摘要 針對嵌入式多任務(wù)GUI系統(tǒng)需要非常強的靈活性、可移植性和可伸縮性的特點．提出一種通用解決方案；采用層次化、模塊化和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，給出了GUI的體系結(jié)構(gòu)，并對多任務(wù)GUI設(shè)計中的多任務(wù)調(diào)度策略及管理、消息驅(qū)動機制、桌面廈窗口管理和對象樹等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。該解決方案的原型已經(jīng)成功應(yīng)用于我國自主產(chǎn)權(quán)的實時操作系統(tǒng)DeltaOS中。

關(guān)鍵詞 嵌入式系統(tǒng)，嵌入式GUI圖形用戶界面 多任務(wù)

嵌入式GUI(Graphic Uset Interface)系統(tǒng)就是在嵌入式系統(tǒng)中為特定的硬件設(shè)備或環(huán)境而設(shè)汁的圖形用戶界面系統(tǒng)。調(diào)查顯示，越來越多具有靈活性、高效性和可移植性的嵌入式GUI系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于辦公自動化、消費電子、通信設(shè)備、智能儀器等許多領(lǐng)域；而且隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，要求GUI實現(xiàn)的功能越來越豐富，GUI系統(tǒng)也變得比以往更加復(fù)雜、多樣。
大多數(shù)的嵌入式GUI系統(tǒng)都只能簡單地支持單任務(wù)。單任務(wù)GUI的效率較低，無法滿足未來GUI的發(fā)展需求，故多任務(wù)GUI是嵌入式GUI的發(fā)展方向。
目前，在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域比較成功的嵌入式多任務(wù)GUI系統(tǒng)主要有：MiniGUI、MicroWindows和Qt／Em-bedded。它們主要是針對嵌入式Linux而設(shè)計的，通過PThrred庫來實現(xiàn)對多線程的支持；而PThred本身就比較復(fù)雜，很難將這些GUI系統(tǒng)移植到平臺接口不符合POSIX標準的目標平臺上。所以，上述幾種GUI系統(tǒng)有一個共同的缺點，就是過分地依賴于某種特定的平臺，導(dǎo)致可移植性差。
為了有效地兼容嵌入式領(lǐng)域的各種環(huán)境，下面提出一種通用、有效并且可移植性好的嵌入式GUI體系結(jié)構(gòu)，并對多任務(wù)GUI設(shè)汁中的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

1 體系結(jié)構(gòu)
針對GUI需要非常強的靈活性，可移植性和可伸縮性的特點，在其體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，采用層次化、模塊化和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想。層次式的體系結(jié)構(gòu)在許多軟件系統(tǒng)中被采用，被公認為是一種合理的結(jié)構(gòu)，但最重要的是如何來劃分這些層次，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最合理、最清晰。
在設(shè)計中采用如下劃分策略：力求層次之間相對獨立，對任一層的改動保證它對上層的接口不變，上層不受下層變化的影響。在這樣的層次結(jié)構(gòu)中，最底層和最高層都可能根據(jù)具體需要發(fā)生改變，因此應(yīng)該為這兩層提供充分的變動空間，而中間的層次則應(yīng)是獨立不變的。
GUI在嵌入式應(yīng)用環(huán)境中，硬件環(huán)境、操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序之間的層次如圖1所示。圖1中，通過驅(qū)動程序，GUI組件部分與硬件隔離；通過操作系統(tǒng)抽象層，使核心與具體操作系統(tǒng)隔離。這種層次體系結(jié)構(gòu)使得GUI具有良好的平臺無關(guān)性，在不同的操作系統(tǒng)和硬件平臺之間的移植非常方便。按上述設(shè)計思想，GUI層次模型劃分如圖2所示。圖中，GUI被劃分為3層，每一層義根據(jù)具體功能的不同被劃分為幾個模塊。

1.1 輸入輸出層
這一層的功能是將系統(tǒng)中設(shè)備和操作系統(tǒng)平臺的具體細節(jié)屏蔽起來。該設(shè)備層被定義在BSP中，向上提供GUI對沒備的顯示特性操作。該層分為設(shè)備邏輯和硬件抽象兩個子層。設(shè)備邏輯子層使用同一類設(shè)備的概念來描述GUI支持的外部設(shè)備及對該設(shè)備的邏輯操作，向上層提供了統(tǒng)一的設(shè)備操作接口；而硬件抽象子層則利用實際的設(shè)備控制器操作，根據(jù)硬件在不同平臺上的驅(qū)動來實現(xiàn)硬件抽象子層中定義的接口。
1.2 窗口核心層
窗口核心層實現(xiàn)GUI的關(guān)鍵功能，根據(jù)功能可劃分為消息管理、緩沖池管理、作圖管理、定時器、資源管理、對象管理、子屏管理和內(nèi)存堆管理等幾部分。
由于GUI采取消息驅(qū)動的通信方式，因此消息管理構(gòu)成GUI的靈魂，通過它把系統(tǒng)的各個部分聯(lián)系起來。在應(yīng)用程序的運行過程中，消息承載了系統(tǒng)各部分間的交換信息。
內(nèi)存堆管理：目的是避免在系統(tǒng)運行過程中動態(tài)分配和釋放內(nèi)存時引起存儲碎片。兩個比較頻繁的動態(tài)內(nèi)存分配操作是消息空間的申請／釋放和屏幕對象剪切域的刷新。
作圖管理：完成畫點、畫線、畫圓等作圖操作。為了提高GUI的移植性，這層主要完成與硬件無關(guān)的作圖過程。對具有特殊顯示功能的應(yīng)用平臺來說，此層也可以大量調(diào)用硬件提供的功能函數(shù)(經(jīng)輸出硬件無關(guān)層包裝后的接口)，從而實現(xiàn)特殊的作圖效果。GUI在結(jié)構(gòu)上提供了這種靈活性。作圖管理層向上以作圖原語集的形式為應(yīng)用提供調(diào)用接口。
定時器：根據(jù)系統(tǒng)時鐘來為應(yīng)用提供計數(shù)信息。
資源管理：主要對字體、圖片和調(diào)色板等進行管理，需要實現(xiàn)資源的存儲以及為應(yīng)用提供適當?shù)慕涌趦纱蠊δ堋?br/>對象管理：采取合理的機制來組織在屏幕上顯示的對象。GUI把所有能在屏幕上顯示的GUI元素稱為“對象”，并通過對象樹、Z序和剪切域等機制來實現(xiàn)對象的管理。窗口核心層還為應(yīng)用提供了添加、刪除、隱藏對象等操作接口函數(shù)。
1.3 應(yīng)用接口層
應(yīng)用接口層封裝了GUI為用戶提供的一切接口，應(yīng)用程序看到的GUI就是此層提供的所有接口函數(shù)，包括工具箱、作圖原語集和對象操作集等3部分。
工具箱：GUI為用戶提供的控件集。這部分的大小是可根據(jù)應(yīng)用的需要調(diào)整的，從而也在較大程度上影響了GUI庫的大小。常用的控件有按鈕、滾動條、窗口和編輯框等。
作圖原語集：作圖管理層提供的繪圖函數(shù)接口。工具箱也是在它的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。
對象操作集：主要實現(xiàn)GUI對象的添加和刪除等操作功能。

2 多任務(wù)GUI關(guān)鍵技術(shù)分析
本文中提到的“任務(wù)”，在同一個地址空間執(zhí)行并且可以無約束地直接訪問所有的共享資源。下面對多任務(wù)GUI設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)進行分析。
2.1 多任務(wù)調(diào)度策略及管理
多任務(wù)系統(tǒng)需要一個合理的任務(wù)調(diào)度策略來管理所有的任務(wù)。啟動GUI后，會默認產(chǎn)牛一個系統(tǒng)任務(wù)、一個事件任務(wù)和一個定時器任務(wù)；而應(yīng)用任務(wù)的產(chǎn)生則要根據(jù)具體的用戶需求。
(1)系統(tǒng)任務(wù)
桌面對象運行的任務(wù)稱為“系統(tǒng)任務(wù)”。系統(tǒng)任務(wù)是整個圖形用戶系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的核心。它不斷地從系統(tǒng)的主消息隊列中取消息，并按消息的目的和用途將其派發(fā)到對應(yīng)的目的任務(wù)；同時負責所有應(yīng)用任務(wù)的管理和維護以及桌面管理等事務(wù)。一個系統(tǒng)中僅有一個系統(tǒng)任務(wù)。
(2)事件任務(wù)
事件任務(wù)負責收集外部事件，并將事件解釋為與之對應(yīng)的GUI消息，并放入系統(tǒng)的主消息隊列中。用戶的輸入正是從這里傳人GUI核心進行處理。一般情況下，一個系統(tǒng)中僅有一個事件任務(wù)。
(3)定時器任務(wù)
定時器任務(wù)是通過操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生GUI定時器的。
(4)應(yīng)用任務(wù)
除系統(tǒng)任務(wù)之外，窗口所運行的其他任務(wù)稱為“應(yīng)用任務(wù)”。應(yīng)用任務(wù)是用戶程序運行的基本單位。應(yīng)用邏輯都在此任務(wù)中運行，擁有自己的消息隊列，接收來自GUI核心的消息，按一定規(guī)則獨立進行消息循環(huán)。應(yīng)用任務(wù)通過消息與系統(tǒng)任務(wù)交互，受系統(tǒng)任務(wù)的管理；通過應(yīng)用接口層使用系統(tǒng)的軟硬件資源。應(yīng)用任務(wù)的上限數(shù)目僅受平臺的資源數(shù)目限制。
在嵌入式GUI中，系統(tǒng)任務(wù)被賦予最高的優(yōu)先權(quán)，其他任務(wù)可使用低于系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)先級的不同優(yōu)先級；相同優(yōu)先級應(yīng)采用時間片輪轉(zhuǎn)方式運行。總之，如果有必要，則嵌入式GUI系統(tǒng)會同時采取時間片輪轉(zhuǎn)和優(yōu)先級搶占的任務(wù)調(diào)度策略，如圖3所示。

在沒有消息到達或者在等待某個事件時，任務(wù)需要將自己掛起。一旦有消息進入消息隊列，任務(wù)將會被喚醒以處理消息。這樣，有限的CPU資源就能夠被充分地利用。
此外，系統(tǒng)任務(wù)維護一個用于跟蹤及管理應(yīng)用任務(wù)的列表。每一個應(yīng)用任務(wù)對應(yīng)一個包含其屬性信息的任務(wù)信息塊。任務(wù)屬性包括消息隊列指針、任務(wù)句柄和任務(wù)入口等，對指定任務(wù)進行了詳細的描述。一個信息塊的創(chuàng)建與銷毀必須與應(yīng)用任務(wù)的創(chuàng)建與銷毀保持同步。系統(tǒng)任務(wù)必須維護該列表，以保證這些信息塊的正確性。多任務(wù)管理機制如圖4所示。
對用戶來說，只需要簡單地指定任務(wù)的入口和優(yōu)先級(如果有必要的話)，其他所有的工作都由系統(tǒng)任務(wù)自動完成。采用這種調(diào)度和管理方法，能使系統(tǒng)變得更加易用和高效。
2．2 消息驅(qū)動機制
消息機制的提出，最初是為了解決早期程序設(shè)計中基于硬件中斷的事件處理問題。中斷事件的發(fā)生足不可預(yù)期的、突發(fā)性的，因此當有多個應(yīng)用等待并處理中斷事件時，就會出現(xiàn)問題。消息機制可以很好地解決事件驅(qū)動的多應(yīng)用設(shè)計問題，并且可以形成一種處理多個系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內(nèi)部件和部件之問關(guān)系的簡潔而且可靠的方法。
在只支持單任務(wù)的GUI系統(tǒng)中只有一個串行化的消息隊列，消息嚴格地按照順序處理，導(dǎo)致響應(yīng)慢、效率低，故有必要采用并行化的消息隊列。當一個隊列中的消息忙于處理一個冗長工作時，輸入焦點能夠切換到另外一個隊列。
系統(tǒng)維護一個系統(tǒng)消息隊列和多個指定任務(wù)信息隊列，每個指定任務(wù)信息隊列對應(yīng)一個應(yīng)用任務(wù)，如圖5所示。事件任務(wù)將輸入轉(zhuǎn)化成消息并將其放入系統(tǒng)消息隊列中，系統(tǒng)任務(wù)檢索到輸入消息后首先會對該消息進行檢查，然后將消息郵寄給目標應(yīng)用任務(wù)或直接對消息進行處理。每個應(yīng)用任務(wù)從它的消息隊列中移出消息，并將其發(fā)送到適當?shù)拇翱诔绦蛑羞M行處理。一個應(yīng)用任務(wù)可以將消息郵寄到它自己的消息隊列，也可以郵寄到其他應(yīng)用任務(wù)的消息隊列中。

此外，為了達到不同的目的，系統(tǒng)提供了同步和異步兩種基本類型的消息。
2.3 桌面及窗口管理
屏幕中的窗口通常是相互覆蓋，而且它們的相對位置也在不斷地變動。這些窗口有可能分別屬于不同的任務(wù)，但共享一個相同的屏幕。所以，如何方便并有效地計算和維護窗口便顯得很重要。
首先介紹2個概念：全局剪切域和窗口剪切域。它們都與應(yīng)用任務(wù)相關(guān)，前者指出哪些區(qū)域占據(jù)屏幕，后者給出在相同的應(yīng)用任務(wù)中所有對象的剪切關(guān)系。
系統(tǒng)任務(wù)除了要維護它自己的剪切域外，還要負責管理所有應(yīng)用任務(wù)的全局剪切域，如圖6所示。一旦窗口位置發(fā)生變化，系統(tǒng)任務(wù)必須更新信息并且通知應(yīng)用任務(wù)作出相應(yīng)的變動。另一方面，在計算窗口剪切域時，應(yīng)用任務(wù)只須關(guān)心它本身而不受其他任務(wù)的影響，好像整個屏幕只有它一個任務(wù)在運行。至于最后實際的剪切結(jié)果，只需將全局剪切和窗口剪切結(jié)果進行“與”運算。

2.4 Z序和對象樹
Z序?qū)嶋H定義了屏幕中對象集(可顯窗口)之間的層次關(guān)系。GUI用戶可以通過選擇要被置于前端的窗口來改變Z序。很多GUI系統(tǒng)將Z序當作一個帶有指定運算集的顯式列表來實現(xiàn)。然而，在嵌入式GUI系統(tǒng)中不用這種方式，而是通過對象樹來說明這些GUI對象之間的層次關(guān)系和Z序。理論上，每一個GUI對象都有父親、孩子和兄弟。因此，所有顯示在屏幕上的對象便構(gòu)成一棵以桌面為根節(jié)點的倒置樹。對樹進行“后根遍歷”就能夠容易地得到Z序。
圖7描述了對象樹的建立過程。對象樹的采用極大地簡化了桌面管理，能夠在不增加額外工作的情況下方便地組合對象和實現(xiàn)Z序管理。

3 小 結(jié)
將來的GUI系統(tǒng)將越來越復(fù)雜，要求GUI系統(tǒng)實現(xiàn)的功能也越來越豐富，這就需要一個更加開放且伸縮性好的體系結(jié)構(gòu)。本文提出的嵌入式GUI體系結(jié)構(gòu)具有很強的靈活性，且可移植性好，能夠很好地應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域的各種環(huán)境。