基于跨平臺(tái)下的嵌入式GUI人機(jī)界面系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

摘 要:通過(guò)以移動(dòng)終端為例提出一種新的嵌入式GUI在各類系統(tǒng)平臺(tái)中的人機(jī)界面功能架構(gòu)、窗口管理、消息流程、圖形繪制操作、GUI目錄結(jié)構(gòu)的層次關(guān)系以及示例程序的編寫(xiě)方法，編譯連接等。通過(guò)分析GUI的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)面向?qū)ο蟮目缙脚_(tái)GUI框架，對(duì)于后繼移動(dòng)終端軟件應(yīng)用開(kāi)發(fā)建立了良好的開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:嵌入式GUI; 系統(tǒng)平臺(tái); 目錄結(jié)構(gòu); 移動(dòng)終端軟件

中圖分類號(hào):TN919; TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)14-0034-03

Research and Design of Embedded GUI Man-machine Interface System Based on Cross-platform

LIU Zhou-zhou， XIAO Jun

(Department of Electric Engineering， Xi’an Aero Technical College， Xi’an 710077， China)

Abstract: Taking the mobile terminal as an example， the human-machine interface function architecture， window management， message flow， graphics drawing operation， hierarchy relation of GUI directory structure， compilation method of sample program and compilation connections of a new embedded GUI in various system platforms are proposed. An object-oriented cross-platform GUI framework was designed by analyzing the characteristics of GUI. A good basis for the subsequent development of the mobile terminal software applications was established.

Keywords: embedded GUI; system platform; directory structure; mobile terminal software

0 引 言

隨著硬件條件的提高，移動(dòng)終端的嵌入式系統(tǒng)對(duì)輕量級(jí)GUI的需求會(huì)越來(lái)越迫切。用戶界面是指計(jì)算機(jī)與其使用者之間的對(duì)話接口，它為用戶提供與應(yīng)用系統(tǒng)交互的可視化通道，同時(shí)為程序員提供了一種編程模式，即GUI負(fù)責(zé)系統(tǒng)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(duì)實(shí)際應(yīng)用的分析。GUI在移動(dòng)終端系統(tǒng)中扮演著很重要的角色，它運(yùn)行在操作系統(tǒng)抽象層(OSAL)之上，為應(yīng)用程序提供基于消息機(jī)制的圖形用戶界面編程接口。GUI與其他一些應(yīng)用引擎一起為實(shí)現(xiàn)豐富的移動(dòng)終端應(yīng)用而提供支持，從而將應(yīng)用程序的計(jì)算部分與界面分離開(kāi)來(lái)，這樣就充分保證了根據(jù)不同需求快速定制出功能強(qiáng)大、界面豐富的應(yīng)用程序界面[1]。

GUI是一種以圖形化為基礎(chǔ)的用戶界面，使用統(tǒng)一的圖形操作系統(tǒng)，如可移動(dòng)的視窗、選項(xiàng)與鼠標(biāo)，作為用戶與操作系統(tǒng)之間的中介。GUI最重要的優(yōu)勢(shì)在于使用戶擺脫了在命令行提示符下與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互的方式，用戶可以僅通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊來(lái)實(shí)現(xiàn)熟悉程序的操作，而且由于圖表、對(duì)話框等的引入，使得操作直觀形象。GUI已成為一種用戶與計(jì)算機(jī)交互的標(biāo)準(zhǔn)[2]。其內(nèi)核來(lái)源于Micro Window，是具有圖形用戶界面支持的開(kāi)源嵌入式系統(tǒng)軟件，具備類似WIN32標(biāo)準(zhǔn)的消息循環(huán)和窗口管理機(jī)制，提供和WIN32 SDK一樣的API接口。方便跨平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和移植。 主要功能包括窗口管理、消息派發(fā)、控件、輸入法、圖形設(shè)備接口(GDI);擴(kuò)展的功能和服務(wù)包括圖形編解碼、ALARM管理、數(shù)據(jù)庫(kù)、注冊(cè)表等[3]。

1 GUI和操作系統(tǒng)的功能架構(gòu)

GUI對(duì)上層(應(yīng)用程序)提供了基于事件或消息驅(qū)動(dòng)的圖形界面處理機(jī)制;它依賴于底層的操作系統(tǒng)，但是不限于某一類操作系統(tǒng)[4]。功能架構(gòu)如圖1所示。

應(yīng)用程序一般都有自己的消息循環(huán):

While(GetMessage(…))

{

TranslateMessage(…);

DispatchMessage(…);

}

其中，GetMessage()得到本先線程的消息。如果沒(méi)有消息則檢查有沒(méi)有窗口需要重繪;如有則直接給相應(yīng)的窗口發(fā)WM PAINT消息;如果還沒(méi)有，就會(huì)掛起本線程。TranslateMessage():如果當(dāng)前的消息是WM KEYDOWN，則根據(jù)鍵值轉(zhuǎn)換中相應(yīng)的WM CHAR消息。DispatchMessage():將消息派發(fā)到指定的窗口。如果這個(gè)消息沒(méi)有指定目標(biāo)窗口則這個(gè)消息丟掉，因此，對(duì)于給線程發(fā)送的消息(未指定窗口)，用戶必須在此截獲并由用戶自己派發(fā)。

圖1 GUI系統(tǒng)架構(gòu)圖

窗口的管理需要每一個(gè)窗口有3個(gè)基本的鏈:子窗口→children;父窗口→parent;兄弟窗口→sibling;其中，rootwp窗口是GUI初始化時(shí)創(chuàng)建的根窗口。根窗口的子窗口一般是POPU窗口或沒(méi)有Child 屬性的OVERLAPPEDWINDOW;每個(gè)AP或線程可以有多個(gè)這樣的窗口。創(chuàng)建窗口前，必須注冊(cè)窗口類;窗口類是一種具有相同屬性或動(dòng)作的窗口的集合，相當(dāng)于某一類窗口的模板，這類窗口具有相同的窗口過(guò)程、窗口背景、基本風(fēng)格等，屬于同一個(gè)線程(WIN32是實(shí)例)。所有的窗口都是某一窗口類的一個(gè)實(shí)例。窗口類以名字作為ID，但是不同的進(jìn)程可以擁有相同名字的窗口類[5]。

消息的傳遞機(jī)制需要在GUI初始化時(shí)創(chuàng)建一個(gè)優(yōu)先級(jí)別很高的后臺(tái)服務(wù)線程，專門從事消息獲取與派發(fā)。沒(méi)有任何消息時(shí)，該線程掛起。一旦驅(qū)動(dòng)層有任何消息觸發(fā)，都將恢復(fù)該線程，進(jìn)入驅(qū)動(dòng)消息查詢。然后將查詢到的消息經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，或者轉(zhuǎn)發(fā)到桌面，或者直接發(fā)送給指定窗口。以筆點(diǎn)點(diǎn)擊為例:Micro Window將筆點(diǎn)消息解釋為鼠標(biāo)消息，對(duì)應(yīng)鼠標(biāo)的左鍵。產(chǎn)生的消息有:WM MOVE，WM LBUTTONDOWN，WM LBUTTONUP，WM LBUTTONDBCLK，WM NCLBUTTONDOWN，WM NCLBUTTONUP，WM LBUTTONDBCLK等。筆點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生Touchpannel 中斷，經(jīng)過(guò)Driver層處理后，將喚醒GUI后臺(tái)線程，后者從Driver層獲取筆點(diǎn)的消息和坐標(biāo);結(jié)合上一次的筆點(diǎn)座標(biāo)信息，生成一定的鼠標(biāo)消息;根據(jù)坐標(biāo)，在窗口鏈中查找筆點(diǎn)所在的窗口;如果有捕獲窗口，直接發(fā)給此窗口。如果是系統(tǒng)消息，則直接發(fā)給桌面。如充電、插入U(xiǎn)SB等消息。

絕大多數(shù)的圖形設(shè)備接口(GDI)函數(shù)都是基于DC的。DC是一種圖形設(shè)備上下文環(huán)境。它集成了當(dāng)前繪制操作的所有信息，包括輸出的屏幕設(shè)備、字體、筆的屬性、光柵特點(diǎn)等[6]。在繪制操作之前必須得到設(shè)備上下文。而且在得到DC的期間，不能阻塞。否則容易造成死鎖。獲取DC的方式有3種:

(1) GetDC:獲取客戶區(qū)DC，限于在客戶區(qū)的繪制操作;

(2) GetWindowDC:獲取屏幕DC，可以在客戶區(qū)和標(biāo)題區(qū)繪制操作;

(3) BeginPaint:獲取客戶區(qū)DC，限于且推薦在WM PAINT消息中調(diào)用。

MicroWindow不保存用戶區(qū)的繪制內(nèi)容，需要更新時(shí)，只會(huì)發(fā)送WM PAINT消息;所以比較標(biāo)準(zhǔn)的做法是將圖形繪制操作全部放進(jìn)WM PAINT中去，采用BeginPaint獲取DC。

內(nèi)存設(shè)備上下文(MemoryDC)是一種虛擬的圖形設(shè)備上下文環(huán)境，也就是所謂的虛屏。有時(shí)為了避免屏幕閃爍感，把不連續(xù)的圖形內(nèi)容繪制到MemoryDC中，然后統(tǒng)一繪制到真正的屏幕設(shè)備上去;有助于提高畫(huà)面的連續(xù)性和完整性;下面是使用MemoryDC繪制位圖并疊加文字的例子:

case WM PAINT:

hdc=BeginPaint(hwnd，ps);

hMemDc=CreateCompatibleDC(hdc);

hBmp=LoadBmp(-1，IDB TESTBMP);

hOldBmp=SelectObject(hMenDc，hBmp);

TextOut(hMemDc，0，0，\"This is text on MemoryDC\"，-1);

BitBlt(hdc，0，0，100，100，hMemDc，0，0，SRCCOPY);

SelectObject (hMemDc，hOldBmp);

DeleteObject(hBmp);

DeleteDC(hMemDc);

EndPaint(hwnd，ps);

Break;

系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源采用VC的Resource標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，主要應(yīng)用在3類:系統(tǒng)資源、公共資源、應(yīng)用程序私有的資源。資源內(nèi)容包括位圖、ICON、String、對(duì)話框、BIN數(shù)據(jù)等。在VC中需要事先做好所需的資源，生成資源數(shù)據(jù).res和資源頭文件resource.h。在不同的平臺(tái)中，資源數(shù)據(jù)在物理介質(zhì)中的存放方式不同，但AP訪問(wèn)資源的方式可以相同。系統(tǒng)平臺(tái)同時(shí)還支持應(yīng)用程序顯式加載資源的方式。對(duì)話框提供了一種簡(jiǎn)化Window編碼工作的機(jī)會(huì)。也就是提供了一種創(chuàng)建多個(gè)窗口的模板，用戶可以填寫(xiě)對(duì)話框中的子窗口或控件的相關(guān)信息，或者從資源文件中裝載對(duì)話框，系統(tǒng)會(huì)提取其中的信息，為用戶一一創(chuàng)建相應(yīng)的窗口。它分為兩類:模態(tài)對(duì)話框和非模態(tài)對(duì)話框。差別在于模態(tài)對(duì)話框有自己的消息循環(huán)。

應(yīng)用程序的編譯和連接方式依賴于具體的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。就移動(dòng)終端而言，CPU若采用ARM7系列，編譯工具使用ADS，應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)集成在一起編譯。需要注意的是C文件采用thumb模式，而ASM文件采用的是ARM模式。而Linux平臺(tái)下應(yīng)用程序的編譯連接是獨(dú)立完成的，最終生成exe文件，然后在打包成pak文件下載到硬件板中[7]。

2 結(jié) 語(yǔ)

由于移動(dòng)終端的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而嵌入式GUI系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的軟件工程，因此研究和設(shè)計(jì)的GUI占用資源少、可配置，特別適用于移動(dòng)終端[8]。它給終端上層應(yīng)用提供了一個(gè)清晰的圖形界面。同時(shí)，在將它用于多種終端平臺(tái)時(shí)還需要盡可能考慮其可擴(kuò)展性、兼容性、可移植性等屬性。為后繼終端軟件應(yīng)用開(kāi)發(fā)建立了良好的開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)，性能優(yōu)越且易于移植，已經(jīng)成功應(yīng)用于Linux和Windows CE等嵌入式操作系統(tǒng)的無(wú)線 移動(dòng)多媒體終端項(xiàng)目中，效果理想。由于限于篇幅，不再贅述。

參考文獻(xiàn)

[1]BOLING Douglas.Microsoft Windows CE程序設(shè)計(jì)[ M] .北京:北京大學(xué)出版社，1999.

[2]蔡志明，盧傳富，李立夏.精通Qt4編程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[3]汪兵，李存斌.EVC高級(jí)編程及其應(yīng)用開(kāi)發(fā)(Embedded Visual C++嵌入式編程)[ M] .北京:中國(guó)水利水電出版社，2005.

[4]王繼剛.面向智能手機(jī)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[J].中興通訊技術(shù)，2005，16(4):97-99.

[5]彭濤.嵌入式操作系統(tǒng)移植技術(shù)研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2006.

[6]陳連坤.嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005.

[7]MARWEDEL P.Embedded system design[M].北京:科學(xué)出版社，2007.

[8]ALESSANDRO G D. Mircoprocessor design for embedded system[J].Journal of Systems Architectrue，1999，45(6):1139-1149.