基于嵌入式Qt的车载GUI平台的设计

1 引言
    随着经济社会的不断发展汽车已进入普通家庭，汽车用户对车载娱乐系统的要求不断地提高，希望汽车载娱乐系统的功能更加强大娱乐设施更加完美。嵌入式GUI(Graphical User Interface)可以满足用户需求，人机交互好，作为车载娱乐系统中人机交互界面的开发平台，对整个系统的设计起着决定性作用，越来越受到开发者的青睐。目前比较流行的GUI平台有Qt／Embedded、紧缩的X Windows系统、MicroWindows以及MiniGUI系统。
    X Window系统是一个基于客户／服务器(Client／Server)结构的视窗系统，基于X的终端(服务器)上显示出来。此系统配置在大多数的UNIX系统、DEC的VAX／VMS操作系统以及Linux系统中，可以自由拷贝以及传播，但是系统庞大，占用内核资源较多。MicroWindows是一个完全开放源码、分层设计的经典GUI系统，可以替代X Window系统，但是某些关键性代码使用了汇编语言。MiniGUI系统适应于中小型企业的嵌入式GUI平台，采用分层结构，并在核心层采用hash表的方式。本文采用的Qt／Embedded也是分层体系结构，在功能提供方面采用C++类方式。

2 嵌入式GUI的实现平台
    GUI是图形用户接口，一般用于PC机上人机交互界面的设计。而对于嵌入式GUI来说，由于嵌入式设备对资源的要求很严格，不同的嵌入式设备需要定制不同的嵌入式系统，那么对GUI的要求也就不一样，因此，对于不同的嵌入式系统来说GUI也必须是可定制的。对于嵌入式的硬件来说，要求定制的嵌入式GUI应具有轻型、占用资源少、性能高、可靠性高、可配置等特点。由于Linux操作系统具有源码公开性、可移植性、可裁剪性和灵活性等优点，所以嵌入式GUI的开发常在Linux环境下进行。
    Qt／Embedded是著名的Qt库开发商正在进行的面向嵌入式系统的Qt版本。它是专门为嵌入式系统设计图形用户界面的工具包，包括一个完整的窗口系统。它的特点是可移植性比较好，设计者能轻易的加入各种显示设备和硬件输入设备，很多基于Qt的XWindow都可以非常方便的移植到嵌入式版本。
    Qt／Embedded为开发者提供了丰富的API调用功能，并公开源代码。Qt／Embedded提供了非常丰富的窗口小部件(Widgets)，并且还支持窗口部件的定制，因此它可以为用户提供漂亮的图形界面，但同时丰富的窗口对象也增大了软件的体积，所以，Qt／Embedded一般用于对运行环境不太苛刻的嵌入式设备中。

3 嵌入式Qt系统的特点
    Qt／Embedded移植了大量的原来基于Qt的XWindows程序，并提供了非常完整的嵌入式GUI解决方案，是一个成熟的GUI平台，具有如下特点：
    (1)Qt遵循GPL协议，开放主要的源代码，用户可以在GPL的规定下自由添加新特性。
    (2)与其他嵌入式GUI相比，嵌入式Qt不仅是一个完整的窗口系统，而且也是一个应用程序框架，这更有利于应用程序的开发。
    (3)Qt具有丰富的API，包括多达250个以上的C++类，支持诸如对图形、网络、数据库、I／O操作、各种控件和XMI等众多功能，可满足大多数嵌入式应用系统开发的需要。
    (4)Qt是一个GUI仿真工具包，它使用各自平台上的低级绘图函数仿真MS Windows和Motif(商用Llnix的标准GUI库)，因此程序运行速度快。
    (5)Qt良好的封装机制使得Qt的模块化程度非常高，可靠性好，易于程序开发。
    基于Qt的这些特点，在本车载嵌入式娱乐系统的开发过程中，本文采用了嵌入式Qt作为图形用户界面开发的GUl支持平台，有效提高了应用程序的开发速度。

4 基于嵌入式Qt的车载GUI的设计
4．1 基于嵌入式Qt的车载GUI的总体设计
    基于Linux的车载娱乐系统运行环境如表l所示，底层由Linux内核和驱动程序构成。该内核是经过裁减过的嵌入式Linux2．4，其中包括电源管理系统；驱动程序提供对各种接口硬件的支持；中间层是基于QT／Embedded的嵌入式Qt库。它精简和优化了各种图形操作，程序运行时无需额外系统的支持，可以有效减少内存消耗和CPU负担。QT／Embedded本身是可扩展的，并能不断地升级。开发人员可以根据自己所面对的嵌入式设备的实际需要，对其进行适当的裁减，经过裁减所得到的QT／Embedded可以大约节约800k到3MB的内存空间，这样也就意味着用Qt开发比用其他工具包开发相同的应用程序，在生成可执行文件后，代码所占用的内存空间要小。最顶层是整个车载娱乐应用系统，它是实现车载娱乐具体功能的应用集合。

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    基于嵌入式Qt的车载嵌入式娱乐系统软件，最大限度的满足了车载视听娱乐的要求。提供视频播放、音频播放等多媒体软件，个人信息管理软件，无线网络服务等。其系统架构如图l所示。

4．2 基于嵌入式Qt的窗口系统结构设计
    本文设计的上层GUI窗口系统采用了客户／服务器系统结构。该窗口系统包括：一个服务器进程、一个或者多个客户进程。服务器负责为客户和本身分配显示区域，生成鼠标、键盘或者触摸屏事件，它通常包含那些启动客户的用户界面。而客户则通过与服务器通信来申请显示区域，接受鼠标或触摸屏事件。客户可以直接访问所分配的显示区域，以便为用户提供GUI服务。服务器和客户通过共享内存的方式来传递所分配显示区域上的信息。窗口系统体系结构如图2所示。

    服务器(进程)维护着一组区域，当窗口被创建、移动、改变大小和破坏时，通过这组区域来改变每个客户的申请。该区域存放在共享内存中，在执行绘图操作时，客户可以从中读取信息；服务器连接着一些系统设备，如鼠标、键盘或者触摸屏，服务器负责将这些设备所产生的事件发送到适当的客户进程。服务器能够生成一个设备独立的鼠标或键盘事件，并将其发送到相应的客户进程。触笔设备通常没有鼠标光标，但是触笔操作能转化为设备独立的鼠标事件，然后由客户以标准事件进行处理。
    嵌入式Qt为客户(进程)提供API，当客户使用Qt API画线时，QT/Embedded库能直接访问显存，完成画线工作；在一些情况下嵌入式Qt客户库需要与服务器进程建立连接，如在客户进程启动时，发生了会影响到全局后果的操作而与服务器通信时。例如，当客户进行了拖放操作后，由于窗口覆盖而导致显示区域的变化，则从用户那里接收到鼠标和键盘事件时就需要建立这样的连接；嵌入式Qt客户库负责处理所有的绘画操作，包括文本显示和字体处理等。[!--empirenews.page--]
4．3 基于嵌入式Qt的事件响应设计
    在前述的客户／服务器系统结构中，每个键的按下、释放都以QWSKeyEvent事件发出。一个QWSKeyEvent事件通常包括以下各域：
    Unicode：Unicode值。
    Keycode：Qt键码值，定义在qnamespace．h头文件中。
    Modifier：位域， 包括Qt：：ShiftButton，Qt：：ControlButton和Qt：：AltButton。
    Is press：键按下时为真，释放时为假。
    Is auto repeat：键处于自动重复状态时为真。
    嵌入式Qt处理键事件的过程为：键盘驱动程序负责从设备中读取数据，并将键事件发送到服务器中。当服务器从键盘驱动程序接收到一个键事件时，它首先要经过一个事件过滤器，然后再将其发送至每个客户进程，最后由客户进程负责处理键事件，并将其发送到适当的窗口。具体流程如图3所示。

    这里，键事件未必都来自键盘设备，包括触摸屏，触笔都可以产生键事件。服务器在任何时候都可以调用函数QWSServer：：sendKeyEvent()产生键事件。根据这个特点，再结合事件过滤器的特性，便可构造出所需的输入服务器平台。
    在Qt中，一个事件通过调用QObject：：event()被发送到继承自QObject的对象。事件发送就是一个事件已经产生，由QEvent正好去表达，且QObject需要去回应。多数事件来自窗口系统类QWidget，如QMouseEvent，QkeyEvent事件。某些事件来自其他源头，如QTimerEvent，而某些来自应用程序，Qt会一视同仁的处理。
    事件过滤器在目标对象处理之前去处理事件。过滤器通过调用QObject：：eventFilter()实现，它可以接受或丢弃过滤，也可容许或拒绝进一步去处理事件。如果所有的事件过滤器允许进一步的处理事件，事件自己就被送达目标对象。本文在服务器进程中安排事件过滤器，接收键事件，经过处理后，将结果发送到客户进程。在客户进程中，处理键事件，并发送到适当的窗口中。

5 结语
    嵌入式Linux是目前流行的嵌入式系统解决方案，而嵌入式GUI是嵌入式Linux不可缺少的组成部分。本文通过分析、比较目前流行的几种嵌入式GUI，选择了嵌入式Qt作为研究对象并对其进行了深入讨论，在此基础上完成了基于嵌入式Qt的车载GUI的设计和实现，具有较高的经济价值，并可为其他嵌入式娱乐系统提供参考价值。