基于MiniGUI的多进程图形用户界面的研究

0引言

嵌入式图形用户界面（Graphic User Interface）是嵌入式产品设计和开发的重点，随着嵌入式产品的广泛应用，所实现的功能也日益强大和复杂，因此对嵌入式产品的GUI在功能、易用性、稳定性等方面提出了更高的要求。目前的嵌入式GUI多是基于线程实现，在稳定性和功能上具有一定的局限性，所以开发多进程的GUI具有重要意义。

1多进程图形用户界面分析

1.1   多进程图形用户界面的优势

MiniGUI是由飞漫开发的基于事件驱动的图形用户界面支持系统，采用微C/S机制和分层设计模型，利用Unix域套接字实现客户应用程序和服务器程序之间的交互。早期的MiniGUI采用基于POSIX线程进行消息传递和窗口管理的机制，这种实现能够提供最大程度的数据共享，实现多窗口系统，但是也造成体系结构上的脆弱，所有的窗口在一个进程或者地址空间中运行，一旦某个线程因为非法的数据访问而导致崩溃或终止运行，整个图形用户界面系统都将受到影响。

在Linux系统中，任务是以进程为单位实现的。进程主要提供两类虚拟化资源：虚拟地址空间和虚拟CPU。前者保证了进程在分配和管理内存时就像机器上只有这一个进程。类似的，虚拟CPU也使进程看上去独占了CPU。 Linux系统为进程提供了安全的运行环境，保证每个进程的独立性，一个进程的崩溃不会危及其他进程。因此在多进程模式下，能够同时运行多个客户进程，如果某个进程不正常终止，其他的进程不会受到影响，因此实现多进程GUI将极大的提高系统的稳定性。

1.2 进程间通信方式的选择

基于多进程的GUI能够实现多个界面窗口的并发运行，通过进程间通信（IPC）实现窗口切换。进程间通信有多种形式，如管道、信号、共享内存等。

共享内存是由内核出于在多个进程间交互信息的目的而保留的一块内存空间，多个进程共享该内存空间，如果一个进程更新了其中的数据，其他的进程会立即看到更新，而且共享内存也是速度最快的进程间通讯机制。因此共享内存作为进程间的通信方式对于多窗口GUI系统的编程实现非常合适。

1.3 基于微C/S机制的多进程模型

对于在微C/S机制上运行的GUI系统，在运行过程中只能有一个服务器程序，其余的应用程序均为客户程序。各客户应用程序分别运行于各自不同的进程空间中，并且根据需要在应用程序之间通过进程间通信进行数据交换，完成窗口切换等过程。

MiniGUI为了实现客户端和服务器端之间的通信，定义了一种简单方便的请求/响应结构：客户程序通过制定的结构将请求发送到服务器，服务器处理请求并应答。在图形界面运行后，服务器程序完成Server端连接初始化（ServerStart()），建立服务器端连接套接字Socket，其文件描述符为listenfd，进入到侦听客户连接请求状态，用一个Idlehandler4Server句柄等待接收客户端的连接请求消息，在接受到来自于客户端的连接请求消息后进行处理，将客户应用程序加入到当前活动列表，并将客户端套接字文件描述符clifd加入到侦听文件集合中。客户端程序在完成连接初始化后(cli_conn())建立客户端套接字Socket，并发送连接请求消息给Server程序，之后采用句柄 IdelHandler4Client侦听服务器的返回消息。此后服务器程序进入一个消息循环过程，在此循环过程中继续准备接收已连接的客户程序的其他消息、新的客户程序连接请求消息以及由系统产生的鼠标、键盘事件消息等，并在事件消息处理完成后用函数Send2Client将需要的消息发送到相应的客户端应用程序。此后客户端应用程序从套接字读取由服务器程序处理后返回的消息，并把消息写到当前进程的桌面队列中，交由本进程消息循环进行分发和处理。在获得消息处理结果后用cli_quest()向服务器端发送数据请求，服务器端接收数据请求后交由handle_request按照请求功能号的不同调用不同的服务例程进行处理，完成后发送一个{HWND_INVALID,0}消息和应答数据，客户端接收服务器应答消息，至此完成一个基本的消息循环通信过程。

基于以上的分析， MiniGUI下的基于微C/S机制的多进程GUI通信模型如图1所示：

相比传统的嵌入式图形界面开发，多进程图形用户界面系统在编程实现上有较大的复杂性。图形用户界面必须实现对窗口、层、异步事件、光标或者加上触摸屏的管理，MiniGUI本身的消息机制的管理与内核系统的其他机制之间的配合等。

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2图形用户界面的开发重点

2.1 图形用户界面的窗口管理

MiniGUI提供了丰富的图形构件，如窗口、对话框、控件等，能够实现各种应用功能。MiniGUI本身是基于事件驱动的图形用户界系统，所谓事件是指当用户进行窗口操作时，如移动鼠标、单击鼠标、进行键盘输入的功能，这些动作会触发一个相应的“事件”，并由支持系统收集，以特定方式翻译为消息。应用程序一般包含自己的消息队列，以接受系统消息并建立循环，这样的循环称为消息循环。消息一般由代表消息类型的数和附加参数构成。

多窗口系统在屏幕上要同时显示多个应用程序窗口，程序窗口之间会有相互重叠关系。所以GUI系统运行后首先要创建一个根窗口，此窗口在系统启动时由启动脚本运行，是所有其他窗口的依附窗口。其他子窗口由用户在根窗口内点击相应图标产生，并且在子窗口内可以继续派生出自己的下一级子窗口，每个子窗口拥有一个窗口ID号，以标示与上级窗口的派生关系，据此便可以追溯到根窗口，而不至于产生窗口管理的混乱。窗口之间的可以为同级或者上下级派生关系。相互间的逻辑结构如图2所示：

2.2 多任务优先级分配

由于嵌入式设备在硬件资源上的局限性，GUI系统对新的任务请求进行运行优先级的分配和管理，以避免低运行级任务造成系统资源的浪费。GUI系统优先运行级别较高的任务，对新产生的任务按照预定方式分配相应的运行级别，并与当前运行的任务级别进行比较，如果新任务是最高运行级别的任务，则挂起其他任务直到新任务处理结束；如果是相同运行级别的任务则把新任务加入到运行队列的队尾，由内核分配CPU时间片和内存资源，与其他的任务一起进行多任务的并发处理；如果新任务运行级别最低则将被放入到系统等待队列中，直到其他任务处理完成再处理新任务。判断流程如图3示：

图3运行级别判断流程图

3嵌入式开发环境构建

完整的嵌入式开发环境由嵌入式目标板和宿主机构成，两者通过网线、计算机串口和JTAG连接。用户程序在宿主机平台上进行开发，交叉编译过的程序烧写到开发板中的Flash芯片中。

3.1宿主机

宿主机安装Redhat9.0操作系统、MiniGUI开发环境和开发工具集。工具集包括交叉编译器gcc、调试器gdb、C函数库glibc和二进制工具集binutils。

3.2 目标板

1）引导程序（Boot Loader）

是系统复位后执行的一段代码，首先完成系统硬件的初始化，包括时钟设置、存储区影射等，然后跳转到操作系统内核的入口，将系统控制权交给操作系统。 Boot Loader独立于操作系统而高度依赖系统硬件，必须自行设计。本文采用vivi作为系统的引导程序。其启动分为两个阶段：第一阶段代码采用汇编语言编写，主要进行与CPU以及存储设备密切相关的工作，并进行初始化；第二阶段采用C语言编写，来实现一般的流程及对板级的一些驱动支持。

2）Linux内核

一般的嵌入式操作系统如uClinux、uC/OS-II通常运行在没有MMU的CPU上，因此在进程编程时具有较大的困难度，所以选择具有完整 Unix特性的Linux作为操作系统。开发板采用打过补丁的Linux-2.4.18-rmk7的内核，内核和补丁可以从ARM的官方网站上下载。在配置内核时去掉无关的功能以减少内核大小，如SCSI、IrDA、手柄等。

3）根文件系统

嵌入式根文件系统（root filesystem）是嵌入式Linux系统的核心部分 ，包含系统使用的软件和库，以及所有用来为用户提供支持架构和用户使用的应用软件，并作为存储区读写结果的区域。

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4多进程GUI的实现

基于以上分析，本图形用户界面系统采用微C/S机制，用共享内存的进程间通信机制实现数据交换，通过套接字实现客户程序与服务器程序通信。服务器程序实现窗口结构队列管理，获取系统产生的鼠标和键盘消息并进行分发。客户进程从IPC消息队列获取发往自己的消息，并通过共享内存实现窗口剪切。

经过交叉编译的可执行图形应用程序可以通过NFS下载到开发板，然后通过串口调试工具进行远程调试。在应用程序调试完成后将裁减后的MiniGUI 的函数库、配置文件放到为开发板准备的根文件系统中，并把主界面的可执行文件加入到文件系统的启动脚本，用重新得到的根文件系统生成镜像文件，然后烧写到开发板Flash上，在开发板启动后即可以进入到图形界面。该系统在嵌入式开发平台上能够实现多窗口运行，并且在调用产生高任务级别的任务时能够顺利实现任务挂起功能。

5结束语

目前嵌入式产品的在功能实现上日益复杂化，简单的图形用户界面系统已经很难满足用户的实际需要，比如将来的智能手机将融入电子地图、定位导航系统、 PDA、电子字典、多媒体播放等多功能，单一的窗口操作界面显然不符合用户要求。基于多进程的GUI系统能够实现多任务、支持多窗口，并且具有良好的系统稳定性，因此必然是嵌入式产品开发的一个重点，也是未来嵌入式图形用户界面的发展方向。

参考文献

[1] 周立功等. ARM嵌入式MiniGUI初步与应用开发范例[M].北京：北京航空航天大学出版社, 2006。

[2] David Mosberger, Stephane Eranian，IA-64 Linux Kernel Design and Implementation[M]。Prince Hall, Jan 30, 2002

[3] MiniGUI编程指南 V2.0 [Z]。http://www.minigui.com

[4] MiniGUI API Reference Manual for V1.3 [Z]. http://www.minigui.com

[5] 郑桦，刘清，邢航，徐智穹。构造嵌入式Linux的文件系统[J]。微计算机信息，2004,20(8)：49~50