一種基于嵌入式Linux圖形用戶接口的實現(xiàn)

　隨著Internet與網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展 并向家庭領(lǐng)域不斷擴展，使消費電子、計算機、通信(3C)一體化趨勢日趨明顯，嵌入式系統(tǒng)再度成為研究與應(yīng)用的熱點。嵌入式實時Linux操作系統(tǒng)以價格低廉、功能強大又易于移植而正在被廣泛采用，成為新興的力量，如今隨著WAP手機、PDA、機頂盒、及DVD/VCD播放機已經(jīng)迅速普及，用戶對這些手持式設(shè)備的GUI提出了更高的要求，希望能看到像PC機才擁有的華麗美觀的GUI。GUI已經(jīng)成為了人與機器溝通的橋梁，嵌入式系統(tǒng)對GUI的需求越來越高，而這一切均要求有一個輕型、占用資源少、高性能、高可靠、可配置及美觀的GUI支持。

　　1 Java的圖形界面工具

　　Java技術(shù)對于服務(wù)器，個人電腦和嵌入式系統(tǒng)來說是一項偉大的技術(shù)。由于其具有跨平臺等特性。Java在服務(wù)器和桌面電腦方面的應(yīng)用是非常成功的。然而在GUI方面，Java只用非常有限的一些特征去構(gòu)建圖形用戶界面。其思想就是采用平臺無關(guān)的Java應(yīng)用程序接口打包到不同的操作系統(tǒng)來開發(fā)本地圖形用戶界面，被稱之為抽象的窗口工具(AWT)。僅有普通的部件如文件域、文本區(qū)、選擇框、單選按鈕、列表框和按鈕被AWT支持，圖形和圖像的特性支持非常有限，也就是說，只足夠構(gòu)建簡單的applet程序。認識到需要更高級的圖形用戶界面組件和圖形能力，Sun公司開發(fā)了Swing，Java 2D，Java3D，圖像的輸入/輸出，以及Java高級圖像(JAI)。Swing是用來構(gòu)建Java圖形界面的標準API(應(yīng)用程序接口)，一些AWT類由Swing基礎(chǔ)而來。它有一套完全的組件從按鈕到文件域、表格、樹型和文件編輯器。這些組件不依賴于操作系統(tǒng)本地的部件，而是用原始的圖形像直線、矩形、文字畫出。這種畫代表感觀插件，它能夠模仿本地的感觀。SWT是基于Java開發(fā)的，它的設(shè)計理念是最大化了操作系統(tǒng)的圖形構(gòu)件的API，就是說只要操作系統(tǒng)提供了相應(yīng)圖形的構(gòu)件，那么SWT只是簡單應(yīng)用JNI技術(shù)調(diào)用它們，只有那些操作系統(tǒng)中不提供的構(gòu)件，SWT才自己去做一個模擬的實現(xiàn)。另外SWT還提供對操作系統(tǒng)本地圖形用戶界面的直接訪問，因此，基于SWT的Java應(yīng)用程序擁有本地的圖形用戶界面并且可以和本地別的應(yīng)用程序和部件集成在一起。使用SWT開發(fā)包，簡單、跨平臺、可靠等這些Jaya語言本身所具有的優(yōu)點正漸漸融合到圖形界面的應(yīng)用程序開發(fā)中去。Java語言的另一扇成功之門正在逐漸打開。

　　2 SWT+GtkFB圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　2.1 SWT+GtkFB圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　2.1.1 SWT

　　SWT處于體系機構(gòu)的最上層，它與Java內(nèi)的AwT和Swing同屬于設(shè)計圖形界面所需的高級函數(shù)庫。而且SWT針對AWT 以及Swing的一些問題作了改善，如今它已發(fā)展成一套與作業(yè)系統(tǒng)無關(guān)的圖形元件函數(shù)庫。在元件的產(chǎn)生方面采用了適當?shù)哪M，在基本的元件方面是采用原有作業(yè)系統(tǒng)的，對于較復(fù)雜的元件才用仿真的技術(shù)。基于SWT的Java應(yīng)用程序擁有本地的圖形用戶界面，并且可以和本地別的應(yīng)用程序，以及部件集成在一起。

　　SWT是基于Java語言開發(fā)出來的高級圖形元件庫，如圖2所示SWT在Java端通過JNI(Java Native InteRFace)技術(shù)直接調(diào)用native端的GtkFB來使用操作系統(tǒng)的資源，JNI技術(shù)使得SWT程序可以與其他語言編寫的Native端的代碼互相協(xié)作，將它們整合在一起；另一方面可使運行在JVM(JAava虛擬機)中的SWT代碼調(diào)用GtkFB庫函數(shù)或其他程序；此外利用Invocation API，可將Java虛擬機嵌入到native端的應(yīng)用中。JNI這個接口是雙向的，相當于橋梁和紐帶，它將SWT代碼和native端的GtkFB代碼連接起來。

　　2.1.2 Gtk庫

　　如圖1所示，GTK會用到幾個連接庫，如基本數(shù)據(jù)類型用的Glib庫，它是由基礎(chǔ)類、核心應(yīng)用支持類、實用功能類、數(shù)據(jù)類和對象系統(tǒng)類五個部分組成的。

　　Pango是用于國際化文本的布局和顯示的全功能框架。Pango可以處理以非從左到右方向排列的文本，并且可以容易地管理復(fù)雜語言，甚至還可以處理根據(jù)使用環(huán)境而采用不同形式的信函。例如它支持雙向文本，用戶可以將從左到右的文本和從右到左的文本混合編排；還可有用于確定各種復(fù)雜文本(如阿拉伯語和泰米爾語)形狀的插件。Pango不僅僅是國際化，而且Pango庫在Xft和XRender的支持下能很好地處理抗鋸齒字體文本的顯示。

　　Pango還支持各種圖形格式如libpng，libjpeg，libtiff和Framebuffer port用的FreeType等。實際上GTK提供gdk-pixbuf，gdk和gtk三個連接庫，其中Gdk-pixbuf讓我們可做相關(guān)的圖像工作，gdk是窗口繪圖系統(tǒng)的抽象層，framebuffer相關(guān)的工作大部分在此完成，而gtk則是高層的應(yīng)用程序接口。

　　Atk(Accessibility Toolkit)可訪問性工具箱。GTK充分利用ATK使殘障人士(如視力低下或行動不便)與GTK應(yīng)用程序交互成為可能。

2.1.3 GtkFB的工作原理

　　DirectFB訪問圖形硬件設(shè)備依賴于操作系統(tǒng)提供的內(nèi)核接口，即幀緩沖設(shè)備(FrameBuffer)。FrameBuffer實際上是用一塊硬件來做顯卡和軟件之間的橋梁，Linux的內(nèi)核將其開放出來，使用戶的程序可以通過塊內(nèi)存來存取顯卡。例如設(shè)定顯示分辨率和色彩數(shù)、存取顯示內(nèi)存區(qū)等。不同的Linux需要提供針對不同顯示硬件FrameBuffer的驅(qū)動程序，這就是說DirectFB需要運行于FramBuffer之上，然而Linux內(nèi)核提供了常見芯片的FrameBuffer驅(qū)動。

　　當一個應(yīng)用程序連接到GtkFB時會調(diào)用gtk_init()，如圖3所示，此時GtkFB 啟動Linux的Framebiffer，設(shè)定分辨率和色彩數(shù)，接下來打開鍵盤和鼠標等外設(shè)(PDA打開按鍵和觸控屏幕)．然后到特定目錄去讀取字型，最后對窗口和事件管理作初始化操作。GtkFB可以支持8、16、24、32bpp的framebuffer。

　　為了執(zhí)行一個特定的圖形操作，DirectFB芯片驅(qū)動程序?qū)⒃L問圖形設(shè)備內(nèi)存映射的I/O端口，并且把命令傳遞到圖形設(shè)備卡的加速引擎。實際的硬件加速是完全在用戶空間內(nèi)完成的。

　　2.2 SWT+GtkFB圖形系統(tǒng)的優(yōu)點

　　2.2.1 內(nèi)存消耗小、運行速度快特別適合嵌入式產(chǎn)品

　　由于GtkFB直接運行在FrameBufer之上，跳過X系統(tǒng)，這樣省下了X Server這一部分資源，這使得在內(nèi)存消耗、運行速度上得到顯著提高。另外采用的JNI技術(shù)使得程序運行速度、事件的響應(yīng)有較高的提高，能滿足時間要求較為嚴格的實時應(yīng)用場合。

　　2.2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性好

　　SWT 的穩(wěn)定性，關(guān)鍵是源于SWT 的設(shè)計理念。SWT最大化了操作系統(tǒng)的圖形構(gòu)件API，就是說只要操作系統(tǒng)提供了相應(yīng)圖形的構(gòu)件，那么SWT只是應(yīng)用JNI技術(shù)調(diào)用它們，只有那些操作系統(tǒng)中不提供的構(gòu)件，SWT才自己去做一個模擬的實現(xiàn)?？梢钥闯鯯WT性能上的穩(wěn)定很大程度上取決于相應(yīng)操作系統(tǒng)圖形構(gòu)件的穩(wěn)定性。

　　2.2.3 易于移植和共享

　　SWT的API和桌面版完全相同，因而代碼可以很容易地在桌面和嵌入式設(shè)備之間移植與共享。

　　2.2.4 小巧可配置

　　SWT采用了LGPL授權(quán)方式，用戶可以自由地甚至是鼓勵修改源代碼使其更加滿足用戶的需求，很容易根據(jù)用戶的需求來裁減特定的SWT+GtkFB，依據(jù)LGPL許可證，用戶需要公布修改的源代碼，但用戶不必公布自給應(yīng)用程序的源代碼。

　　2.2.5 易于開發(fā)

　　SWT是基于Java語言開發(fā)的，具有平***立性、面向?qū)ο蟆⒖梢浦?、安全等Java語言所擁有特點。用戶可以很容易的基于SWT提供的Widget(構(gòu)件)開發(fā)出滿足自己需要的Widget，而且很容易地使用這些Widget去構(gòu)建應(yīng)用程序。

　　3 SWT+GtkFB圖形系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　3.1 前期準備

　　在Linux編譯和安裝SWT+GtkFB，首先到http://www.gtk.org/download下載如下的包：pkg-config、glib2.x；atk、pango、DirectFB、gtk+2.x。其次到http://www.eclipse.org/download下載swt.tgr.gz。

　　下一步就是在/home/XXX/目錄下創(chuàng)建SWT 和GTK兩個目錄并且設(shè)置環(huán)境變量。如下：

　　export SWT_HOME=/home/XXX/SWT

　　export SWT_HOME=/home/XXX/GTK

　　export PKG_CONFIG_PATH=$GTK_HOME /lib/pkgconfig

　　export LD_LIBRARY_PATH=$GTK_HOME/lib;$LD_LIBRARY_PATH

　　此外增加“/home/XXX/GTK/bin”到系統(tǒng)的環(huán)境變量PATH下。

　　3.2 編譯和安裝Gtk+2.0

　　3.2.1 編譯和安裝pkg-config

　　tar zxvf glib-2.0.6.tar.gz -C $GTK_HOME/src

　　cd $GTK HOME/src/glib-2.0.6

　　./configure --prefix=$GTK_HOME

　　make

　　make install

　　3.2.2 編譯和安裝atk

　　tar zxvf atk-1.0.1.tar.gz -C $GTK_HOME/src

　　cd $GTK_HOME/src/atk-1.0.1

　　./configure --prefix=$GTK_HOME

　　make

　　make install

　　3.2.3 編譯和安裝pango、Direct FB、gtk+2.0 、swt-forgtk2.2

　　步驟類似atk的安裝。

　　4 嵌入式Linux GUI的應(yīng)用前景展望

　　嵌入式Linux GUI的應(yīng)用領(lǐng)域很多，既可以用于家電市場，還可以用于商業(yè)市場、工業(yè)及自動化市場、國防市場、通訊市場等。例如，在通訊市場，手機、可視電話、機頂盒等可能成為嵌入式Linu．x的運行平臺，一個人性化的用戶界面是贏得消費者關(guān)鍵因素。因此嵌入式Linux圖形系統(tǒng)將擔任著更加重要的角色。

　　未來幾年，嵌入式Linux GUI將朝以下方向發(fā)展：第一，輕型、占用資源少，不希望建立在龐大累贅的、非常消耗系統(tǒng)資源的操作系統(tǒng)和GUI之上。第二，高性能、高可靠性，特別是工業(yè)實時控制系統(tǒng)，對實時性的要求非常高，并且比起嵌入式系統(tǒng)來說，對GUI的要求也更高。第三，可配置，我們必須清楚的意識到，嵌入式系統(tǒng)是一種定制設(shè)備，它們對GUI的需求各不相同，有的系統(tǒng)只要求一些圖形功能，而有些系統(tǒng)要求完備的GUI支持，因此，GUI也必須是可定制的。