面向嵌入式系統(tǒng)的圖形用戶界面研究


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摘要
伴隨著信息家電，手持設(shè)備，無線設(shè)備等的迅速發(fā)展，相應(yīng)的硬件和軟件也得到迅速發(fā)展。許多設(shè)備都配有 Intel，MIPS，摩托羅拉等公司生產(chǎn)的32位微處理器，甚至還使用了液晶顯示器。許多開發(fā)商也開始為這些設(shè)備提供界面友好的嵌入式操作系統(tǒng)。利用Linux搭建嵌入式操作系統(tǒng)是近年來出現(xiàn)的最令人振奮的方案。這有多方面的原因。首先，運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)上的Linux能夠提供全功能的桌面計(jì)算（Desktop Computing），且由于其開放代碼，定制變得非常方便。其次，Linux 已經(jīng)支持大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)上使用的芯片，包括 StrongARM , MIPS 和 PowerPC。 最后，Linux是免費(fèi)的，使用Linux 不需要付出任何費(fèi)用。所以利用 Linux 作為底層操作系統(tǒng), 其上使用一個(gè) GUI 系統(tǒng)成為現(xiàn)在日益流行的嵌入式操作系統(tǒng)的解決方案。市場上常見的 PDA 等小型手持式設(shè)備上，以前由于硬件條件等的限制，我們看到的用戶界面都非常簡單，幾乎看不到 PC 機(jī)上華麗美觀的 GUI 界面。但最近出現(xiàn)的 Palm 等手持式電腦或者在 Windows CE 等面向嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)上，我們已經(jīng)看到了完整的圖形用戶界面支持。隨著手持式設(shè)備的硬件條件的提高，估計(jì)嵌入式系統(tǒng)對(duì)輕量級(jí) GUI 的需求會(huì)越來越迫切。近來的市場需求也顯示，越來越多的嵌入式系統(tǒng)，包括 PDA、機(jī)頂盒、DVD/VCD 播放機(jī)、WAP 手機(jī)等等系統(tǒng)均要求提供全功能的 Web 瀏覽器。這包括 HTML 4.0 的支持、JavaScript 的支持，甚至包括 Java 虛擬機(jī)的支持。而這一切均要求有一個(gè)高性能、高可靠的 GUI 系統(tǒng)的支持。受導(dǎo)師的影響，本人長期以來對(duì)以Linux 操作系統(tǒng)比較感興趣，并從研二開始加入由魏永明先生發(fā)起的 MiniGUI 項(xiàng)目，對(duì)整個(gè)MiniGUI系統(tǒng)及同類系統(tǒng)如 Microwindows 等進(jìn)行了一定的研究，并對(duì) MiniGUI 進(jìn)行了一定的改進(jìn)和功能擴(kuò)充。本論文基于這些事實(shí)，對(duì)面向嵌入式系統(tǒng)的 GUI 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和一些技術(shù)內(nèi)幕做了較深入的探討。論文首先概述了嵌入式系統(tǒng)及用戶界面的發(fā)展情況，接著介紹了幾種嵌入式系統(tǒng)下的圖形用戶界面，通過相互比較，指出和通用的圖形用戶界面系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)下的圖形用戶界面需要有輕型、占用資源少，高性能，高可靠性，可配置等特點(diǎn)。第三章介紹了典型系統(tǒng)MiniGUI，第四章介紹了本人實(shí)現(xiàn)的MiniGUI對(duì)Type1 字體的支持。本文的第五章將介紹 MiniGUI 輸入和圖形輸入/輸出引擎的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)及相關(guān)的一些技術(shù)細(xì)節(jié)。MiniGUI的私有輸入和圖形輸入/輸出引擎為本人設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，在這些過程中獲得的一些寶貴經(jīng)驗(yàn)將一并介紹。第六章給出MiniGUI的一些應(yīng)用實(shí)例。最后是一點(diǎn)感想和展望。關(guān)鍵詞：圖形用戶界面；嵌入式系統(tǒng)；私有輸入和圖形輸入/輸出引擎
第一章嵌入式系統(tǒng)及用戶界面概況1.1嵌入式系統(tǒng)概況1.1.1嵌入式技術(shù)的歷史發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)至今已經(jīng)有30多年的歷史了，嵌入式技術(shù)也歷經(jīng)了幾個(gè)發(fā)展階段。進(jìn)入90年代后，以計(jì)算機(jī)和軟件為核心的數(shù)字化技術(shù)取得了迅猛發(fā)展，不僅廣泛滲透到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、軍事、交通、通信等相關(guān)行業(yè)，而且深入到家電、娛樂、藝術(shù)、社會(huì)文化等各個(gè)領(lǐng)域，掀起了一場數(shù)字化技術(shù)革命。多媒體技術(shù)與Internet的應(yīng)用迅速普及，消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、通信（3C）一體化趨勢日趨明顯，嵌入式技術(shù)再度成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。綜觀嵌入式技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下4個(gè)階段[1]。第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，同時(shí)具有與監(jiān)測、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。這種系統(tǒng)大部分應(yīng)用于一些專業(yè)性極強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般沒有操作系統(tǒng)的支持，通過匯編語言編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，運(yùn)行結(jié)束后清除內(nèi)存。這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都相對(duì)單一，處理效率較低，存儲(chǔ)容量較小，幾乎沒有用戶接口。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡便、價(jià)格很低，以前在國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，但是已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)高效的、需要大容量存儲(chǔ)介質(zhì)的現(xiàn)代化工業(yè)控制和新興的信息家電等領(lǐng)域的需求。第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：CPU種類繁多，通用性比較弱；系統(tǒng)開銷小，效率高；操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)，用戶界面不夠友好；系統(tǒng)主要用來控制系統(tǒng)負(fù)載以及監(jiān)控應(yīng)用程序運(yùn)行。第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：嵌入式操作系統(tǒng)能運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應(yīng)用程序接口（API），開發(fā)應(yīng)用程序簡單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。第四階段是以基于Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來。1.1.2嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用前景嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件和嵌入式軟件系統(tǒng)組成，它是集軟硬件于一體的可獨(dú)立工作的“器件”。嵌入式處理器主要由一個(gè)單片機(jī)或微控制器(MCU)組成。而這些嵌入式CPU目前多是8位和16位的，與32位或64位的高性能處理器相比，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)實(shí)性。相關(guān)支撐硬件包括顯示卡、存儲(chǔ)介質(zhì)（ROM和RAM等）、通訊設(shè)備、IC卡或信用卡的讀取設(shè)備等。嵌入式系統(tǒng)有別于一