熊 杰，劉新德，馮仁劍

（北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京100191）

0 引 言

圖形用戶界面 （graphical user interface，GUI）的引入為嵌入式設備提供了圖形化的監(jiān)控和控制界面，提升了嵌入式系統(tǒng)的整體功能并降低了復雜性［1］。針對嵌入式系統(tǒng)，現(xiàn)有的GUI開發(fā)主要有自下而上逐步開發(fā)和使用嵌入式GUI系統(tǒng)兩種方式［2］。自下而上的GUI開發(fā)方式易于實現(xiàn)，但沒有將GUI作為一個軟件層從應用程序中剝離，導致開發(fā)效率不高，代碼復用性差。嵌入式GUI系統(tǒng)將顯示邏輯和數(shù)據(jù)處理邏輯劃分開，使得圖形界面開發(fā)相對獨立，且避免了代碼重復，便于實現(xiàn)應用程序開發(fā)。

目前，國內(nèi)外針對嵌入式應用研究開發(fā)了一些GUI系統(tǒng)。Microwindows是Century Software公司開發(fā)的將GUI引入到小型設備平臺的項目［3］。Microwindows的圖形引擎開發(fā)比較完善，采用標準客戶/服務器結(jié)構(gòu)，具有一定靈活性。但該結(jié)構(gòu)占用更多系統(tǒng)資源，降低了系統(tǒng)效率。Trolltech公司在QT的基礎上開發(fā)實現(xiàn)的QT/Embedded［4］，使用C＋＋開發(fā)，功能完善。但其代碼所占用空間較大，且依賴于Linux操作系統(tǒng)，移植性差。MiniGUI是一種為嵌入式系統(tǒng)提供圖形用戶界面支持的中間件技術(shù)，早期由魏永明先生主持開發(fā)［5］。MiniGUI的窗口系統(tǒng)和應用開發(fā)接口完善，但基于Linux開發(fā)，難以移植到非POSIX標準的目標平臺，且過多注重于窗口模型的接口抽象，開發(fā)過于繁瑣。

為解決工業(yè)控制設備中的圖形顯示問題，有必要針對上述嵌入式GUI系統(tǒng)存在的平臺依賴性和輕型性等方面的不足，設計并實現(xiàn)一種輕量級嵌入式圖形用戶界面LIGUI系統(tǒng)。LIGUI采用雙向鏈表結(jié)構(gòu)組織窗口，避免復雜的窗口剪切和操作；利用輸入輸出抽象層屏蔽具體硬件平臺的不一致，實現(xiàn)系統(tǒng)的移植；提供應用編程接口和配置選項，易裁剪和配置；核心層采用微內(nèi)核的設計思想，具有輕量級的特點。

1 LIGUI體系結(jié)構(gòu)設計

LIGUI系統(tǒng)采用分層體系結(jié)構(gòu)，每層負責內(nèi)部的具體實現(xiàn)，底層通過接口為上層提供服務，實現(xiàn)將層次內(nèi)部的修改隔離，不影響上層調(diào)用底層完成相應功能。

如圖1所示，LIGUI總體上分為3層，分別為硬件抽象層，GUI核心層和應用接口層。

圖1 LIGUI系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

其中，硬件抽象層為上層模塊提供一致接口，解決移植問題；GUI核心層完成圖形圖像繪制，窗口的組織和消息管理；應用接口層為用戶提供應用編程接口和配置選項，可以實現(xiàn)系統(tǒng)擴展。

1.1 硬件抽象層

由于嵌入式應用硬件平臺的多樣性，為實現(xiàn)LIGUI系統(tǒng)在不同底層設備之間的移植，抽象了輸入輸出設備的功能，并且提供一致的接口。針對不同的輸入輸出設備編寫硬件驅(qū)動程序，在此基礎上將輸入輸出抽象層獨立出來，封裝底層系統(tǒng)和硬件設備的功能函數(shù)，使得上層的界面繪制和輸入處理在訪問不同硬件設備時，無需考慮系統(tǒng)和設備差異帶來的影響。硬件抽象層包括輸入抽象層和輸出抽象層。

1.1.1 輸入抽象層

輸入抽象層將輸入設備的功能抽象為統(tǒng)一的輸入接口［6］。任何獨立按鍵、矩陣鍵盤、虛擬鍵盤的按下動作都可以抽象出鍵值和敲擊次數(shù)；對于鼠標移動和觸摸屏的點擊輸入，可以提取坐標值和按壓狀態(tài)信息。

1.1.2 輸出抽象層

輸出抽象層的主要功能是為圖形圖像的繪制輸出提供顯示設備接口，上層圖形程序的編寫只需調(diào)用接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供的函數(shù)，而不用考慮針對不同底層顯示設備的具體實現(xiàn)。

顯示輸出最終都要對應到單個像素點的操作，所以在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中定義屏幕像素點的信息，抽象出SetPixel和GetPixel接口。顯示設備接口用結(jié)構(gòu)體LCDAPI來表示。

typedef struct｛

void （＊InitLcd）（）；

void （＊SetPixel）（Pixel pixel，int x，int y）；

void （＊GetPixel）（Pixel＊pPixel，int x，int y）；

int（＊GetXSize）（）；

int（＊GetYSize）（）；

U8（＊GetBPP）（）；

void （＊InitPalette）（U8bpp）；

｝LCDAPI；

提供讀取顯示設備的屬性信息接口，包括屏幕尺寸GetXSize和GetYSize，每個像素點的位數(shù)GetBPP，以及初始化調(diào)色板InitPalette。

1.2 應用接口層

應用接口層負責給用戶提供系統(tǒng)的應用編程接口，方便系統(tǒng)擴展。用戶程序通過調(diào)用應用接口層封裝的接口函數(shù)完成界面設計以及數(shù)據(jù)邏輯的處理，LIGUI負責輸入事件響應，消息的接受和分發(fā)，以及顯示的更新。

應用編程接口為用戶提供如下對象的操作：

作圖原語集：完成LIGUI的繪圖功能；

窗口類對象：實現(xiàn)對窗口的組織和操作；

控件類對象：完成對控件的管理和使用。

應用接口層提供可配置選項，可以實現(xiàn)對LIGUI系統(tǒng)的裁剪和配置，以滿足具體應用環(huán)境的需求。

2 LIGUI系統(tǒng)內(nèi)核設計與實現(xiàn)

核心層實現(xiàn)LIGUI的關(guān)鍵功能，采用模塊化設計，模塊之間低耦合，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的修改不影響其接口，可以有效支持裁剪，滿足系統(tǒng)輕量級的需求［7］。核心層包括圖形圖像模塊、窗口管理模塊和消息系統(tǒng)。

圖形圖像模塊提供圖形、文本和各種圖像的繪制，窗口與消息模塊完成窗口組織和操作，輸入輸出事件消息和窗口消息的分發(fā)。

2.1 圖形圖像模塊

圖形圖像模塊實現(xiàn)圖形圖像和文本的繪制輸出，調(diào)用輸出抽象層提供的顯示設備接口，在單個像素點繪制的基礎上完成圖形圖像的繪制。向上層以作圖原語集的形式為應用提供調(diào)用接口。

2.1.1 基本圖形繪制

向上層LIGUI對象提供基本繪圖原語的圖形服務，完成基本幾何圖形的繪制和填充，如點、直線、圓、矩形、橢圓、多邊形等。

支持與設備無關(guān)的圖形操作，所有繪圖函數(shù)都以顯示設備接口SetPixel為基礎，從繪制一個像素點出發(fā)，而線段是由點連接組成，多邊形的繪制、填充也是由點和線段組合而成的，進而完成全部顯示區(qū)域的繪制。

對于圖形圖像繪制而言，直線和圓弧作為描述所有圖形的基礎，其效率直接影響到整個LIGUI系統(tǒng)的顯示效率。采用改進的Bresenham算法繪制直線和圓弧，充分利用圖形斜率的幾何特性和點與點之間的相關(guān)性，一次可計算出若干個點，提高了繪制效率［8］。

2.1.2 文本輸出

文本輸出功能向屏幕顯示字符和漢字，完成字符在字符集中的查找和繪制輸出。

為提高顯示效率和節(jié)省資源空間，LIGUI采用點陣字體，單獨用數(shù)組來定義每個字符的點陣，然后將每一個字符的信息用CHAR＿INFO結(jié)構(gòu)體來表示。

typedef struct｛

U8XSize；

U8YSize；

U8BytesPerLine；

const U8＊pData；

｝CHAR＿INFO；

結(jié)構(gòu)體中定義的字符信息包括字符點陣的高和寬，每行的字節(jié)數(shù)，以及字符點陣數(shù)據(jù)指針。

將所有字符信息存入一個數(shù)組中構(gòu)成字符集。由于漢字的機內(nèi)碼不連續(xù)，是區(qū)間分布的，所以將所有漢字分成若干個字符集區(qū)段，各個字符集區(qū)段以鏈表組織起來。如下的FONT＿INFO為字符集區(qū)段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括字符集區(qū)段中首末字符的索引FirstChar和LastChar，首個字符信息的指針pCharInfo和指向下一個字符集區(qū)段的指針pNext。

typedef struct｛

U16FirstChar；

U16LastChar；

const CHAR＿INFO＊pCharInfo；

const FONT＿INFO＊pNext；

｝FONT＿INFO；

利用漢字的機內(nèi)碼對字符集鏈表進行索引，先找到要顯示字符所在的字符集區(qū)段，返回字符集區(qū)段的指針，再根據(jù)字符相對字符集區(qū)段中第一個字符地址的偏移量，找到要顯示字符的字符信息。

2.1.3 圖像模塊

LIGUI支持顯示BMP格式的圖像文件，BMP文件本身就包含了設備無關(guān)位圖格式，經(jīng)文件調(diào)用讀入內(nèi)存，再結(jié)合顯示設備特性轉(zhuǎn)換成設備相關(guān)位圖［9］。

同時，LIGUI支持其它圖像格式繪制的接口，其文件解碼都使用第三方標準庫來完成，然后將位圖選入到圖形設備上下文中，以便上層應用程序進行繪圖操作。

2.2 窗口管理模塊

窗口管理模塊負責窗口組織、窗口繪制和窗口操作，是LIGUI系統(tǒng)組織圖形圖像輸出，處理外設輸入的基礎。

由于嵌入式應用的顯示屏一般不大，窗口可以獨占整個屏幕，不必考慮相互剪切的位置關(guān)系。LIGUI系統(tǒng)的窗口組織采用雙向鏈表結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 窗口組織結(jié)構(gòu)

窗口創(chuàng)建時即建立一個節(jié)點，窗口中的控件繼承了窗口的特性，并且加入窗口節(jié)點。節(jié)點與節(jié)點之間組成一個鏈表。當刪除窗口時，將窗口從窗口鏈表中移除，并遞歸銷毀其所有子控件。窗口鏈表還能表示窗口之間的覆蓋關(guān)系，鏈表后端的窗口覆蓋前端的窗口，所以對窗口進行前置、后置操作即相當于在窗口鏈表上向前或向后移動窗口節(jié)點。

LIGUI用WIN＿Obj結(jié)構(gòu)體來描述窗口，這個結(jié)構(gòu)中記錄了窗口對象的基本性質(zhì)和窗口函數(shù)等屬性。

typedef struct｛

int hWin；

int x0，y0，x1，y1；

U8＊title；

WIN＿Obj＊pPre；

WIN＿Obj＊pNext；

int hFocussedChild；

int WidgetNum；

void（＊WinManage）（MSG＿Obj＊pMsg）；

int StatusFlag；

｝WIN＿Obj；

其中，hWin是系統(tǒng)中窗口對象全局唯一的標識，即窗口對象的句柄；x0，y0，x1，y1是窗口矩形區(qū)域的坐標值，存儲窗口的位置和大??；title指向窗口標題字符串；pPre和pNext為指向鏈表中上一個窗口節(jié)點和下一個節(jié)點的指針；hFocussedChild為處于焦點的子控件的句柄，Widget－Num為窗口子控件的數(shù)目；WinManage是窗口過程函數(shù)指針，完成各種消息的響應處理；StatusFlag存儲窗口的狀態(tài)信息。

2.3 消息系統(tǒng)

LIGUI系統(tǒng)采用事件驅(qū)動機制。消息系統(tǒng)是事件驅(qū)動的圖形用戶界面的關(guān)鍵，保障整個系統(tǒng)流程有序進行，消息由事件產(chǎn)生［10］，LIGUI的事件包括輸入設備事件，窗口操作事件，以及系統(tǒng)定時、用戶自定義等其它事件。

事件的產(chǎn)生具有隨機性，LIGUI用消息表示各種事件。在外設驅(qū)動和輸入抽象層提供的硬件接口基礎上，用消息結(jié)構(gòu)封裝實現(xiàn)用戶輸入事件，轉(zhuǎn)化為輸入消息；系統(tǒng)運行過程中引起的窗口狀態(tài)改變，會產(chǎn)生與窗口操作相關(guān)的邏輯消息；同時，用戶可以自定義消息和響應處理。

將不同類型的消息用一個消息結(jié)構(gòu)表示，并且定義類型字段來區(qū)分各種消息類型。如下MSG＿Obj為消息對象結(jié)構(gòu)體，用于表示事件消息。

typedef struct｛

int MsgID；

int hWinTag；

int hWinSrc；

int MsgData；

void＊p；

｝MSG＿Obj；

其中，用MsgID作為類型字段來區(qū)分不同的消息類型；hWinTag和hWinSrc分別為接受消息的目標窗口句柄和消息源窗口句柄；MsgData用于存儲消息具體數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)超過整形范圍可以用數(shù)據(jù)指針p表示。

2.3.1 消息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

消息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括消息隊列、消息循環(huán)和窗口過程等。

圖3 消息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同步消息經(jīng)過消息循環(huán)直接交給窗口過程函數(shù)處理，異步消息進入消息隊列等待處理。

消息隊列組織異步消息，負責事件壓縮和過濾重復無用的事件消息。

消息循環(huán)從消息隊列讀取消息，發(fā)送至目標窗口，窗口過程函數(shù)將消息結(jié)構(gòu)作為參數(shù)，執(zhí)行相應的消息響應過程。

2.3.2 消息循環(huán)

消息循環(huán)是消息系統(tǒng)和圖形用戶界面應用程序的核心部分，是將從消息隊列輪詢獲得的消息分發(fā)至目標窗口的循環(huán)過程［11］。消息循環(huán)流程如圖4所示。

圖4 消息循環(huán)

消息循環(huán)不斷輪詢消息隊列，若隊列為空，則執(zhí)行空消息處理，若不為空且不是退出消息，則調(diào)用消息發(fā)送函數(shù)進行分發(fā)和投遞，送達目的窗口，即調(diào)用指定窗口的窗口過程函數(shù)，并傳遞消息為其參數(shù)。目標窗口的窗口過程負責解釋所接收的消息，由MsgID確定具體的消息類型，進行分類處理。處理結(jié)束后，重新進入消息循環(huán)，當收到退出消息時，退出消息循環(huán)。

LIGUI系統(tǒng)采用的這種消息機制支持用戶自定義消息，利用自定義的消息傳遞數(shù)據(jù)，并且在窗口過程對自定義消息類型進行處理，滿足了嵌入式GUI系統(tǒng)對擴展性的需求。

3 應用實例

LIGUI系統(tǒng)現(xiàn)已應用在太陽能控制器配套的手持設備中，用于對太陽能控制器進行參數(shù)設定和管理。手持控制器如圖5所示。

圖5 手持控制器

手持控制器采用基于Cortex－M3內(nèi)核的STM32F103VBT6處理器，外擴Flash存儲器采用SST25VF016B芯片，用于存儲字庫和位圖的點陣文件，其它外設包括液晶顯示屏、紅外收發(fā)器、矩陣鍵盤、蜂鳴器、LED指示燈和RS232/485通信口。

手持控制器作為太陽能控制器的圖形化顯示和操作控制終端，采用2.6寸TFT彩色液晶，像素點總數(shù)為320×240。其圖形用戶界面的顯示基于LIGUI體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，采用層次化、模塊化的結(jié)構(gòu)設計來組織各參數(shù)設置界面之間的邏輯關(guān)系，界面顯示及切換流暢，使用方便、靈活。其界面結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 界面結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)手持控制器的界面顯示，LIGUI核心部分代碼所占用靜態(tài)存儲空間不足30KB。通過調(diào)用LIGUI系統(tǒng)提供的應用編程接口和修改配置選項，編程開發(fā)者只需編寫底層硬件驅(qū)動和進行數(shù)據(jù)邏輯處理，開發(fā)周期短，效率高。

4 結(jié)束語

采用分層次和模塊化的結(jié)構(gòu)體系，設計并實現(xiàn)了一種輕量級嵌入式圖形用戶界面LIGUI系統(tǒng)。系統(tǒng)通過硬件抽象層來隔離不同底層設備；采用高效的算法進行圖形圖像繪制；在應用接口層為用戶提供已封裝的應用編程接口，提高了開發(fā)編程效率。

將實現(xiàn)的LIGUI系統(tǒng)作為圖形顯示模塊應用于手持控制設備，解決了自底層到頂層的GUI開發(fā)方法導致的開發(fā)效率低、代碼復用性差的問題。實際應用表明，LIGUI系統(tǒng)具有輕型的特點，占用資源少，且功能齊全，能夠支持運行在低端配置的系統(tǒng)。系統(tǒng)配置選項提供窗口、控件等模塊的裁剪，可以實現(xiàn)具體嵌入式環(huán)境下的定制和擴展。

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