基于嵌入式linux系统的GUI方案设计

嵌入式linux操作系统的快速发展，迫切需求一种简洁的人机交互界面，为此，本文介绍了如何在FrameBuffer基础上设计自己的嵌入式GUI的简单方法。

1 显示原理

1.1 颜色表示

颜色是所有绘图操作的基础。16位的LCD屏一般需要2个字节来表示。16位RGB格式一般可分为RGB565与RGB5551两种格式。其中RGB565格式如表1所列，而其RGB5551格式如表2所列。表中的R为红色分量，G为绿色分量，B为蓝色分量。



由于颜色采用的是RGB565规则。因此。基本颜色，即红色、绿色、蓝色按照RGB565规则可分别为0xf800、0x07e0、Ox001f。由此可见，如果用十六进制直接表示颜色会非常不便。目前，普遍为软件工程师所接受的颜色表示方式为24位的RGB，其中R、G、B三个分量各占用一个字节，范围是0～255。因此，应该为MIS软件系统提供一个从24位RGB转化为16RGB的接口。该接口用宏来实现的具体方式如下：

#define RGB(r,g,b)  (((r>>3)<<11)∣((g>>2)<<5)∣(b>>3))

1.2 画点操作

图形设备接口的最基本操作为画点，任何其它绘图函数都是基于画点来完成的。其原理是以屏的左上角第一个像素点为(0，0)点，向右为x轴，向下为y轴建立坐标系，只要提供某点的横坐标x，纵坐标y和颜色值，就可以通过一定的算法找到(x，y)所表示的地址，然后将该地址上的2个字节替换为指定的颜色值。例如有一块640×480×16的LCD，像素的首地址为0x40000000，那么，其中的第2行、第3列的像素位置如图1所示。



如果要把第2行、第3列的像素由原来的白色(0xfff)变为黑色(0x0000)。那么，就可以根据下面的寻址方式找到地址：

最终地址=首地址+y×2×屏的宽度+x×2

其中，首地址表示第1行第1列像素所对应的地址。由上式，该点的地址=0x40000000+2×2×0x280+3×2=0x40000A06。那么0x40000A06地址对应的数据应为十六位颜色的低字节部分，而0x40000A07地址对应的数据应为十六位颜色的高字节部分。

例如，画点函数可用下面的代码来实现：



其中m_pScreen_Addr是屏的首地址，m_nSereen_Width和m_nScreen_Height则分别为屏宽和屏高。这样，就可以在画点的基础上根据Bresenham算法延伸出各种各样的基本绘图操作来，比如画直线、画矩形和画圆等。

2 FrameBuffer接口

FrameBuffer是出现在2.2.xx内核当中的一种驱动程序接口。Linux抽象出FrameBuffer这个设备可供用户态进程实现直接写屏。FrameBuffer机制模仿显卡的功能是将显卡硬件结构抽象掉，然后通过FrameBuffer的读写直接对显存进行操作。用户可以将FrameBuffer看成是显示内存的一个映像。在将其映射到进程地址空间之后，就可以直接进行读写操作，而且写操作还可以立即反映在屏幕上。这种操作是抽象的、统一的。用户不必关心物理显存的位置和换页机制等具体细节，而这些都可由FrameBuffer设备驱动来完成。

Linux采用虚拟内存技术，系统中的所有进程之间以虚拟方式共享内存。对每个进程来说，它们好像都可以访问整个系统的所有物理内存。更重要的是，即使单独一个进程，它拥有的地址空间也可以远远大于系统物理内存。在地址空间中，进程有权访问虚拟内存地址区间(比如08048000～0804c000)。这些可被访问的合法地址区间叫做内存区域(memory area)。通过内核，进程可以给自己的地址空间动态地添加或减少内存区域，而进程只能访问有效范围内的内存地址。每个内存区域也具有相应进程必须遵循的特定访问属性，如只读、只写、可执行等属性。如果一个进程访问了不在有效范围中的地址，或以不正确的方式访问了有效地址，那么，内核将会终止该进程，并返回“段错误”信息。

在应用程序中，一般将FrameBuffer设备映射到进程地址空间，比如下面的程序就可打开／dev／ib0设备，并通过mmap系统调用来进行地址映射，随后用memset将屏幕清空。Struct fb_var_screen-info记录了帧缓冲设备和指定显示模式的可修改信息，包括显示屏幕的分辨率、每个像素的比特数和一些时序变量。实现以上过程的函数代码如下：

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此外，FrameBuffer设备还提供了若干ioctl命令，通过这些命令可以获得显示设备的一些固定信息(比如显示内存大小)以及与显示模式相关的可变信息(比如分辨率、象素结构、扫描线的字节宽度)，同时可获得伪彩色模式下的调色板信息等。

3 GUI系统的自主开发

嵌入式GUI的总体设计思想是把所有操作都由对象和消息驱动，通过对现有GUI的分析来对多种嵌入式应用系统根据GUI的要求进行总结，然后抽象出各种组件类。嵌入式GUI的所有组件和数据都被设计成对象，组件对象通过消息来通信。嵌入式GUI在消息驱动下可形成整体并构成系统。其整体框架和体系结构如图2所示。



系统中的所有消息节点将构成空闲队列和消息队列，其中消息队列存放当前EGUI系统中没有处理的消息。消息队列由消息管理器进行操作和管理。图2中的输入设备抽象层、操作系统抽象层和组件对象集合都是消息发生器，它们都会产生EGUI消息。调用消息管理器的操作可将生成的消息放入到消息队列中。消息管理器用于管理消息队列和空闲队列，当有消息产生时，消息管理器将执行消息入队PUSH ()操作，其处理过程是先从空闲队列中摘下一个节点，形成一个消息节点，再将它挂到消息队列的队尾。桌面对象管理器负责分发消息，它可通过调用消息管理器的出队操作POP()来取得待处理的消息，处理过程是将消息队列的第一个消息节点摘下，并取得该消息节点的信息，然后将该消息节点挂到空闲队列的队尾。桌面对象管理器取得消息后，将按照一定的策略对取得的消息进行分发，并让接收该消息的组件对象中的消息处理函数来处理该消息。分发消息时，如果消息指定了接收对象，则将消息路由到接收对象；而非键盘的系统消息。将被路由到桌面对象管理器的第一个子对象；对于用户定义的消息，系统会将其路由到指定的对象。而组件对象处理消息时，如果处理操作要改变屏幕数据，组件对象将调用绘图操作Draw重绘自己的外观。整个系统就是这样不断地产生消息、分发消息、处理消息，从而形成一个无限循环，同时驱动EGUI运行。

4 结束语

针对当前嵌入式GUI的特点，本文给出了可支持汉字显示、键盘输入的多线程嵌入式GUI系统的设计方法。该方法设计的系统采用窗口模式，而且便于操作，同时具有可视化界面、操作灵活、资源占用少等优点，并可支持JPG格式的图像文件。