一種基于嵌入式Linux圖形用戶接口的實(shí)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(kuò)展，使消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、通信(3C)一體化趨勢(shì)日趨明顯，嵌入式系統(tǒng)再度成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。嵌入式實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)以價(jià)格低廉、功能強(qiáng)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(jī)、PDA、機(jī)頂盒、及DVD/VCD播放機(jī)已經(jīng)迅速普及，用戶對(duì)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(jī)才擁有的華麗美觀的GUI。GUI已經(jīng)成為了人與機(jī)器溝通的橋梁，嵌入式系統(tǒng)對(duì)GUI的需求越來(lái)越高，而這一切均要求有一個(gè)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(duì)于服務(wù)器，個(gè)人電腦和嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)偉大的技術(shù)。由于其具有跨平臺(tái)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(tái)無(wú)關(guān)的Java應(yīng)用程序接口打包到不同的操作系統(tǒng)來(lái)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(shuō)，只足夠構(gòu)建簡(jiǎn)單的applet程序。認(rèn)識(shí)到需要更高級(jí)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(jí)圖像(JAI)。Swing是用來(lái)構(gòu)建Java圖形界面的標(biāo)準(zhǔn)API(應(yīng)用程序接口)，一些AWT類由Swing基礎(chǔ)而來(lái)。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(jì)理念是最大化了操作系統(tǒng)的圖形構(gòu)件的API，就是說(shuō)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(jiǎn)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(gè)模擬的實(shí)現(xiàn)。另外SWT還提供對(duì)操作系統(tǒng)本地圖形用戶界面的直接訪問(wèn)，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(jiǎn)單、跨平臺(tái)、可靠等這些Jaya語(yǔ)言本身所具有的優(yōu)點(diǎn)正漸漸融合到圖形界面的應(yīng)用程序開發(fā)中去。Java語(yǔ)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(jī)構(gòu)的最上層，它與Java內(nèi)的AwT和Swing同屬于設(shè)計(jì)圖形界面所需的高級(jí)函數(shù)庫(kù)。而且SWT針對(duì)AWT 以及Swing的一些問(wèn)題作了改善，如今它已發(fā)展成一套與作業(yè)系統(tǒng)無(wú)關(guān)的圖形元件函數(shù)庫(kù)。在元件的產(chǎn)生方面采用了適當(dāng)?shù)哪M，在基本的元件方面是采用原有作業(yè)系統(tǒng)的，對(duì)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(yǔ)言開發(fā)出來(lái)的高級(jí)圖形元件庫(kù)，如圖2所示SWT在Java端通過(guò)JNI(Java Native InteRFace)技術(shù)直接調(diào)用native端的GtkFB來(lái)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(yǔ)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(yùn)行在JVM(JAava虛擬機(jī))中的SWT代碼調(diào)用GtkFB庫(kù)函數(shù)或其他程序；此外利用Invocation API，可將Java虛擬機(jī)嵌入到native端的應(yīng)用中。JNI這個(gè)接口是雙向的，相當(dāng)于橋梁和紐帶，它將SWT代碼和native端的GtkFB代碼連接起來(lái)。

　　2.1.2 Gtk庫(kù)

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

　　Pango是用于國(guó)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(yǔ)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(yǔ)和泰米爾語(yǔ))形狀的插件。Pango不僅僅是國(guó)際化，而且Pango庫(kù)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(shí)際上GTK提供gdk-pixbuf，gdk和gtk三個(gè)連接庫(kù)，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(wèn)性工具箱。GTK充分利用ATK使殘障人士(如視力低下或行動(dòng)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(wèn)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(shí)際上是用一塊硬件來(lái)做顯卡和軟件之間的橋梁，Linux的內(nèi)核將其開放出來(lái)，使用戶的程序可以通過(guò)塊內(nèi)存來(lái)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(duì)不同顯示硬件FrameBuffer的驅(qū)動(dòng)程序，這就是說(shuō)DirectFB需要運(yùn)行于FramBuffer之上，然而Linux內(nèi)核提供了常見芯片的FrameBuffer驅(qū)動(dòng)。

　　當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序連接到GtkFB時(shí)會(huì)調(diào)用gtk_init()，如圖3所示，此時(shí)GtkFB 啟動(dòng)Linux的Framebiffer，設(shè)定分辨率和色彩數(shù)，接下來(lái)打開鍵盤和鼠標(biāo)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(duì)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(gè)特定的圖形操作，DirectFB芯片驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒃L問(wèn)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(shí)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(diǎn)

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

　　由于GtkFB直接運(yùn)行在FrameBufer之上，跳過(guò)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(yùn)行速度上得到顯著提高。另外采用的JNI技術(shù)使得程序運(yùn)行速度、事件的響應(yīng)有較高的提高，能滿足時(shí)間要求較為嚴(yán)格的實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)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(jì)理念。SWT最大化了操作系統(tǒng)的圖形構(gòu)件API，就是說(shuō)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(gè)模擬的實(shí)現(xiàn)。可以看出SWT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(lì)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(lái)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(yǔ)言開發(fā)的，具有平***立性、面向?qū)ο蟆⒖梢浦?、安全等Java語(yǔ)言所擁有特點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)

　　3.1 前期準(zhǔn)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(gè)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(chǎng)，還可以用于商業(yè)市場(chǎng)、工業(yè)及自動(dòng)化市場(chǎng)、國(guó)防市場(chǎng)、通訊市場(chǎng)等。例如，在通訊市場(chǎng)，手機(jī)、可視電話、機(jī)頂盒等可能成為嵌入式Linu．x的運(yùn)行平臺(tái)，一個(gè)人性化的用戶界面是贏得消費(fèi)者關(guān)鍵因素。因此嵌入式Linux圖形系統(tǒng)將擔(dān)任著更加重要的角色。

　　未來(lái)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(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求非常高，并且比起嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)GUI的要求也更高。第三，可配置，我們必須清楚的意識(shí)到，嵌入式系統(tǒng)是一種定制設(shè)備，它們對(duì)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。