一種嵌入式圖形用戶界面系統的設計與實現*

潘寧喦，張 萌 ，王 超

(東南大學國家專用集成電路系統工程技術研究中心，南京210096)

嵌入式圖形用戶界面［1］(GUI，Graphic User Interface)系統作為嵌入式系統中的一大關鍵技術，為用戶提供設備的控制接口，其性能的好壞，界面的美觀程度，影響著用戶對產品的購買意愿和使用感受。

當前嵌入式系統中GUI 的實現方式主要有兩種:一是采用現有的GUI 庫;第二種是開發商基于嵌入式操作系統設計特有的GUI 系統。采用第1種方式一般要對通用GUI 庫進行剪裁和個性化定制，也往往要支出額外的成本來獲得軟件授權。相對而言，第2 種方法實現的GUI 占用資源較小、容易滿足嵌入式系統的實時性和個性化需求。

本文采用第2 種方式，在嵌入式Linux［2］下使用C 語言實現了一個界面美觀、輕量級、占用資源少、執行效率高的圖形用戶界面系統SKY－GUI。本文的結構如下:第1 部分介紹SKY－GUI 的基本結構;第2部分給出具體的模塊設計;第3 部分給出其實驗和測試結果;最后總結。

1 SKY－GUI 基本結構

SKY－GUI 系統的功能主要有以下四點:

(1)接收各種輸入設備的輸入。

(2)建立消息循環［3］，將設備的輸入翻譯為抽象的事件。

(3)建立窗口和控件對象系統，組織好各個抽象模塊的關系，處理各種GUI 事件。

(4)將GUI 對象通過具體形狀顯示在屏幕上，通過動畫將系統的狀態變化呈現給用戶。

基于這樣的設計目標，SKY－GUI 結構如圖1 所示。

圖1 SKY－GUI 的整體架構

它主要由輸入抽象層、顯示抽象層、事件系統和窗口系統四大部分組成。輸入抽象層管理所有的輸入設備，將用戶的操作轉化成消息送入事件系統。顯示抽象層操作顯示設備，提供給窗口系統繪畫、貼圖、顯示字體接口。事件系統為窗口系統提供消息獲取、存儲和處理的機制。窗口系統是SKY－GUI 的核心，定義了各種控件和窗口，描述它們之間的邏輯關系和消息循環關系。下面將分別對這四大組成部分的設計進行介紹。

2 SKY－GUI 模塊設計

2.1 輸入抽象層

輸入抽象層為各種輸入設備對事件系統的輸入接口，它是一個單獨的線程，其流程如圖2 所示。

圖2 輸入抽象層流程

輸入抽象層首先對GUI 所需的各種輸入設備初始化，而后等待各個設備的輸入。當接到設備輸入，就把用戶對設備的操作翻譯成消息，送至事件系統最底層消息隊列(在§2.3.2 詳細討論)中。

設備輸入的翻譯過程根據具體的輸入設備而定。對于鍵盤，只要將其鍵值和該鍵的狀態封成消息。對于鼠標，除了要記錄其按鍵狀態，還要根據鼠標當前的位置和屏幕的大小將輸入的位移分量轉化成鼠標的新位置封入消息。

2.2 顯示抽象層

顯示抽象層的作用是為窗口系統提供顯示接口函數，包括基本圖形接口(畫點、畫線、填充矩形、區域拷貝、Alpha 混合等)、貼圖接口和字體接口三大功能，其結構如圖3 所示。

圖3 顯示抽象層的結構

顯示抽象層在嵌入式Linux 下的基礎設備為幀緩沖［4］，對其按坐標寫入或讀出顏色值即可實現基本的圖形接口的功能。

簡單的貼圖功能用基本圖形接口加bmp 格式的文件(圖片不經過壓縮，其顏色分量按坐標順序存儲)就可以實現。為了讓界面更加美觀，SKY－GUI移植了開源的jpeg 庫和png 庫來解壓相應格式的壓縮圖片文件，實現了對這兩種圖片格式的支持。

對字體的支持當然必不可少。點陣字體把字體的位圖按12×12、16×16 等格式存入二進制文件，可以比較容易地實現字體接口，但字體不能隨意放大縮小，且放大后字體有明顯的鋸齒。矢量字體用數學方程加字形上的關鍵點來描述字體，可以進行無級縮放，為界面的繪制帶來極大的靈活性。SKYGUI 移植了開源的Freetype 庫［5］，用其尋址矢量字體文件并生成字體位圖，實現了對矢量字體的支持。

2.3 事件系統

事件系統為SKY－GUI 的其他三大部分提供消息發送、存儲、獲取和處理的功能。其核心為消息、消息隊列和消息處理函數。

2.3.1 消息定義

SKY－GUI 的消息定義為:

typedef struct __MSG {

HWND hWnd; //窗口指針

int event; //事件編號

void* wParam; //事件附加參數1

void* lParam; //事件附加參數2

}MSG;

hWnd 為指向窗口的指針，表明此消息需要發給哪個窗口。event 為事件編號，用不同的整數代表不同的事件。wParam 和lParam 為事件的附加參數，它們的含義根據事件類型的不同而定，例如，在鼠標消息中這兩個參數就代表光標在屏幕上的坐標位置。

2.3.2 消息隊列

消息隊列是事件系統中的消息的暫存處，它由一個環形先入先出結構的消息數組和一個消息鏈表組成。消息數組的空間是固定的，一旦被寫滿，后來的消息只好被丟棄;而消息鏈表則可以動態擴充大小。在SKY－GUI 中，消息數組主要用來存放底層輸入設備的事件(如鼠標、鍵盤、時鐘等等)，而消息鏈表主要用來存放優先級更高且不可丟棄的上層事件(窗口事件和顯示事件)。

2.3.3 消息操作接口

SKY－GUI 定義了三類消息操作接口:消息發送函數、消息獲取函數和事件處理函數。

消息發送函數為輸入抽象層和窗口系統提供消息發送接口，包括Post_Msg 函數和Send_Msg 函數，其作用都是向消息隊列發送消息，不同之處在于Post_Msg 發送的消息存入消息隊列的數組之中，而Send_Msg 發送的消息則存入鏈表之中。

消息獲取函數為Get_Msg 函數，它為窗口提供取得消息的接口。擁有獨立線程的窗口(§2.4 會描述其結構)調用它從消息隊列中取得一個消息，其中存在鏈表中的消息更為重要，優先取出。

事件處理函數是窗口處理消息事件的函數接口，在SKY－GUI 中，擁有獨立線程的窗口調用Dispatch_Msg 函數來實現對自己消息處理函數的調用。

2.3.4 消息處理函數

Dispatch_Msg 只是事件處理的調用接口，窗口收到消息后所采取的具體措施是由消息處理函數決定的，其定義為:

int WndProc (HWND hwnd，int event，void *wParam，void* lParam);

每一個窗口都有一個函數指針指向自己的消息處理函數，其功能根據不同的窗口有所不同，但總體結構是一樣的，如圖4 所示。

圖4 消息處理函數的結構

其本質上是一個消息處理的分類列表。當窗口調用消息處理函數時，其根據消息類型的不同分別調用底層輸入消息、控件消息或顯示消息的處理函數，而后再根據具體的消息事件調用相應的處理函數，實現對各種事件的響應。

2.4 窗口系統

窗口系統為SKY－GUI 系統的核心，它維護了一個完整的窗口列表，定義了窗口系統和事件系統之間的關系，并制定了窗口之間的消息傳遞機制。

2.4.1 窗口的定義

SKY－GUI 中，窗口既包含桌面、對話框這種狹義的窗口，也包含窗口控件(如按鈕、下拉菜單、編輯框等等)這樣的廣義窗口，其定義為:

typedef struct __WINDOW {

STR32 caption; //窗口的名稱

RECT rect; //窗口的大小、位置

int style; //窗口的類型

MsgQueue* pMsgQ; //附屬于窗口的消息隊列

struct __WINDOW* pFocus; //活動窗口指針

struct __WINDOW* pParent; //父窗口指針

struct __WINDOW* pChldHead;//子窗口列表

struct __WINDOW* pNext; //兄弟窗口或控件指針

struct __WINDOW* pCtrlHead; //控件列表

WNDPROC WndProc; //消息處理函數指針

void* data1; //窗口私有數據

void* data2; //窗口私有數據

void* data3; //窗口私有數據

int msg1; //窗口狀態變化消息

}WINDOW;

caption 為窗口的名稱;rect 為保存窗口位置和大小的矩形;style 為窗口的類型;pMsgQ 為窗口的消息隊列的指針;pFocus 指向當前窗口的活動子窗口或控件;pParent 指向當前窗口的父窗口;pNext 指向當前窗口的兄弟窗口;pChldHead 用來保存當前窗口的子窗口列表;pCtrlHead 保存當前窗口的控件列表。WndProc 指向當前窗口的消息處理函數;data1、data2、data3 為窗口的私有數據，msg1 為窗口狀態變化時需要發出的控件消息，它們的意義根據窗口的類型而定。

從窗口的定義可以看出，本文要實現的是一種樹形的窗口關系，整個系統可以擁有一個或多個主窗口，每個主窗口擁有自己的控件和子窗口，而子窗口又可以擁有各自的子窗口和控件，依此類推。

2.4.2 窗口與消息隊列的關系

窗口定義中含有指向消息隊列的指針，但并不是所有的窗口都有自己的消息隊列。主窗口(如桌面)需要隨時呈現在用戶的面前，可以擁有自己的消息隊列;其他的子窗口、控件則沒有必要擁有自己的消息隊列。這兩類窗口用不同的方式使用事件系統。

擁有消息隊列的主窗口必須擁有自己獨立的線程，其消息發送和處理的流程如圖5 所示。

圖5 擁有消息隊列的窗口的消息發送和處理流程

當其他窗口或輸入抽象層需要操作主窗口時，就調用事件系統中的Post_Msg 或Send_Msg 函數向該窗口的消息隊列發送一個消息。而主窗口得知有消息輸入，就調用事件系統中的Get_Msg 函數取出消息，并使用Dispatch_Msg 調用自己的消息處理函數，找到相應的事件處理方法處理事務。這種消息傳遞的特點是消息的發送和處理分別在不同的窗口線程中完成，一般用于兩個主窗口之間或者輸入抽象層和主窗口之間的消息通信。

沒有消息隊列的子窗口或控件處理消息的流程如圖6 所示。

圖6 沒有消息隊列的窗口的消息處理流程

主窗口調用事件系統中的Post_Msg 或Send_Msg 函數向子窗口或控件發送消息，由于該窗口沒有自己的消息隊列，事件系統不會將該消息保存，而是直接調用該窗口的消息處理函數找到具體的事件處理方式完成這次窗口操作。這種消息傳遞方式中，發送消息和處理消息都在主窗口的線程中完成，向一個窗口發送消息相當于要求該窗口立刻對事件進行處理。

SKY－GUI 只設置了一個主窗口，即桌面。其他所有的窗口或對話框都作為桌面的子窗口而存在。這樣系統中只有一個窗口線程和一個消息隊列，第一種消息處理方式只存在于輸入抽象層和桌面之間，而窗口之間的消息處理都采用第二種方式，這樣系統的線程開銷和消息循環開銷會大大減少，從而提高其運行效率。

2.4.3 窗口之間的消息傳遞

窗口之間的消息傳遞根據消息類型的不同有兩種不同方式。

主窗口從消息隊列中取得的消息在SKY－GUI中稱為底層消息。這類消息是由主窗口處理，還是交給子窗口或是控件處理，是根據窗口定義中的pFocus 變量而定的。當一個窗口的pFocus 不為空時，表示該窗口上方有子窗口被用戶使用，消息應該交給它指向的子窗口處理，而這個子窗口也檢查自己的pFocus 變量，依此類推;只有當一個窗口的pFocus 為空，表示該窗口位于屏幕的最上方，得到的底層消息由窗口自身處理(如圖7 左邊流程)。

而當控件的狀態變化產生控件消息時，其消息處理的過程正好跟上面的流程相反。控件產生的消息首先由自己處理，有必要時再送給pParent 指針指向的父窗口處理，而后還有必要的話再送給父窗口的父窗口處理，最后也可以由主窗口送入消息隊列(如圖7 右邊流程)。

圖7 從消息隊列讀出的消息處理流程(左)和控件產生的消息處理流程(右)

pFocus 變量和pParent 變量加上這樣樹形的窗口系統實質上是實現了很多GUI 系統中的窗口的Z序［6］(窗口的上下順序)功能。該功能是建立在子窗口顯示在其父窗口之上，且控件顯示在其所屬窗口之上的思想上的。由于底層消息一般代表用戶對輸入設備的操作，所以應該送給位于屏幕最上方的用戶正在使用的窗口處理，而控件消息一般代表著GUI 界面自上而下的圖形和數據變化過程，所以應該從上到下逐層處理。

3 實驗和測試

SKY－GUI 現已嵌入已有的視頻監控系統項目中予以使用，它有下拉菜單、輸入框、密碼框、按鈕、軟鍵盤等十幾種控件，提供視頻監控的操控界面和配置界面。其中的一個典型的界面如圖8 所示。

圖8 SKY－GUI 在視頻監控系統中的典型界面

為了測試其的性能，本文利用SKY－GUI 和開源的Qt 界面庫［7］分別為視頻監控系統［8］制作了一套用戶界面，其參數對比如表1 所示。

表1 SKY－GUI 與Qt 在視頻監控系統中的性能比較

很顯然，Qt 在嵌入式監控系統中占用資源過多，導致其運行速度緩慢并影響到系統的正常編解碼。而SKY－GUI 加上其所需的開源圖片和字體庫大小也不超過1 M，運行時只占用4 M 左右的內存，這在典型的嵌入式Linux 系統中完全可以接受，也不會影響到監控系統本身的性能。可以看出，Qt 要運用在該監控系統中還需進行更深層次的剪裁和性能優化，而SKY－GUI 則可滿足其對界面的功能和性能需求。

4 總結

本文描述了一種嵌入式Linux 平臺下GUI 的設計方案。實驗證明此設計方案可行，可以滿足一般嵌入式平臺上的圖形界面要求。

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