關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng) Linux MiniGUI 信息終端

引言

近年來，隨著軟硬件資源的成熟與完善，嵌入式技術(shù)越來越和人們的生活緊密相關(guān)，功能單一的公用電話也開始向嵌入式多媒體信息終端轉(zhuǎn)型。對嵌入式系統(tǒng)的研究，在全球激起了人們極大的興趣。

選擇開放源碼的Linux操作系統(tǒng)開發(fā)新一代嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)成為其中新的技術(shù)熱點(diǎn)。在本系統(tǒng)中，采用了MontaVista Linux系統(tǒng)。它提供了很多處理器、目標(biāo)板和主機(jī)環(huán)境的組合，有一套完整的輔助開發(fā)工具，便于嵌入式系統(tǒng)專用人員設(shè)計(jì)、開發(fā)和發(fā)布應(yīng)用程序。

與此同時(shí)，配備一個(gè)優(yōu)秀的圖形用戶界面，使產(chǎn)品和用戶能進(jìn)行友善可靠的交互也已成為開發(fā)工作中非常緊迫的要求。本系統(tǒng)中使用的MiniGUI就是嵌入式Linux系統(tǒng)下一個(gè)輕量級的圖形用戶界面支持系統(tǒng)，目前已比較成熟，并已被用到很多項(xiàng)目的實(shí)際開發(fā)中。

1 嵌入式Linux系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁減。適用于用戶系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從20世紀(jì)80年代末開始，陸續(xù)出現(xiàn)了一些嵌入式操作系統(tǒng)，如VxWorks、pSOS、WindowsCE、Linux等。其中免費(fèi)源代碼的Linux操作系統(tǒng)因其內(nèi)核小、支持多種硬件平臺(tái)、可裁減性好等顯著優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的關(guān)注，為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供了一個(gè)極有力的選擇。

（2）MontaVista Linux

目前，已有多家公司推出了嵌入式Linux發(fā)行版本。本系統(tǒng)中采用的是應(yīng)用全球三大嵌入式Linux供應(yīng)商之一MontaVista Software公司的最新版MontaVista Linux3.0。它使用的是最標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核2.4.2,是針對嵌入式設(shè)備度身定制的實(shí)時(shí)的、專業(yè)的嵌入式操作系統(tǒng)。考慮到嵌入式設(shè)備處理器、存儲(chǔ)器資源有限的情況，在不減少新內(nèi)核對嵌入設(shè)備有利特性的基礎(chǔ)上，MontaVista公司對內(nèi)核部分進(jìn)行了高度裁減、配置，使MontaVista Linux 3.0。它使用的是標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核2.4.2，是針對嵌入式設(shè)備度身定制的實(shí)時(shí)的、專業(yè)的嵌入式操作系統(tǒng)?？紤]到嵌入式設(shè)備處理器、存儲(chǔ)器資源有限的情況，在不減少新內(nèi)核對嵌入設(shè)備有利特性的基礎(chǔ)上，MontaVista公司對內(nèi)核部分進(jìn)行了高度裁減、配置，使MontaVista Linux 3.0系統(tǒng)性能具備穩(wěn)定、突出等特點(diǎn)，同時(shí)還為MontaVista Linux 3.0配備了一個(gè)由優(yōu)先級驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)調(diào)度器（RealTime Scheduler），從而使客戶對實(shí)時(shí)性的要求得到更大的滿足。

2 軟件開發(fā)平臺(tái)

MontaVista Software公司在嵌入式Linux發(fā)行版中已提供了系統(tǒng)開發(fā)所需的環(huán)境：

a)內(nèi)核和文件系統(tǒng)工具——目標(biāo)配置工具（TCT）、庫優(yōu)化工具（LOT）；

b)交叉開發(fā)工具——GNU GCC/C++編譯器、GDB源碼調(diào)試器、DDD圖形界面調(diào)試器等；

c)實(shí)時(shí)性能工具和分析工具。

系統(tǒng)內(nèi)核則通過Abatron公司的BDI2000調(diào)試器進(jìn)行測試，內(nèi)核運(yùn)行于PowerPC體系的CPU上。該目標(biāo)系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口、串口、USB接口，LCD也能正常顯示。

3 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

應(yīng)用程序是最上層的開發(fā)，其交互界面直接通過MiniGUI圖形系統(tǒng)的API接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)。MiniGUI屏蔽了對底層顯示、輸入設(shè)備編程的細(xì)節(jié)，使程序員更能專注于信息終端界面的特色上，從而縮短了編程投入時(shí)間。MiniGUI圖形率編譯安裝后一般以庫的形式存放在操作系統(tǒng)/usr/lib文件目錄下。

該嵌入式系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 MiniGUI的移植

（1）MiniGUI特點(diǎn)

MiniGUI是由魏永明主掛的一個(gè)自由軟件項(xiàng)目，現(xiàn)完全遵循GPL（General Public License）條款的純自由軟件，可以運(yùn)行在任何一種具有POSIX線程支持的POSIX兼容系統(tǒng)上。MiniGUI在體系結(jié)構(gòu)上有許多獨(dú)特之處。它的主要特色有：

a)提供了完備的多窗口機(jī)制；

b)對話框和預(yù)定義的控件類；

c)消息傳遞機(jī)制；

d)多字符集和多字體支持；

e)全拼、五筆等漢字輸入法支持；

f)BMP、GIF、JPEG等常見圖像文件的支持；

g)小巧，包含全部功能的庫文件大小為300KB左右；

h)可配置，可根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行定制配置和編譯；

i)可移植性好。

（2）MiniGUI的移植過程

要使MiniGUI運(yùn)行在入式目標(biāo)板PPC上，需在MontaVista Linux 3.0的交叉開發(fā)環(huán)境下移植該圖形包。

MiniGUI 1.2.6版發(fā)布時(shí)含資源文件壓縮包minigui-res1.2.6.tar.gz、庫文件壓縮包libminigui-1.2.6.tar.gz和一個(gè)綜合示范程序mde-1.2.6.tar.gz。

在開發(fā)主機(jī)上安裝好MontaVista Linux 3.0后，把主機(jī)NFS服務(wù)的輸出目錄配置為硬盤路徑/opt/hardhat/devkit/ppc/8xx/target。目標(biāo)板運(yùn)行起來后，會(huì)自動(dòng)掛載到該目錄下。

將該目標(biāo)作為當(dāng)前路徑安裝MiniGUI。

打開資源文件壓縮包，執(zhí)行如下命令

tar-xvf minigui-res-1.2.6.tar.gz

會(huì)自動(dòng)在當(dāng)前路徑下生成minigui-res目錄。在該目錄下可以看到config.linux文件，修改其中TOPDIR=NONE一項(xiàng)，使TOPDIR=/opt/hardhat/devkit/ppc/8xx/target，此處的路徑對應(yīng)的就是前面設(shè)置的NFS輸出目錄。運(yùn)行安裝命令make install即可。

編譯庫文件壓縮包libminigui-1.2.6.tar.gz時(shí)，解壓步驟如上。不同的是須在當(dāng)前目錄下運(yùn)行configure命令對庫文件進(jìn)行移植的配置。命令行如下：

CC=ppc_8xx-gcc./configure

--build=i386-linux

--target=ppc-unknown-linux

--prefix=/opt/hardhat/devkit/ppc/8xx/target

--libdir=/opt/hardhat/devkit/ppc/8xx/target/usr/lib

--includedir=/opt/hardhat/devkit/ppc/8xx/target/usr/include

--enable-debug

其中，ppc_8xx-gcc是針對PowerPC體系結(jié)構(gòu)目標(biāo)的編譯器，是MontaVista Linux提供的；build是指執(zhí)行編譯的機(jī)器，這里是x86的開發(fā)主機(jī)；target是運(yùn)行該編譯器所產(chǎn)生目標(biāo)文件的機(jī)器；prefix是所有安裝路徑的前綴；libdir是庫文件安裝路徑；includedir是頭文件安裝路徑；enable-debub指編譯時(shí)需包含調(diào)試信息。

配置完，運(yùn)行編譯安裝命令。

綜合示范程序mde-1.2.6.tar.gz的安裝方法和庫文件類似的。

此時(shí)，啟動(dòng)目標(biāo)板，在MontaVisa Linux的控制程序下，進(jìn)入/mde-1.2.6/mginit目錄，輸入命令行./③mginit運(yùn)行MiniGUI的這個(gè)后臺(tái)服務(wù)器程序，出現(xiàn)一個(gè)有小企圖片的窗口管理器，并在左上角弱出一個(gè)控制臺(tái)程序的子窗口。在該控制臺(tái)下，可以運(yùn)行mde中其它的示范例子。至此，MiniGUI圖形包在目標(biāo)板上移植安裝完成。

5 信息終端軟件開發(fā)

本系統(tǒng)中采用了MiniGUI專為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的Lite版本。它基于客戶/服務(wù)器（C/S）體系，在服務(wù)器和客戶之間傳遞輸入設(shè)備數(shù)據(jù)，以及客戶和服務(wù)器之間的某些語法 和響應(yīng)數(shù)據(jù)。

在該信息終端軟件中，就根據(jù)這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)服務(wù)器程序和兩個(gè)客戶進(jìn)程。服務(wù)器始終運(yùn)行后臺(tái)，記錄有關(guān)系統(tǒng)信息，如系統(tǒng)計(jì)時(shí)、用戶刷卡余額等，通過MiniGUI提供的Socket機(jī)制通信將數(shù)據(jù)傳給下面的客戶程序。主界面客戶進(jìn)程給用戶提供了完整的操作體驗(yàn)，用戶可以通過菜單選擇打電話、瀏覽信息等功能。另一客戶進(jìn)程則是廣告屏保，在無人使用的間隙時(shí)間里，可以動(dòng)態(tài)顯示一些精彩的畫面，實(shí)現(xiàn)商業(yè)價(jià)值或公益宣傳。下面分別進(jìn)行介紹。

（1）信息終端客戶程序

該信息終端主體界面客戶程序在MiniGUI服務(wù)器的控制臺(tái)程序下打開，彈出的是信息終端的主菜單，顯示了電話、信息查詢、城市交通、新聞專欄等板塊。

程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，開始是包含的頭文件。

MiniGUI圖形包的頭文件有：common.h(MiniGUI常用的宏及數(shù)據(jù)類型的定義)、minigui.h（全局的和通用的接口函數(shù)及雜項(xiàng)函數(shù)的定義）、window.h（定義了和窗口有關(guān)的宏、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和窗口函數(shù)）。使用GDI函數(shù)和控件還需包括gdi.h、control.h兩個(gè)頭文件。

編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，MiniGUI的程序入口點(diǎn)是MiniGUIMain函數(shù)，系統(tǒng)初始化后就會(huì)自動(dòng)找到該函數(shù)。在該函數(shù)中先設(shè)置主窗口一些基本屬性，建立每個(gè)客戶程序唯一的一個(gè)消息隊(duì)列。當(dāng)程序結(jié)束時(shí)，調(diào)用MainWindow ThreadCleanup函數(shù)，清除主窗口所使用的消息隊(duì)列系統(tǒng)資源，退回服務(wù)器程序中。

其，各個(gè)功能子函數(shù)是在MiniGUI程序的另一主體部分——主界面窗口的過程函數(shù)中調(diào)用打開的。在主窗口建立時(shí)，其中有一項(xiàng)屬性MainWindowProc，即是注明了對應(yīng)該窗口的過程函數(shù)。各個(gè)功能模塊的消息也都是通過主窗口中的消息循環(huán)進(jìn)行觸發(fā)的。

窗口過程函數(shù)主體上都是switch和case結(jié)構(gòu)的選擇語句，針對不同的消息產(chǎn)生不同的響應(yīng)。一般MSG_CREATE消息在窗口生成時(shí)被發(fā)送，因而控件往往在這里調(diào)用CreateWindow函數(shù)生成。MSG_PAINT則是在移動(dòng)窗口或調(diào)用UpdateWindow重繪時(shí)發(fā)生，可根據(jù)需要定義相應(yīng)的操作。MSG_CLOSE即是關(guān)閉窗口時(shí)的動(dòng)作，一般調(diào)用DestroyMainWindow銷毀主窗口，調(diào)用PostQuitMessage退出消息循環(huán)。

此外，在窗口過程函數(shù)MiniGUI提供的GDI，即圖形設(shè)備接口（graphics device interface），可以方便地將BMP、GIF、JPEG等圖片用LoadBitmap函數(shù)輸出到界面，并通過設(shè)備上下文（DC）的邏輯字體（logfont）實(shí)現(xiàn)多字體和多字符集支持。

廣告進(jìn)程的制作也類似，不再說明。

（2）信息終端軟件服務(wù)器程序

因?yàn)榉?wù)器和客戶程序需要交換數(shù)據(jù)，所以我們使用了經(jīng)MiniGUI包裝過的Socket通信機(jī)制。

在服務(wù)器中，建立一個(gè)監(jiān)聽套接字：

#define LISTEN_SOCKET "/var/tmp/socket1"

static int listen_fd;

BOOL listen_socket(HWND hwnd)

{ if((listen_fd=serv_listen(LISTEN_SOCKET))<0)

return FALSH;

return RegisterListenFD(listen_fd,POLLIN,hwnd,NULL);

}

服務(wù)器監(jiān)聽該套接字listen_fd。當(dāng)客戶有連接請求時(shí)，服務(wù)器的過程函數(shù)中就會(huì)收到MSG_FDEVENT消息，服務(wù)器就可以接受該請求以進(jìn)行相應(yīng)處理：

static int MainFunProc(HWND hWnd,

{ switch(message)

{case MSG_FDEVENT:

if(LOWORD(wParam)= =listen_fd){

……

conn_fd=serv_accept(listen_fd,&uid);

if(conn_fd>0){

sock_read(conn_fd,buff[20],40);

……

sock_write(conn_fd,buff[20],40)；

}}

break;

}}

在主界面進(jìn)程中，需要連接到服務(wù)器時(shí)，可以通過cli_conn(LISTEN_SOCKET,'b')來提出請求。

這樣，服務(wù)器和客戶程序之間即可相互交流數(shù)據(jù)了。

廣告進(jìn)程實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要在服務(wù)器中設(shè)置事件鉤子函數(shù)SetServerEventHook(my_event_hook)。因?yàn)閺V告屏保是在沒有鍵盤鼠標(biāo)輸入的一段時(shí)間后自動(dòng)打開的，有任意鍵時(shí)又自動(dòng)關(guān)閉，所以只有始終運(yùn)行在后臺(tái)的服務(wù)器才能判斷廣告是否要打開關(guān)閉。

可以在消息循環(huán)時(shí)進(jìn)行判斷：

while(GetMessage(&Msg,HWND_DESKTOP))

{if (pid_scrnsaver= =0&&GetTickCount()>

old_tick_count+1000){

ShowCursor(FLASE);

pid_scrnsaver=exec_app("./scrnsaver","crnsaver");

}

DispatchMessage(&Msg);

}

dld_tick_count是前一次消息的時(shí)間。當(dāng)從GetTickCount()得到的當(dāng)前時(shí)間大于設(shè)定值時(shí)，還沒有任何消息的話，廣告屏保scrnsaver程序就啟動(dòng)，同時(shí)隱蔽鼠標(biāo)光標(biāo)。

當(dāng)系統(tǒng)又接收到事件時(shí)，會(huì)自動(dòng)執(zhí)行前面注冊過的事件鉤子函數(shù)。在該函數(shù)中，使用kill(pid_scrnsaver,SIGINT)命令關(guān)閉廣告程序，并顯示鼠標(biāo)即可。

軟件系統(tǒng)的示意如圖2所示。

將完成的C語言程序文件用交叉編譯工具編譯，并鏈接MiniGUI庫文件，即可生成所需的可執(zhí)行文件。

結(jié)語

將嵌入式Linux應(yīng)用至信息家電類產(chǎn)品中，并開發(fā)出優(yōu)秀的人機(jī)交互界面，是嵌入式發(fā)展的趨勢，擁有廣闊的市場前景。本系統(tǒng)開發(fā)的嵌入式信息終端也已初見成效，相信這種方案必將得到越來越多的應(yīng)用。