基于Qt/Embedded的嵌入式GUI显示架构实现

王 凯

(南京航空航天大学 计算机科学与技术学院，江苏 南京 210016)

基于Qt/Embedded的嵌入式GUI显示架构实现

王 凯

(南京航空航天大学 计算机科学与技术学院，江苏 南京 210016)

嵌入式操作系统VxWorks原有的图形支持WindML对于开发高级GUI图形应用比较困难，WindML不支持可视化的图形界面开发，也没有大量的图形控件供开发者使用。通过对Qt/Embedded的图形驱动架构和Qt/Embedded的服务器/客户端架构的研究，以及对VxWorks下的图形库WindML的显示体系结构和图形驱动支持能力的分析，提出了一个VxWorks下的基于Qt/Embedded的GUI显示架构。该显示架构通过引入Qt/Embedded嵌入式支持层，将Qt/Embedded库内帧缓冲驱动支持类和嵌入式系统VxWorks图形支持库WindML融合在一起，实现了WindML在源码层级对Qt/Embedded库的支持。给出了Qt/Embedded嵌入式图形显示支持的具体实现方法，通过修改Qt/Embedded库的VxWorks图形显示支持部分的源代码，使用WindML API获取到了上层Qt帧缓冲驱动需要的宽度、高度、像素格式、帧缓冲地址等重要信息，实现了图形显示设备的打开，注册以及访问功能，建立了基于Qt/Embedded的GUI显示系统。

Qt/Embedded；嵌入式系统；VxWorks；图形用户界面

0 引 言

VxWorks操作系统是美国的WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTOS)，是嵌入式开发环境的关键组成部分。VxWorks系统拥有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，以其良好的可靠性和卓越的实时性在军事、通信、航空、航天等实时性要求极高的领域中应用广泛[1]。近年来，嵌入式领域图形界面得到了越来越广泛的应用，为用户提供一个友好的人机交互界面已成为嵌入式开发的一个重要组成部分。随着嵌入式设备硬件的飞速发展，嵌入式领域图形GUI技术已经日趋成熟，用户对于嵌入式设备人机交互的要求也越来越高，人们需要的不是晦涩难明的字符界面，而是直观，操作逻辑简单，功能强大的图形GUI交互功能。

Qt/Embedded是Trolltech公司推出的一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架。它给程序开发者提供了建立图形用户界面所需的所有功能[2]。Qt/Embedded库是完全面向对象的，很容易扩展，并且允许真正的组件编程。Qt/Embedded库是一套开源的C++图形用户界面库[3]，拥有种类丰富的图形对象可供开发者使用，采用名为signal/slot信号槽的事件信号传递机制。它拥有跨平台的集成开发环境Qt Creator，对于开发者来说，开发难度低，开发环境友好。同时，它拥有面向嵌入式系统的版本，丰富的控件资源以及良好的可移植性，完全能够满足用户对GUI界面的需要[4]。通过分析Qt/Embedded库和VxWorks图形支持库WindML的体系结构、源码，提出了一种新的基于Qt/Embedded库的VxWorks下的图形支持架构。在该架构中，增加了VxWorks图形支持库WindML的支持，针对在嵌入式系统VxWorks下移植和使用Qt/Embedded库的问题，进行了深入研究。

1 Qt/Embedded的体系结构

1.1 Qt图形驱动架构

Qt/Embedded库是Qt图形界面库的嵌入式版本，为了适应嵌入式操作系统环境，进行了许多改动和调整，它在构建GUI环境时放弃使用原来的X Window体系，因此也就不需要使用较大的Xlib库，所以内存占用十分小，能够适应嵌入式开发的需求。在放弃了X Window体系之后，Qt/Embedded库底层使用帧缓冲体系作为底层图形接口[5]，并使用输入事件作为具体的输入设备的抽象，比如keyboard和mouse输入事件等；在上层，Qt/Embedded库继续使用原本的Qt架构，从而保证用户使用的便利性和一致性，并能够与X Window系统下的程序部分兼容，使得用户便于进行程序移植[6]。图1给出了Qt/Embedded库的软件架构。

Qt/Embedded库的软件总体架构可分为以下三层：

(1)上层控件层：直接提供用户使用的GUI控件，给用户界面开发提供了基于widget的GUI开发控件。

(2)上层图形层：该层是低级别的绘图层，提供了对帧缓冲的绘图操作，在这一层中，需要获得帧缓冲驱动体系所需的具体硬件信息，从而为下一层驱动提供支持，与此同时，完成对底层帧缓冲驱动图形操作的抽象，供给上层使用。

(3)图形引擎和事件驱动层：在这一层中直接进行对底层帧缓冲驱动的访问，并将具体的输入设备抽象为事件。

图形帧缓冲(Framebuffer)体系架构是Qt/Embedded图形引擎的基础，Framebuffer驱动最重要的功能就是给用户提供一个进程空间映射到实际物理显示内存的接口，该接口通过系统调用mmap来实现[7-8]，具体原理如下：在帧缓冲体系中，显示硬件设备被抽象为帧缓冲区，从开发者的角度看，向帧缓冲写入指定格式的数据即是向屏幕输出内容，整个帧缓冲就对应屏幕上图像的一帧。通过不断向Framebuffer中写入数据，显示控制器就自动地从Framebuffer中取数据并显示出来。在VxWorks下的GUI显示体系结构中，帧缓冲位于上层GUI库和底层具体的显示硬件设备之间，目的是为了屏蔽各种显示硬件之间不同的操作[9]。这种图形帧缓冲体系结构也获得了VxWorks系统内核的支持，能够应用于VxWorks系统上。

1.2 Qt/Embedded的客户端/服务器架构

Qt/Embedded框架依然采用了客户端/服务器的架构，所以，所有基于Qt/Embedded的用户程序运行前必须连接到Qt/Embedded服务器。在服务器端，Qt/Embedded对键盘、鼠标、屏幕等输入输出设备进行管理，同时也需要对各个客户端创建的窗口进行管理，处理窗口的创建与销毁、窗口的重叠与移动、窗口焦点的转换等操作。客户端重要的工作是处理服务器端发送的图形事件，在绘制完毕后通知服务器端并由服务器端显示。客户端的其他工作还包括处理窗口内部GUI控件的管理工作，绘制Widget，对网络访问进行控制，处理文件系统的读写操作，等等。Qt/Embedded的客户端/服务器架构如图2所示。

由于Qt/Embedded库为了适应嵌入式平台的硬件特点,做了许多兼容工作，并对Server端进行了简化，从而使得Qt/Embedded库移植的困难程度大大降低，只需要实现键盘、鼠标和屏幕显示驱动，就能实现Qt/Embedded的移植。

从灵活性和节省资源的角度考虑，Qt/Embedded的Server端并不是一个独立的进程，而是包含在嵌入式系统下第一个启动的Qt/Embedded进程内;从开发者的角度来说，它和普通的Client端进程表现相同，但这个进程控制着对所有输入输出设备的访问。

图2 Qt/Embedded的客户端/服务器架构

2 VxWorks图形体系结构

WindML(Wind Media Library)是嵌入式操作系统VxWorks下的多媒体库[10]，它提供基本的图形、视频、音频开发接口供VxWorks下的开发者使用。WindML库提供了一套完整的多媒体设备驱动开发框架(见图3)，同时附带了一系列用来处理输入输出设备和过程事件的工具。

图3 WindML多媒体开发组件框架

WindML中共有2个子组件：软件开发工具包(SDK)和驱动开发工具包(DDK)。

SDK用于开发上层应用，它提供输入输出设备、字体、音频和图形的API集合，使得开发者可以编写面向硬件透明的代码，并在不同的硬件平台下测试和运行。

DDK用于开发底层对应特定硬件的驱动程序。在DDK中，包含许多通用硬件的驱动程序模板，从而使得开发者可以快速开发出特定驱动的API函数，同时，DDK为开发者提供了可定制性和可扩展性。

在VxWorks下，由WindML为Qt/Embedded库提供帧缓冲驱动的嵌入式支持。WindML图形驱动支持主要通过2D应用层、通用图形库和图形设备驱动层与图形硬件进行通信[11]，WindML图形驱动支持体系结构如图4所示。

图4 WindML图形驱动支持体系结构

其中，2D应用层通过通用图形库中的UGL图形接口对图形设备驱动(ugl_ugi_driver结构)进行访问。驱动程序主要提供符合上层UGL图形调用接口并能驱动显卡硬件的一些接口函数[12]。ugl_ugi_driver结构如下所示：

typedef struct ugl_ugi_driver * UGL DEVICE ID；

typedef struct ugl_ugi_driver{

/*数据成员*/

UGI_MODE *pMode； /*显示模式*/

UGI_PAGE *pPageZero； /*第一个显示页面地址*/

void * extension； /*可选的扩展驱动部分*/

/*通用函数*/

UGI_STATUS(*info)(struct ugl_ugi_driver * pDriver,

UGI_INFO_REQinfoRequest，void * info)；

UGL STATUS(*destroy)(struct ugl_ugi_driver *

pDriver)；

/*支持的模式*/

UGL STATUS(*modeSet)(struct ugl_ugl_driver *

pDriver，UGL_MODE * pMode)；

……

}

VxWorks下任何显卡驱动都是将主要功能函数，如模式设置、公用画点、画线等图形函数的函数指针注册到UGL_DEVICE_ID结构体中，因此，虽然底层硬件不同导致函数功能实现方式不同，但面向上层时的函数接口保持一致性，函数的名称和参数都是相同的。

3 Qt/Embedded图形界面架构实现

3.1 VxWorks下的Qt/Embedded架构

通过Qt/Embedded的图形引擎类提供给Framebuffer设备的支持和WindML DDK提供的API集合支持，可以提出一种自上而下的嵌入式实时系统VxWorks下的GUI显示体系结构，如图5所示。

从图5可以看出，Qt帧缓冲驱动依赖于Qt/Embedded嵌入式支持，Qt/Embedded嵌入式支持又是依靠WindML DDK函数与底层VxWorks操作系统进行通信。通过关键部分Qt帧缓冲驱动和Qt/Embedded嵌入式支持，构建起VxWorks下的GUI显示体系结构。

图5 VxWorks下的Qt/Embedded架构

Qt帧缓冲驱动以类的形式存在于QtGui源代码中，该类继承自QScreen，通过实现这个类的具体功能代码，使得Qt中的QWSServer图形事件服务高效而稳定的运行。在实现功能的过程中，使用WindML DDK函数优化帧缓冲驱动获得硬件相关信息的过程(比如屏幕分辨率、缓冲地址等)，快速而有效地完成帧缓冲驱动作为上层应用和底层显示设备之间抽象层的功能。同时，通过对图5中Qt/Embedded嵌入式支持中间层的修改，实现WindML DDK对Qt帧缓冲驱动的功能支持。

3.2 Qt/Embedded嵌入式支持实现

VxWorks下构建一个完整的GUI显示体系结构需要从上层界面到底层系统的完整支持。上层准备使用Qt/Embedded图形引擎，它是基于C++类库实现的，Qt/Embedded类库封装了适应不同操作系统的访问细节，能够跨平台实现GUI的显示功能。Qt/Embedded库对目标系统的要求是：只要这个系统有一个线性地址的缓冲帧并支持C++的编译器[13]。它通过自带的帧缓冲驱动与底层操作系统进行通信联系。VxWorks系统本身支持GUN C++的编译[14]，同时该系统的显示驱动模式支持帧缓冲驱动抽象的工作方式，通过帧缓冲这个桥梁，Qt/Embedded库可以很好地与VxWorks系统结合在一起。

Qt/Embedded中，QScreem类是抽象出底层显示设备的基类，其中声明了对底层显示设备的基本描述和操作方式，Qt/Embedded库对具体的显示设备，如VxWorks Framebuffer做的抽象类接口都是继承并重载基类中的函数来实现。Qt/Embedded库帧缓冲驱动的实现类为文件qscreenvxworksfb_qws.cpp中的QvxWorksFbScreen类，下面给出qscreenvxworksfb_qws.cpp文件中的Qt/Embedded帧缓冲的主要代码：

bool QVxWorksFbScreen::connect(const QString &)

{

if(!vxDisplayOpen()) return false;

//调用设备打开主函数，失败则返回

int format;

vxDisplayGet(&w,&h,&d,&format,&data,&lstep);

//获取显示设备信息

dw=w;

dh=h;

mapsize=size=h*lstep;

……(略)

QWSServer::setDefaultMouse("vxworks");

QWSServer::setDefaultKeyboard("vxworks");

//设置鼠标键盘

return true;

}

从代码中可以看出，Qt/Embedded帧缓冲驱动的功能主要通过vxDisplayOpen和vxDisplayGet两个函数来实现。vxDisplayOpen实现打开显卡设备并向VxWorks系统注册该设备，获取设备资源；vxDisplayGet实现获取显示的具体信息，比如LCD屏幕的宽度、高度等相关信息，同时，给基类QScreen的成员变量data赋值，该变量保存了在Qt/Embedded嵌入式支持层获取的帧缓冲映射地址。在Qt/Embedded帧缓冲驱动代码的最后，向QWSServer图形事件服务注册了使用的输入设备驱动，在这里，键盘鼠标都使用了VxWorks系统驱动。

如上所述，Qt/Embedded帧缓冲驱动通过调用vxDisplayOpen和vxDisplayGet两个函数来获得Qt/Embedded嵌入式支持层的支持，这两个函数具体实现在qvxworksdisplay.c文件中，vxDisplayOpen函数主要代码如下：

int vxDisplayOpen(void)

{

char *pDisplayName=UGL_NULL;

UGL_UINT32displayNumber;

UGL_STATUS status;

UGL_REG_DATA *pRegistryData;

UGL_FB_INFOfbInfo;

status=uglDisplayOpen(UGL_NULL,&pDisplayName,&displayNumber);

//使用UGL库函数根据默认名打开显示设备

……(略)

pRegistryData=uglRegistryFind(UGL_DISPLAY_TYPE,&displayNumber,0,0);

//使用UGL库函数注册显示设备

if(pRegistryData==UGL_NULL)

{

printf("Display not found. ");

uglDisplayClose( UGL_NULL);

return FALSE;

}

vxDisplayId=(UGL_DEVICE_ID) pRegistryData->id;

//显示设备注册成功后，从注册结构体中提取显示ID

……(略)

return TRUE;

}

在上述代码中，通过WindML DDK函数uglDisplayOpen打开显示设备，然后通过调用uglRegistryFind函数向VxWorks系统注册显示设备，并通过pRegistryData->id获得了UGL_DEVICE_ID结构体的相关信息，该结构体包含了所有的图形接口信息，并把UGL_DEVICE_ID结构体的信息保存在vxDisplayId变量中。

在vxDisplayGet函数中，使用vxDisplayId变量，调用WindML DDK的uglInfo函数，获取到了上层Qt帧缓冲驱动需要的宽度、高度、像素、像素格式、帧缓冲地址等重要信息，主要代码如下：

void vxDisplayGet(int *width,int *height,int *bitsPerPixel,int *pixelFormat,unsigned char **data,int *strideBytes)

{

……(略)

uglInfo(vxDisplayId,UGL_MODE_INFO_REQ,&modeInfo);

//根据显示设备ID，获取显示相关信息

uglARGBSpecGet(modeInfo.colorFormat, &colorSpec);

//获取颜色相关信息

*width=modeInfo.width;

*height=modeInfo.height;

*bitsPerPixel=colorSpec.numBytesPerARGB*8;

*pixelFormat=modeInfo.colorFormat;

……(略)

*data=(unsigned char *)modeInfo.fbAddress;

//通过modeInfo结构体提取帧缓冲地址传入到Qt类中

……(略)

}

至此，通过对Qt/Embedded内部的VxWorks系统支持源代码的分析和修改，获取到了Qt帧缓冲驱动的所有重要硬件信息，完成了帧缓冲驱动的基本功能，从而实现了Qt/Embedded嵌入式支持层对Qt帧缓冲驱动层的支持，也实现了对Qt/Embedded在VxWorks系统下的移植。

3.3 Qt/Embedded显示支持代码框架结构

在Qt库的QVxWorksFbScreen类中，通过在connect函数中调用的两个重要函数vxDisplayGet和vxDisplayOpen，实现了Qt库与WindML库UGL库函数的结合，通过UGL库函数获取到了显示宽度、高度、像素信息等图形显示关键参数，同时获取到了显示帧缓冲内存地址等重要信息，从而实现了Qt/Embedded库在VxWorks环境下对显示设备的支持。显示支持代码框架结构如图6所示。

图6 Qt/Embedded显示支持代码框架结构图

最后，在交叉编译环境下编译修改后的Qt/Embedded库源代码，生成.so库文件，即可在VxWorks操作系统环境下加载使用。

4 结束语

为了实现VxWorks下便捷、易用的图形GUI系统，实现Qt/Embedded库与VxWorks的完美兼容，在研究分析Qt/Embedded库的图形驱动架构和VxWorks系统的图形显示体系结构以及在VxWorks下实现图形GUI原理的基础上，通过对Qt/Embedded库帧缓冲驱动的二次开发修改，实现了Qt GUI界面在VxWorks下的完美运行。Qt/Embedded延续了Qt在桌面系统的所有功能，丰富的API接口和基于组件的编程模型使得嵌入式VxWorks系统中的GUI应用程序开发更加便捷。

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Implementation of Embedded GUI Display Architecture Based on Qt/Embedded

WANG Kai

(College of Computer Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,Nanjing 210016,China)

It is very difficult for the development of advanced GUI graphics applications that the original graphics support WindML of embedded operating system,VxWorks.WindML does not support the visual graphical interface development and can’t provide large number of graphical controls for developers to use.Through the research on the Qt/Embedded graphics driver architecture and Qt/Embedded server/client architecture,as well as the analysis of the display architecture and graphics drivers support capabilities of the WindML graphics library under VxWorks,a VxWorks GUI with QT/Embedded display architecture has been implemented which can display architecture by introducing the embedded QT/embedded support layer.Combined both QT/embedded database frame buffer drive support and embedded system VxWorks graphics library WindML,the WindML support to QT/embedded library at the source code level has been achieved.The concrete realization method of Qt/Embedded embedded support has been presented.By modifying the source code part of Qt/Embedded Library that supported graphics display and by using WindML API to get the important information such as width,height,pixel format,frame buffer address that is needed by the upper Qt/Embedded layer,opening,registration and accessing to the graphics display device have been achieved and thus GUI display system with Qt/Embedded has been realized.

Qt/Embedded;embedded system;VxWorks;graphical user interface

2016-06-01

2016-09-08 网络出版时间：2017-03-13

国防科工局“十三五”重点基础科研项目(JCKY2016206B001)

王 凯(1984-)，男，硕士研究生，研究方向为软件体系结构。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170313.1546.070.html

TP311

A

1673-629X(2017)05-0144-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.05.030