MicroWindows體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用程序接口

摘要：MicroWindows是一個(gè)著名的開(kāi)放源碼的嵌入式GUI軟件。本文簡(jiǎn)要論述了MicroWindows的體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用程序接口，并介紹其設(shè)備驅(qū)動(dòng)特性、API、客戶機(jī)/服務(wù)器模型和畫(huà)圖機(jī)制。

    關(guān)鍵詞：MicroWindows API Nano-X 圖形用戶界面

許多開(kāi)發(fā)者在嵌入式設(shè)計(jì)中開(kāi)始使用類(lèi)似于桌面的操作系統(tǒng)。其中一個(gè)方案就是Linux操作系統(tǒng)。由于Linux在嵌入式系統(tǒng)上具有桌面電腦的全部功能和特性，作為一種免費(fèi)的開(kāi)放源碼，它允許修改和根據(jù)用戶的要求進(jìn)行定制。

MicroWindows是一個(gè)開(kāi)放源碼的嵌入式GUI軟件，目的是把圖形視窗環(huán)境引入到運(yùn)行Linux的小型設(shè)備和平臺(tái)上。作為X Window系統(tǒng)的替代品，MicroWindows可以用更少的RAM和文件存儲(chǔ)空間（100KB～600KB）提供相似的功能，允許設(shè)計(jì)得輕松加入各種顯示設(shè)備、鼠標(biāo)、觸摸屏和鍵盤(pán)等；可移植性非常好，可用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)；支持Intel 16位/32位CPU、MIPS R4000以及基于ARM內(nèi)核的處理器芯片。

1 體系結(jié)構(gòu)

1.1 分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MicroWindows采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在底層提供對(duì)屏幕、鼠標(biāo)、觸摸屏和鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)，在程序能訪問(wèn)實(shí)際的硬件設(shè)備和其它用戶定制設(shè)備。在中間層有一個(gè)可移植圖形引擎，提供繪制線程、區(qū)域填充、繪制多邊形、裁減和使用顏色模式的方法。在頂層實(shí)現(xiàn)多種API以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。目前，MicroWindows中使用兩種流行的圖形編程接口：Microsoft Windows Win32/WinCE圖形顯示接口（GDI）和Xlib接口。前者應(yīng)用于所有的Windows CE和Win32應(yīng)用程序；后者就像Nano-X，應(yīng)用于所有Linux X插件集的最底層，這樣可讓Linux圖形程序員X接口開(kāi)發(fā)圖形應(yīng)用程序。

1.2 驅(qū)動(dòng)設(shè)備

device.h文件中定義設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口。MicroWindows已實(shí)現(xiàn)至少將一個(gè)屏幕、鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)與系統(tǒng)相連。獨(dú)立圖形設(shè)備引擎的中間層可以使驅(qū)動(dòng)設(shè)備直接完成對(duì)硬件的具體操作。

（1）屏幕驅(qū)動(dòng)

MicroWindows可運(yùn)行在支持Framebuffer的32位Linux系統(tǒng)上，也可使用SVGALib[45]庫(kù)來(lái)進(jìn)行圖形顯示。此外，還被移植到16位的ELKS和實(shí)模式的MSDOS上，實(shí)現(xiàn)1、2、4、8、16和32位的像素支持，以及實(shí)現(xiàn)VGA16平面模式支持。它的圖形引擎能夠運(yùn)行在任何支持readpixel、writepixel、drawhorzline、drawvertline和setpalette的系統(tǒng)之上。如果底層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了Blitting，則上層可提供更多的增強(qiáng)功能。在底層函數(shù)的支持之下，上層實(shí)現(xiàn)了對(duì)位圖、字體、光標(biāo)以及顏色的支持。除了基于調(diào)色板的1、2、4和8位像素模式，也實(shí)現(xiàn)15、16和32位像素的真彩模式。

（2）鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)

MicroWindows有三個(gè)鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序。GPM驅(qū)動(dòng)程序mou_gpm.c支持Linux系統(tǒng)，串口鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序mou_ser.c支持Linux和ELKS系統(tǒng)，int33驅(qū)動(dòng)程序mou_dos.c支持MSDOS系統(tǒng)。鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序的基本功能，是將鼠標(biāo)中的數(shù)據(jù)編碼，然后返回關(guān)于鼠標(biāo)位置和按鍵的相對(duì)或絕對(duì)數(shù)據(jù)。

在Linux下，MicroWindows的主循環(huán)是select（）聲明，如果運(yùn)行的系統(tǒng)不支持select()，MicroWindows則提供Poll()入口。

（3）鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)

MicroWindows提供兩個(gè)鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序：Kbd_tty.c適用于Linux和ELKS系統(tǒng)，鍵盤(pán)被當(dāng)成文件描述符來(lái)讀寫(xiě)；Kbd_bios.c用于MSDOS真彩模式下，它是對(duì)PC BIOS進(jìn)行讀寫(xiě)來(lái)對(duì)按鍵進(jìn)行操作。

1.3 MicroGUI——獨(dú)立圖形設(shè)備引擎

MicroWindows的MicroGUI提供了對(duì)屏幕、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序和硬件之間的接口。用戶應(yīng)用程序不能直接調(diào)用核心圖形引擎，但是可通過(guò)API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。核心程序在客戶機(jī)/服務(wù)器模型下常駐在服務(wù)器上，使用內(nèi)部的文本字體和位圖文本模式。此外，核心程序使用的是指針，這樣不用靠轉(zhuǎn)變成句柄來(lái)實(shí)現(xiàn)更多的復(fù)雜功能。

MicroWindows中的核心程序以GdXXX()開(kāi)頭，與之相連的是圖形輸出系統(tǒng)而不是窗口管理系統(tǒng)。此外，還控制所有的裁剪和顏色轉(zhuǎn)換功能。以下是組成MicroWindows核心模塊的文件：

dvdraw.c——核心圖形程序，關(guān)于繪制線段、圓、多邊形及其填充，文本和位圖文件的繪制和顏色轉(zhuǎn)換；

devclip.c——核心裁剪程序；

devrgn.c——?jiǎng)討B(tài)分配程序；

devmouse.c——鼠標(biāo)控制程序；

devkbd.c——核心鍵盤(pán)控制程序；

devpalX.c——連接到系統(tǒng)調(diào)色板。

1.4 應(yīng)用程序接口

MicroWindows提供兩個(gè)應(yīng)用程序接口：MicroWindows API（源代碼在win*.c中）和Nano_XAPI(源代碼在nanox*.c中)

在MicroWidows上的API函數(shù)的基本模型都是用來(lái)初始化屏幕、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的驅(qū)動(dòng)程序，然后一直等待select（）消息循環(huán)。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，這條信息將送到用戶程序。如果是用戶請(qǐng)求圖形操作，那參數(shù)將被編碼后送到適當(dāng)?shù)腉dXXX核心程序上。與原始圖形操作相對(duì)的窗口概念是被該層所控制的，也就是說(shuō)該層的API函數(shù)定義了窗口及其對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的概念。這樣，系統(tǒng)坐標(biāo)就能被轉(zhuǎn)成屏幕上顯示的坐標(biāo)，并且可將數(shù)據(jù)傳給GdXXX核心程序，由其作實(shí)際操作。該層亦定義圖形/顯示文件，并且會(huì)將此信息包括裁減信息送到核心程序上。

MicroWindows API支持大多數(shù)圖形繪制、裁減、窗口工具條繪制以及拖拉窗口等這些程序。Nano_x API以mini-X服務(wù)器基礎(chǔ)，類(lèi)似于X的一個(gè)API，沿用X Window中的Xlib API，命名都是GrXXX()而不是X Windows中的X）。Nano-x API加入了基于網(wǎng)絡(luò)的客戶機(jī)/服務(wù)器功能，但是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)窗口管理，所以對(duì)窗口的處理需要使用系統(tǒng)提供的一個(gè)插件（widget）集，或者完全由應(yīng)用程序員自已開(kāi)發(fā)。

2 圖形引擎特性與實(shí)現(xiàn)

圖形引擎層的功能是完成圖形在實(shí)虛屏之間的轉(zhuǎn)換，以Gd...為開(kāi)頭，并將指針傳給PSD作為它的首個(gè)參數(shù)。PSD參數(shù)將指定底層的顯示模式，例如設(shè)備的垂直和水平尺寸、硬件使用的顏色模式。另外，真正執(zhí)行畫(huà)圖的程序在這一層中作為功能指針使用。所有屏幕坐標(biāo)都是COORD類(lèi)型。

顏色在圖形引擎中被指定RGB CILORVAL模式，然后被轉(zhuǎn)換成顏色指針，以PIXELVAL模式傳給顯示硬件，在32bpp(bit per pixel)真彩顯示器環(huán)境下不必轉(zhuǎn)換。

（1）區(qū)域

區(qū)域用來(lái)描述屏幕上像素點(diǎn)的分布。在MicroWindows中，區(qū)域是用一些無(wú)交迭的矩形組成的數(shù)組來(lái)描述的。目前實(shí)現(xiàn)區(qū)域有兩種方法，最初是用一個(gè)靜態(tài)數(shù)組CLIPRECTs來(lái)描述復(fù)雜區(qū)域。在這個(gè)數(shù)組中任一矩形中的點(diǎn)都被認(rèn)為是存在這個(gè)區(qū)域中的，另一個(gè)全局變量clipcount用來(lái)給這個(gè)數(shù)組中的矩形計(jì)數(shù)。這個(gè)方法沒(méi)有給區(qū)域管理提供入口點(diǎn)，所以整個(gè)數(shù)組的數(shù)據(jù)直接被送到負(fù)責(zé)裁剪功能的函數(shù)數(shù)口。新方法則可以創(chuàng)建任何數(shù)目的區(qū)域。用來(lái)描述區(qū)域的數(shù)組CLIPREGION被定義成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)組，可動(dòng)態(tài)分配它所包含矩形的數(shù)量，這樣那些無(wú)交迭的矩形被存放在“y-x”類(lèi)型的隊(duì)列中。在同一隊(duì)列中，所有矩形的垂直高度y是一樣的，這意味著在每個(gè)隊(duì)列中只有矩形的寬度可變。實(shí)際程序是利用Intersection、Union、Subtraction、Exclusive OR等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建、刪除一個(gè)區(qū)域或者是將幾個(gè)區(qū)域或矩形合并。以下是這種方法設(shè)計(jì)的幾個(gè)函數(shù)。

GdAllocRegion 創(chuàng)建一個(gè)區(qū)域

GdDestroyRegion 刪除一個(gè)區(qū)域

GdCopyRegion 復(fù)制區(qū)域

GdUnionRectWithRegion 將一個(gè)矩形和一個(gè)區(qū)域合并

GdIntersectRegion 在兩個(gè)區(qū)域的交集處創(chuàng)建一個(gè)新區(qū)域

GdSubtractRegion 在兩個(gè)區(qū)域的差集處創(chuàng)建一個(gè)新區(qū)域

GdUnionRegion 在兩個(gè)區(qū)域的并集創(chuàng)建一個(gè)新區(qū)域

GdXorRegion

（2）裁剪

圖形引擎中有一個(gè)由圖形操作定義的由一些矩形組成的裁剪區(qū)，如果點(diǎn)被包含在這些裁減區(qū)內(nèi)就會(huì)被繪制出來(lái)。有兩個(gè)裁剪算法：devclipl.c針對(duì)靜態(tài)矩形數(shù)組，devclipc2.c針對(duì)新的動(dòng)態(tài)數(shù)組。GdSetClipRects是唯一刪除區(qū)域并指定后來(lái)的圖形操作的入口點(diǎn)。所有的繪圖程序都要調(diào)用兩個(gè)附加程序來(lái)決定是否畫(huà)圖。GdClipPoint獲取屏幕坐標(biāo)的（x,y）點(diǎn)，如果該點(diǎn)被繪制出來(lái)的話，則返回TRUE。GdClipArea獲取屏幕上方最左的或者下方最右的點(diǎn)并回以下值：CLIP_VISIBLE（指定區(qū)域在原區(qū)域內(nèi)）、CLIP_INVISIBLE（指定區(qū)域不在原區(qū)域內(nèi)）、CLIP_PARTIAL（指定區(qū)域部分在原區(qū)域內(nèi)）。

（3）畫(huà)線

MicroWindows使用GdPoint畫(huà)點(diǎn)，GdLine畫(huà)線。畫(huà)線時(shí)使用當(dāng)前的前景色（DgSetForeground指定）。有兩種繪制模式：MODE_SET和MODE_COR。

（4）矩形、圓和橢圓以及多邊形

矩形、圓和橢圓的繪制分別調(diào)用GdRect和GdEllipse來(lái)實(shí)現(xiàn)。MicroWindows中定義了一個(gè)包含（x,y）多邊形頂點(diǎn)的數(shù)組來(lái)表示多邊形，調(diào)用GdLine函數(shù)畫(huà)線，把這些點(diǎn)相連就可以實(shí)現(xiàn)畫(huà)多邊形。繪制時(shí)使用前景色。

（5）區(qū)域填充

MicroWindows中使用GdFillRect函數(shù)填充矩形區(qū)域，填充使用前景色。填充圓和橢圓使用GdFillEillpse函數(shù)，填充多邊形使用GdFillPoly函數(shù)。填充的實(shí)現(xiàn)是在屏幕驅(qū)動(dòng)中不斷地調(diào)用GrawHorzLine函數(shù)。

（6）字體和文本輸出

MicroWindows支持可變/不可變字體。文本輸出時(shí)使用GdSetFont定義輸出使用的字體，再調(diào)用GdText函數(shù)輸出。

（7）顏色模式和調(diào)色板

MicroWindows支持RGB顏色，顏色匹配，真彩和調(diào)色板顯示，3D效果的顯示。

（8）圖片繪制

MicroWindows支持兩種格式的圖片。單色圖片用IMAGEBITS結(jié)構(gòu)（1表示前景色，0表示背景色）來(lái)定義，繪制時(shí)調(diào)用GdBitmap程序。彩色圖片可以分別定義為1、4、8 bpp的模式，用IMAGEHDR結(jié)構(gòu)來(lái)表示。繪制時(shí)調(diào)用GdDrawImage函數(shù)。

（9）映射

映射功能在實(shí)虛屏的轉(zhuǎn)換中使用。GdBlit可以實(shí)現(xiàn)上層的API將虛擬內(nèi)存存復(fù)制到顯示屏上，復(fù)制時(shí)調(diào)用GdBlit函數(shù)。

3 MicroWindows API

MicroWindows API中的基本通信機(jī)制是消息機(jī)制。一個(gè)消息機(jī)制中包含了message number和兩個(gè)參數(shù)：wParam、lParam。Message被存放在應(yīng)用程序的message-queue中，GetMessage函數(shù)將其取出。WM_GHAR針對(duì)鍵盤(pán)輸入，WM_LBUTTONDOWN針對(duì)鼠標(biāo)鍵被按下。窗口創(chuàng)建時(shí)使用WMCREATE，刪除時(shí)使用WM_DESTROY。DispatchMessage將消息傳到處理程序的窗口。

以下是處理消息的有關(guān)函數(shù)：

SendMessage 將消息傳到窗口

PostMessage 將消息傳到消息隊(duì)列

PostQuitMessage 傳遞WM_QUIT消息到消息隊(duì)列讀時(shí)中斷程序

GetMessage 得到消息后結(jié)束中斷

TranslateMessage 將按鍵按下/彈起的消息傳到WMCAR

DispatchMessage 將消息傳到為它分配的窗口程序

3.2 窗口的創(chuàng)建和刪除

RegisterClass 定義新的窗口類(lèi)型并啟動(dòng)窗口程序

UnRegisterClass 刪除窗口類(lèi)型

CreateWindowsEx 按窗口類(lèi)型創(chuàng)建一個(gè)窗口

DeatroyWindow 刪除一個(gè)窗口

窗口創(chuàng)建后產(chǎn)生WM_CREATE消息，刪除產(chǎn)生WM_DESTROY消息。

3.3 窗口的顯示、隱藏和移動(dòng)

ShowWindow函數(shù)指定窗口是否可見(jiàn)。MoveWindow改變窗口的位置和大小。窗口位置改變時(shí)，產(chǎn)生WM_MOVE消息；窗口大小改變時(shí)，產(chǎn)生WM_SIZE消息。

3.4 窗口的繪制

窗口繪制時(shí)產(chǎn)生WM_PAINT消息。窗口的標(biāo)題欄自動(dòng)繪制，設(shè)置屬性使用SetWinowText，察看屬性使用GetWindowText。

（1）實(shí)虛屏切換

窗口繪制使用的坐標(biāo)系統(tǒng)是屏幕上的絕對(duì)坐標(biāo)系，MicroWindows API使用的是相對(duì)坐標(biāo)系。GetClientRect和GetWindowRect函數(shù)各自返回虛屏和實(shí)屏的坐標(biāo)值。

（2）Device Contexts

調(diào)用圖形API之間要包含device context。它指定系統(tǒng)所使用的窗口和坐標(biāo)系，同時(shí)還定義系統(tǒng)默認(rèn)的前景色和背景色。

GetDC用來(lái)包含device context。在畫(huà)標(biāo)題欄還需調(diào)用GetWindowDC。GetDCEx定義子/兄弟窗口的裁剪操作。繪制結(jié)束時(shí)調(diào)用ReleaseDC釋放DC。

（3）圖形API

見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版（http://www.gymyzhishaji.com收集整理）

3.5 其它實(shí)用函數(shù)

WndSetDesktopWallpaper 設(shè)置桌面的背景圖片

WndSetCursor 為窗口創(chuàng)建光標(biāo)

WndRaiseWindow 拉伸窗口

WndLowerWindow 縮小窗口

WndGetTopWindow 返回最上層窗口的句柄

Sleep 睡眠

（1）設(shè)置窗口中心

WM_SETFOCUS和WMKILLFOCUS分別用于獲取/刪除中心。GetActiveWindow返回ancestor窗口，GetDesktopWINDOW返回當(dāng)前桌面窗口的句柄。

（2）鼠標(biāo)捕獲

WM_MOUSEMOVE用來(lái)表示鼠標(biāo)被移動(dòng)。SetCapture獲取全部的鼠標(biāo)移動(dòng)信息，ReleaseCapture返回到程序，GetCaptrue返回到捕獲區(qū)域。

(3)區(qū)域管理

SetRect 定義一個(gè)矩形結(jié)構(gòu)

SetRectEmpty 定義一個(gè)空矩形

CopyRect 復(fù)制一個(gè)矩形

IsRectEmpty 為空矩形時(shí)返回TRUE

InflateRect 放大矩形

OffsetRect 移動(dòng)矩形

PtInRect 判斷點(diǎn)是否在矩形區(qū)內(nèi)

4 Nano-X API

（1）Client/Server模型

Nano-X允許應(yīng)用程序使用Client/Server網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或本地UNIX Domain Socket，可讓幾個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行在嵌入式設(shè)備或遠(yuǎn)端主機(jī)上，并連接到Server上顯示出來(lái)。

（2）窗口的創(chuàng)建和刪除

Nan0-X中使用GrNewWindow創(chuàng)建窗口。GrNewInputWindow定義窗口只允許用來(lái)輸入。函數(shù)定義了窗口的邊界和顏色。

（3）窗口的顯示、隱藏和移動(dòng)

GrMapWindow用來(lái)顯示窗口，GrUnmapWindow用來(lái)隱藏，GrRaiseWindow用來(lái)拉伸，GrLowerWindow用來(lái)縮小，GrMoveWindow用來(lái)移動(dòng)，GrResizeWindow用來(lái)改變窗口大小。

（4）窗口中的繪制

①Graphics Context。GrNewGC用來(lái)分配graphics Context，刪除時(shí)使用GrDestroyGC,GrCopyGC用來(lái)復(fù)制。創(chuàng)建一個(gè)Graphics Context后，服務(wù)器返回一個(gè)Graphics Context的ID，用來(lái)作為API的參數(shù)。GC中不存放裁剪區(qū)和系統(tǒng)坐標(biāo)系。

②繪圖API。見(jiàn)補(bǔ)充版（http://www.gymyzhishaji.com收集整理）。

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