引言
什么是嵌入式系統
嵌入式系統一般指以嵌入式微處理器為核心，有別于PC系統，有計算機的部分功能但又不稱之為計算機的設備或器材。它主要是以應用為目的，系統軟硬件于一體，通常要求具有代碼小、響應速度快、可靠性高、低功耗、集成度高等特點。嵌入式系統遍布于各個行業以及人們的日常生活當中，比如掌上PDA、移動計算設備、電視機頂盒、手機、汽車、數字相機、家庭自動化系統、安全系統、自動售貨機、工業自動化儀表與醫療儀器等。
什么是嵌入式系統中的GUI
隨著后PC時代的到來，嵌入式系統的性能有了大幅度的提高，應用范圍也越來越廣，當初的一些簡單的人機交互接口已經無法滿足人們的要求。而與此同時，在臺式PC機上圖形交互界面早已普及并成熟，于是在嵌入式系統中也逐漸出現了圖形用戶界面（GraphicUserInterface,GUI），特別是在一些消費類產品中。嵌入式系統中的GUI就是在嵌入式系統中為特定的硬件設備或環境而設計的圖形用戶界面系統。由于受到當前嵌入式系統本身特點的影響，并受其發展限制，所以嵌入式系統中的GUI應該有如下特點：
占用的存儲空間以及運行時占用資源少；運行速度以及響應速度快；可靠性高；便于移植和定制。
Linux有開放的源碼、高效穩定的內核、良好的開發環境以及支持多種硬件平臺等特點，而且由于Linux的可配置性和可模塊化，一個Linux內核經過配置和裁減可以只占用幾百K左右的存儲空間，使其在嵌入式系統中也得到廣泛應用。然而，在嵌入式系統中有嚴格的資源限制，臺式機Linux平臺下成熟的GUI無法直接移植到嵌入式設備上。因此，嵌入式系統中基于Linux的GUI愈發成為開發基于Linux的嵌入式系統所必須面對的問題。目前，隨著嵌入式行業分工的細化，出現了專門的公司致力開發Linux下的GUI并給其它公司提供授權，從而縮短了嵌入式系統的開發周期。本文就旨在于對這樣的幾種嵌入式GUI進行研究，列出表1進行比較，并介紹這幾種GUI在基于ARMLinux上的移植。
幾種比較成熟的嵌入式GUI的研究
Microwindows
Microwindows是由美國CenturySoftware公司開發的開放源碼的嵌入式GUI項目。它不需要其他圖形系統的支持，可以充分利用Linux提供的FrAMEbuffer機制來進行圖形顯示。同時在底層提供了對多種芯片的支持，并基本上用C語言實現，因此移植性很強。國內也有人參與了這個項目的開發，并編寫了GB2312等字符集的支持。
Microwindows是基于分層式設計的，它允許不同的層可以被重新設計以滿足系統實現的需要，目前總共分為三層。最底層是屏幕、鼠標或觸摸屏和鍵盤的驅動程序，用于實現系統的顯示功能以及滿足用戶特有的輸入需求。中間層實現了一個可移植的圖形引擎，以提供對畫線、填充、剪切和著色的支持。在最上層，則提供了多種的API給應用程序設計者。Microwindows支持兩種API:ECMAAPIW（類Win32API）和Nano-XAPIs。這些API對Win32和XWindow系統有很好的兼容性，使程序可以很容易地從其它系統上移植過來。其中比較完備的是Nano-XAPI。Nano-X設計成是一個客戶端/服務器的環境，在此模式下應用程序與一個客戶端的庫相連，而這個庫則通過一個UNIXsocket與Nano-X服務器相連。每個應用程序都通過UNIXsocket來傳遞各種參數，并由服務端來完成客戶端的各種請求。當為了滿足運行速度以及調試的需求時，還可以通過共享的內存空間來完成傳播數據。
由于Microwindows為了與XWindow的兼容，它采用了傳統的基于UNIXsocket的客戶端/服務器結構。此是，客戶端的畫圖、窗口建立等操作都是通過套接字與服務器通信。在這種情況下，系統就變得非常依賴于UNIXsocket,而UNIXsocket的傳遞都需要通過內核，這樣在一些對實時性要求比較高的系統里就不太有利。而且Microwindows基本上用C語言實現的，雖然增強了可移植性，但也同樣導致了系統的運行效率不高。同時Microwindows的開發工具FLNX也還不夠成熟，有待進一步提高。
MiniGUI
MiniGUI是我國國內自主開發、比較成熟的一個圖形用戶界面系統，面向基于Linux的實時嵌入式系統，使用現有成熟的圖形引擎（SV2GALib/LibGGI），采用類似WinCE的線程機制（目前MiniGUILite版本改用微客戶端/服務器模式來提供對多進程的支持），集成了多字體和多字符集，支持硬件加速能力，充分使用顯示內存。
從整體來看，MiniGUI也是屬于分層結構設計（見圖1）。在最底層，GAL和IAL提供了Linux控制臺和底層圖形接口的支持以及輸入設備比如鼠標、鍵盤等的驅動，PThread則是提供了內核級線程支持的函數庫；中間層MiniGUIKernel則包括了窗口系統的各個模塊，MiniGUI本身是運行在多線程模式下，它的各個模塊都是以單獨的線程運行，同時它也利用線程來實現多窗口；最上層，則是提供給各種應用程序使用的API函數。MiniGUI中利用線程之間的同步操作，實現了客戶線程和服務線程之間的微客戶端/服務器結構，因為它的客戶和服務器是同一進程的兩個不同線程。它的核心實現主要體現在消息隊列數據結構的使用上。
多線程有其一定的好處，但弱點則在于不同的線程共享了同一個地址空間，因此，客戶線程可能會破壞系統服務器線程的數據，導致系統健壯性不夠健全。雖然目前的MiniGUILite版本拋棄LinuxThread庫而改用微客戶端/服務器模式提供對多進程的支持，但是仍然存在著對多進程支持弱、圖形功能不完善、窗口剪切不完備等問題。
QT/Embedded和Qtopia
QT/Embedded是著名的QT庫開發商TrollTech開發的基于framebuffer、面向嵌入式系統的QT版本。它的特點主要有界面美觀、色彩配比好，使用與QT/Windows和QT/X11完全一致的API接口，許多基于QT的程序可以非常方便地移植到嵌入式系統；同時它具有豐富的模塊，用戶可以根據需要選擇QT/Embedded的特性集合。Qtopia是TrollTech專門為嵌入式Linux設備所定制終端用戶平臺，它包括了Qtopia庫和Qtopia的服務器及客戶端應用程序。
QT/Embedded和Qtopia的結構如圖2所示。QT/Embed2ded實現了對下層輸入設備的驅動和底層圖形接口以及各基類和API。Qtopia也是以客戶/服務器的方式，通過消息機制來管理各種應用程序。QT的資源相當豐富，基于QTAPI開發的應用程序相當多，像KDE這種應用范圍極廣的GUI也是使用QTAPI開發出來的；而且OPIE組織也開發了并改進了許多專門基于QT/Embedded上的Qtopia應用程序及函數庫。
不過QT/Embedded對于系統的資源要求非常高，需要在較大的存儲空間和運行空間上才可以運行；而且它是基于C++來實現的，而這種C++接口對于嵌入式系統中的某些應用來說就顯得比較臃腫；另外如若需要修改QT/Embedded并在商業產品中發布，則需要分別購買開發授權及運行時授權，所需費用太昂貴。
基于ARMLinux平臺的移植
編譯環境的建立
GUI的編譯通常都是在PC機上執行的，也就是說，編譯器本身能夠在PC機上執行，同時編譯源代碼生成的二進制文件必須能在目標機上執行，這類編譯器通常稱為交叉編譯器。對于ARM平臺，我們安裝了cross-arm-binutils-*.i386.rpm、cross-arm-gcc-*.i386.rpm、cross-arm-glibc-*.i386.rpm這三個包。這些包都可以從網上免費獲取，“*”通常代表版本號。arm-binutils這個包一般包含了一些針對ARM平臺的二進制工具，比如arm-STrip、arm-ar等命令；arm-glibc這個包包含的是標準C的函數庫的ARM的版本以及對應的頭文件；arm-gcc中包含的則是生成ARM平臺代碼的x86上的交叉編譯器。執行rpm命令將這些包安裝到PC機上，若不在系統默認搜索目錄下，比如安裝在/opt/cross目錄下，則必須將/opt/cross/bin目錄加到系統的PATH環境變量中，這樣在每次編譯時系統才能找得到編譯器。另外需要注意的是，編譯時所用的函數庫版本要與目標版上運行時所用的函數庫版本一致。經過上述步驟，就已經建立了交叉編譯環境，接下來的就是選擇或修改GUI的編譯選項，從而生成所需要的GUI系統。
Microwindows的移植
Microwindows的定制和編譯主要是通過修改它源程序根目錄下的cONfig這個文件中的選項來實現，而在configs這個目錄下已經有一些針對不同平臺的config文件，若目標平臺與之定義的相符，可直接將其拷貝到根目錄下覆蓋掉原有的config文件，然后輸入命令make來開始編譯。另外還可以執行根目錄下的xconfigure文件，它提供了一個可視化的窗口來方便用戶進行編譯選項配置。下面介紹一下其中主要的一些選項：
目標平臺選項。ARCH表示目標機的平臺，比如ARCH=LINUX-ARM,BIGENDIAN表示目標平臺是否為大數端；
圖像支持選項。HAVE-BMP-SUPPORT=Y、HAVEJPEG-SUPPORT=Y兩項表示對BMP和JPEG格式圖像的支持（還有其它格式選項）。設置JPEG圖像選項時必須給出外部jpeg解壓縮庫的位置，例如LIBJPEG=/usr/lib/libjpeg.a;
字體支持選項。HAVE-FREETYPE-SUPPORT=Y、HAVE-T1LIB-SUPPORT=Y表示支持TrueType和AdobeType1字體，這些庫也必須預先編譯并在配置文件中指定其位置，Microwindows的網站上提供了許多字庫函數的下載。另外，Microwindows還提供了中文BIG5、GB2312以及日文和韓文的支持；
輸出顯示選項。FRAMEBUFFER=Y表示使用Linux上的framebuffer來實現顯示，當然Microwindows也支持X11顯示；
輸入設備選項。Microwindows提供了一系列的鼠標（包括觸摸屏）和鍵盤的支持，可以根據不同的系統選擇適當的選項。
配置完成后，執行make命令開始編譯。編譯完成后，將生成的庫以及可執行文件打包下載到目標板上。如果庫文件沒有放在目標系統的默認搜索庫的路徑中，那么還需將此目錄加到LD-LIBRARY-PATH環境變量中，然后即可以運行nano-X服務器及各應用程序。
MiniGUI的移植
下載MiniGUI的庫文件源代碼包libminigui-3.tar.gz和資源文件包minigui-res-3.tar.gz以及演示程序包mde-3.tar.gz后，將它們分別解壓到各自的目錄下。首先介紹庫文件的編譯，它的編譯配置主要通過執行源程序根目錄下configure這個文件，并給它傳遞相關的參數來實現。比如：CC=arm-linux-gcc./configure———host=i386-linux———target=arm-linux。其中，CC參數表示所使用的編譯器名，host表示編譯環境所在的主機類型，target表示編譯生成后目標系統的主機類型，當前默認編譯生成的是MiniGUIThread版本，如果要生成MiniGUILite版本需再加上參數———enable-lite,更多參數可以通過執行。/configure-help來查詢。在執行configure之前，根據硬件特性可以修改根目錄下的etc目錄下的Minigui-3d.cfg和Minigui-flat.cfg兩個文件中的選項。比如，如果目標系統的framebuffer大小是320X240,每像素占12bits,則將上述兩個文件中[fbcon]組中的defaultmode的值就應設置為320X240-12bpp。配置完成以后執行make命令開始編譯，編譯結束后執行makeinstall命令，在/usr/local/lib下面會生成交叉編譯出來的動態庫和靜態庫文件。其次，資源文件的安裝比較簡單，解壓以后在其根目錄下有一個名叫config.linux的文件，修改其中的TOPDIR一項，這樣執行makeinstall安裝命令以后，所有資源文件會被安裝到TOPDIR所定義的目錄下的usr/local/lib/minigui下。最后演示程序包的編譯與庫文件編譯類似，也是執行其根目錄下的configure文件并傳遞相關參數，然后執行make命令來編譯。若編譯庫文件時選擇———enable-lite參數，由于MiniGUI-Lite采用的是微客戶端/服務器架構，要運行應用程序必須先啟動服務器程序mginit,然后才能運行其它的應用程序；若編譯庫文件時沒有添———enable-lite參數，則mginit目錄根本不會編譯進去，演示程序可以直接執行。
QT的移植
QT的編譯步驟比較復雜。Qtopia的根目錄下有README.html文件介紹了PC機上編譯的步驟及參數。因此，本文主要描述在編譯成以ARM為目標平臺時有所區別的幾個步驟及參數。下載Qt/Embedded、Qt/X11和Qtopia三個包并分別解壓。這三者的編譯配置都是通過執行相應根目錄下的configure文件并傳遞相關參數來實現，另外在Qtopia目錄下src/qt/qconfig-qpe.h文件中要定義一些相關的宏，這樣在編譯時編譯器會根據所定義的宏選擇需要的代碼來進行編譯。比如，目標系統所使用的觸摸屏實現方式與IPAQ類似，若要使QT將所支持的代碼編譯進來，則需在qt2config-qpe.h中定義宏QT-QWS-IPAQ。首先，我們在執行configure對QT/Embedded進行配置時，傳遞了三個參數-xplatformlinux-arm-g++、-qconfigqpe和-no-qvfb。其中第一個參數表示，編譯后二進制文件執行時所在的目標平臺類型；第二個參數告訴編譯器配置頭文件是在src/tools/目錄下叫做qconfig-qpe.h,通常這個文件就是Qtopia目錄下src/qt/qconfig-qpe.h的一個拷貝；第三個參數表示在編譯時不需要編譯qvfb工具，當目標系統不支持Framebuffer時，在執行啟動Qtopia之前先通過執行qvfb來產生一個虛擬的Framebuffer,這時再啟動Qtopia相應的內容就會顯示在qvfb上。在對Qtopia進行配置時，只傳遞了一個參數：-platformarm-linux-g++,表示目標平臺是ARM平臺。當然在上述配置過程中還可以使用其它一些參數，這些參數可以通過傳遞-help參數給configure來查詢。在配置并編譯完之后，將Qtopia目錄下的運行時相關目錄全部打包并下載到目標系統上，設置了相應的環境變量（比如QPEDIR、QTDIR和LD-LIBRARY-PATH等）后，就可以執行。當然目標系統上的特殊硬件的支持需要通過修改QT/Embedded下的對應源程序來完成。