。同时，Java开发使得本工具可以在任何具有Java虚拟机的系统上运行，具有良好的跨平台性。
3．1 基于GEF实现的界面设计工具
    本工具提供对菜单、状态条、位图，以及对话框控件(包括CheckBox， ComboBox，PushButton， RadioButton，MonthCalendar，GridView，M1Edit，ProgressBar，Property-Sheet，Static，StaticBox，TreeView，TrackBar，SpinBox等)的编辑功能。对于控件的修改，可以通过属性页和在界面上直接操作来进行。属性页上的编辑通过IPropertySource接口的setPropertyValue方法告知Model，Model再通过PropertyChangeSupport类的firePropertyChange方法通知EditPart做出修改；来自界面上的变化被封装成request派发给EditPart，EditPart再通过command修改Model中的数据，Model在修改完数据之后告知EditPart有数据被修改；EditPart收到Property改变的通知后，根据修改数据类型做出相应操作(比如重绘figure等)。以对CheekBox的操作为例来说明基于GEF的控件处理流程，如图4所示。其中，操作A是从工具箱拖拽一个新的CheckBox到Dialog中；操作B是通过属性页修改CheckBox显示的文本(Text)；操作C直接通过选中CheckBox拖拽改变其大小。操作A1～A4、B1～B3、C1～C3为具体的执行流程。

3．2 图形显示问题
    在GEF中，每个视图只有在其父视图的有效范围内才能响应交互事件。如果直接按照MiniGUI的控件关系来组织模型，则界面设计工具不能很好地完成与用户的交互。
    以菜单为例，生成MiniGUI中菜单部分的代码仅需完成一棵树的遍历。这棵树的每个非叶节点都是一个弹出菜单，叶节点是普通的菜单项，根节点是一个虚节点，用于串连起整个菜单，如图5(a)所示。每个节点都被称作MenuItem。这种树形结构在GEF显示时根据Model创建的Figure如图5(b)所示，其中Figure11为Figure1的childFigure。在GEF中，只有childFigure被包含在parentFigure的有效范围内，对childFigure提出的请求才能被其parentFigure派发给childFigure对应的control-ler，并反映给Model，如图5(c)所示。显然树形结构无法满足修改菜单项的需求，因此，在MenuItem构成的树形结构基础上增加了由MeInu组成的链表结构，同时每个MenuItem都增加一个指向自己上一级MenuItem的Par-ent指针，如图5(d)所示。每个Menu(ij)记录包括的所有MenuItem(ij，k)，以及创建自己的Menultem(i，j)。MenuItem(ij，k)表示属于Menu(ij)的第k个MenuItem，Menu(ij)表示MenuItem(i，j)展开的下级Menu。所有的Menu组成一个链表，GEF显示的是这个链表的内容，而不是原来的MenuItem树。这样，每个MenuItem对应的Figure就可以包含在其parentFigure中，相应的controller也就能够收到界面上传来的请求。

    将MenuItem属性改变为PopUp，可以为其建立下级子Menu。新建函数的流程如下(参数是当前属性修改为PopUp的MenuItem)：

    为Menu新建一个MenuItem的函数：

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    MenuItem对应的Figure还应提供方法DimensiongetPreferredSize(int hint，int hint2)，用于获得MenuItem属性改变导致的Figure新的大小和位置。
    Menu的EditPart还应提供以下方法：
    ①重绘自己和下面所有的MenuItem及其下级的Menu。函数Rectangle CalcMenuSize(MenuEditPart)用于得到一个能够容纳下包括的所有MenuItem的矩形。

    ②递归地将要update的MenuEditPart的下级Menu中，当前可见的所有Menu及其对应的MenuItem变为不可见。

3．3 数据存储
    可扩展标记语言(Extensible Markup Language，XML)与其他格式的语言相比，具有以下优势：具有良好的扩展性，允许使用者创建和使用自己定义的标记来定义控件的类型和属性；树状存储结构和良好的自描述性，非常适合对界面元素进行描述；XML的灵活性提供了一种结构化的数据表示方式，使得用户界面分离于结构化数据。
    因此，界面设计工具将界面设计结果存储为XML格式。由于Java中提供了XML文档生成和解析的类，因而简化了编码工作量，增强了软件可靠性。
    示例如下：

    
    最外层的Project表示内层都是界面的布局，第2层Dialog表示其内层对应一个对话框布局，第3层由多个<XXCtrl>和<／XXCtrl>对构成(XXCtrl对应不同的控件名，比如buttonCtrl对应button控件)。每个XXCtrl代表一个控件，<XXCtrl>和<／XXCtrl>对里面是控件的属性。第2层也可由多个<Content>和<／Content>对构成，Content可为Dialog(对话框)、Menu(菜单)、Tool-Bar(状态条)、Icon(位图)，其内层根据Content不同而由不同的XXCtrl对构成。

4 实验结果
    可视化工具的运行界面如图6所示。左侧为工程管理区，可以看到当前工程建立的所有界面布局。中间部分的编辑区是一个打开的对话框布局，可在这里进行控件的drop／drag、undo／redo、move、delete、resize等操作。右侧是控件属性编辑区，用于修改控件属性(比如ID、文字风格、边框等)。

结 语
    本文设计了一个MiniGUI可视化开发工具，利用Eclipse GEF实现。用户使用本工具可以对图形用户界面进行可视化的设计及修改，同时可以扩充自己的控件、定义控件的属性，丰富界面的表现形式。实验表明，本工具在实际系统中运行良好稳定，有效地提高了图形用户界面的开发效率。