隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類嵌入式應(yīng)用對人機交互界面的要求也越來越高，這就使得對嵌入式圖形用戶界面的需求越來越迫切。與一般系統(tǒng)上的圖形用戶界面相比，嵌入式系統(tǒng)圖形用戶界面要求輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、可配置等特點。

本設(shè)計是在東南大學(xué)國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)的，并在遵循uITRON 3．0標準的RTOS-ASIX OS基礎(chǔ)上設(shè)計出一套適合于手持設(shè)備、儀器儀表等應(yīng)用的圖形用戶界面一一ASIX Window。該圖形用戶界面采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，基于消息循環(huán)和事件驅(qū)動機制，構(gòu)建了比較完整的窗口系統(tǒng)，為用戶提供了類Win32 API的用戶編程接口。考慮到一般嵌入式應(yīng)用的屏幕較小，以及嵌入式系統(tǒng)處理器與存儲器容量的限制，ASIX Window在設(shè)計上放棄了窗口剪切等復(fù)雜特性，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少了對系統(tǒng)資源的占用。由于采用基于控件的設(shè)計概念，ASIX Window非常適合裁減，可以根據(jù)用戶的需求方便地增加或刪減控件，增加了系統(tǒng)的可裁減性。該圖形用戶界面已成功應(yīng)用于PDA，電子詞典，稅控收款機等多款產(chǎn)品設(shè)計中。

1 與操作系統(tǒng)內(nèi)核的接口

ASIX Window的整體架構(gòu)是基于消息分發(fā)，消息循環(huán)以及消息處理之上的。整個ASIX OS平臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，最底層的是系統(tǒng)的消息源，包括中斷（鍵盤、觸摸屏等）和定時器，一般將它們統(tǒng)稱為中斷源。中斷發(fā)生后，進入中斷處理程序，該中斷處理程序維護其對應(yīng)的緩沖區(qū)后（如果它需要緩沖區(qū)），設(shè)置事件發(fā)生（通過調(diào)用內(nèi)核的事件標志系統(tǒng)調(diào)用）。因為系統(tǒng)任務(wù)是阻塞在這個事件標志上的，而且系統(tǒng)任務(wù)的優(yōu)先級最高，系統(tǒng)任務(wù)將被內(nèi)核調(diào)度運行，系統(tǒng)任務(wù)根據(jù)所發(fā)生事件的類型，來進行相應(yīng)的處理。比如說，如果是筆中斷事件，中斷處理程序?qū)⒐P的坐標信息存放在相應(yīng)的緩沖區(qū)中，并設(shè)置相應(yīng)的事件標志，系統(tǒng)任務(wù)將筆坐標的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)活動區(qū)域（Active Area）的消息，并由系統(tǒng)任務(wù)將這個消息發(fā)送到當前需要該中斷事件的任務(wù)中。LCD顯示，鍵盤和筆中斷一定是由前臺任務(wù)（擁有屏幕的任務(wù)）接管的，其他外圍設(shè)備所對應(yīng)的中斷源則由占用該資源的任務(wù)接管。

每個任務(wù)都有一個自己的信箱（Mail B0x），在每個信箱上都維護著一條消息隊列，所有發(fā)往該任務(wù)的消息都連接在這個隊列中。任務(wù)代碼應(yīng)該通過消息循環(huán)不斷地從該隊列中取消息并處理，如果消息隊列為空，則該任務(wù)阻塞，由ASIX OS內(nèi)核選擇下一個就緒的高優(yōu)先級任務(wù)運行。

系統(tǒng)任務(wù)是內(nèi)核的擴展，提供系統(tǒng)基本的服務(wù)功能和接口。它接管系統(tǒng)所有的中斷資源并將相應(yīng)的中斷事件翻譯成為相應(yīng)的系統(tǒng)消息，并將該消息分發(fā)到對應(yīng)的應(yīng)用程序任務(wù)；系統(tǒng)任務(wù)同時維護系統(tǒng)中所有任務(wù)的信息，負責確定前臺任務(wù)（擁有顯示屏幕和用戶輸入焦點的任務(wù)，前臺任務(wù)不一定是CPU正在運行的任務(wù)）以及前臺任務(wù)的切換。系統(tǒng)任務(wù)阻塞在底層中斷的事件標志上，系統(tǒng)任務(wù)擁有最高的優(yōu)先級。

在系統(tǒng)任務(wù)之上是服務(wù)任務(wù)。服務(wù)任務(wù)負責提供系統(tǒng)的其他擴展服務(wù)。服務(wù)任務(wù)沒有屏幕顯示（類似于Linux中的守護進程），服務(wù)任務(wù)阻塞在自己的消息隊列上。服務(wù)任務(wù)擁有第二高的優(yōu)先級。

應(yīng)用程序任務(wù)是用戶使用的各個應(yīng)用。應(yīng)用任務(wù)阻塞在自己的消息隊列上，所有的應(yīng)用程序一般都應(yīng)該擁有屏幕顯示，所有的應(yīng)用程序在同一優(yōu)先級上。

2 窗口管理

ASlX Windows是基于消息驅(qū)動的圖形用戶接口。從ASIXWindows的角度來看，應(yīng)用程序是由一組窗口和控件組成的，程序的功能是通過窗口的操作來實現(xiàn)的。控件是在ASIX Windows中定制的具有特定功能的獨立模塊，例如：按鈕、菜單、下拉框、軟鍵盤等。在ASIX Windows中，每一個控件在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上都被描述為一個窗口（也就是說，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，窗口和控件是一樣的），不同的是，控件是作為某個窗口的子窗口。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上將窗口與控件統(tǒng)一，使得整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡單，對窗口的操作與對控件的操作可以統(tǒng)一到一起，這使得系統(tǒng)的編程接口可以統(tǒng)一到窗口的操作函數(shù)上。在ASIX Windows中所有的窗口操作，不管是窗口或是控件，都使用這些統(tǒng)一的函數(shù)。系統(tǒng)通過下面這個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來對所有的控件進行管理。

typedef struct asix_window

{ struct asix window *prey}／／指向前一個兄弟窗口

struct asix_window *next；／／指向后一個兄弟窗口

struct asix_window *child；／／指向子窗口鏈表

／*本窗口的相關(guān)ID*／

WNDCLASS *wndclass；／／指向本窗口的窗口類

U32 task_id； ／／本窗口所屬任務(wù)的任務(wù)號

U32 wnd_

id； ／／本窗口ID號

U32 parent_id； ／／本窗口的父窗口 ID號

／*本窗口的位置、狀態(tài)、風(fēng)格以及窗口標題等*／

U32 status； ／／本窗口狀態(tài)

U16 x； ／／本窗口左上角x坐標

U16 v； ／／本窗口左上角Y坐標

U16 width； ／／本窗口的寬度

U16 hight； ／／本窗口的高度

char *caption} ／／本窗口標題

U32 style； ／／本窗口風(fēng)格

／*指向本窗口私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針*／

void *etrl_str; ／／指向本窗口的私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

}ASIX_WINDOW;

實際上，不同的控件擁有不同的功能和結(jié)構(gòu)，所以它們的操作是不同的。為了擁有統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，為每一個不同的窗口或控件定義了相應(yīng)的窗口類，窗口類實際上是每種控件的模版，這個模版定義了與該控件相關(guān)的內(nèi)容。當應(yīng)用程序員調(diào)用CreatWindow函數(shù)創(chuàng)建某類控件時，CreatWindow查找該類控件的窗口類，并根據(jù)窗口類中的定義，調(diào)用與該控件相關(guān)的創(chuàng)建函數(shù)，進行實際的創(chuàng)建工作。然后CreatWindow填寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，描述該控件

類的實例，并將其鏈接到系統(tǒng)窗口鏈表中去，以便后續(xù)的管理。利用窗口類描述不同控件設(shè)計的同時，可以將不同控件的開發(fā)獨立于系統(tǒng)構(gòu)架的實現(xiàn)，使得控件的開發(fā)可以獨立進行。使用獨立窗口類來描述每個控件的另一個好處是可以非常方便的對ASIX Window進行裁減。下面給出窗口類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義。

typedef struct window_class

{ U8 wndclass_id； ／／窗口類的ID號

／／CreateWindow（）調(diào)用本函數(shù)執(zhí)行控件的具體創(chuàng)建

STATUS （。create）（char‘caption，U32 style，U16 x，

U16 Y，U16 width，U16 hight，U32 wndid，U32 menH，void*

*etrl_str，void*exdata）；

／／DestroyWindow（）調(diào)用本函數(shù)執(zhí)行控件的具體刪除

STATUS （*destroy）（void*ctrl_str）；

／／DefWindowProc（）調(diào)用本函數(shù)進行消息處理

STATUS （。msg_proe）（U32 win_id，U16 asix_msg·U32

lparam．void*data，U16 wparam．void*reserved）；

／／GetMessage（）調(diào)用本函數(shù)進行底層消息的翻譯與轉(zhuǎn)換

STATUS （*msg_trans）（void*ctrl_str，U16 msg_type，

U32 areald．P_U16 data，U32 size，PMSG trans_msg）；

／／RePaintWindow（）調(diào)用本函數(shù)重繪本窗口類控件

STATUS （*repaint）（void*ctrl_str，U32 Iparam）；

／／SetWindowText（）調(diào)用本函數(shù)設(shè)置本窗口類控件的標題

STATUS （*caption）（void*ctrl_str，char*caption，void* exdata）；

WNDCLASS;

圖2所示是系統(tǒng)中窗口鏈表的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)還維護了一張任務(wù)鏈表，每個任務(wù)控制塊（TCB）中都保留了指向本任務(wù)窗口鏈表的首指針。

3 消息傳遞與處理

每個窗口（Form）都擁有自己的消息處理函數(shù)，該函數(shù)接收來自系統(tǒng)（包括窗口和控件）的消息并作相應(yīng)的處理和動作。每一個窗口處理函數(shù)實際上就是一個消息循環(huán)，窗口函數(shù)通過取消息函數(shù)ASIXGetMessage（）獲得系統(tǒng)任務(wù)，并發(fā)送給該窗口的消息進行處理。ASIX（GetMes—sage（）獲得系統(tǒng)消息并進行相應(yīng)的處理和消息轉(zhuǎn)換（實際上是將底層操作系統(tǒng)所提供的硬件消息轉(zhuǎn)換成ASIXWindow的消息，該函數(shù)通過調(diào)用相應(yīng)窗口類所定義的消息翻譯函數(shù)msg-trans（）實現(xiàn)消息的轉(zhuǎn)換），然后窗口函數(shù)對消息進行分檢并作相應(yīng)的處理，這部分代碼是用戶自己定制的，實際上是用戶程序處理來自窗口和控件的消息，用來實現(xiàn)該應(yīng)用程序的功能。窗口函數(shù)調(diào)用ASIX Win—dows的控件消息處理函數(shù)DefWindowProc（），該函數(shù)是一個消息過濾器及轉(zhuǎn)換器，它接管非用戶的，屬于控件自己的消息（這個消息可能來自用戶的操作）。它首先掃描由取消息函數(shù)獲得的消息，檢查其中是否有屬于ASIXWindows控件的消息。如果該消息屬于某個控件，則消息處理函數(shù)調(diào)用系統(tǒng)窗口鏈表中該控件所對應(yīng)的窗口類所指明的消息處理函數(shù)，處理這個消息執(zhí)行相應(yīng)的動作并可能發(fā)出相應(yīng)的消息（例如，當用戶點擊某按鈕時，控件消息處理函數(shù)將接管該點擊事件，并執(zhí)行按鈕被點擊的動畫，同時發(fā)送一條該按鈕被點擊的消息）。

4 圖形接口

ASIX Windowr的圖形接口設(shè)計引入了硬件抽象層的概念，圖形函數(shù)（Graphic API）不直接操縱硬件，而是通過調(diào)用硬件抽象層提供的一組基本函數(shù)來作具體的圖形繪制工作。硬件抽象層函數(shù)將按照設(shè)備相關(guān)的格式將要顯示的內(nèi)容首先填寫到系統(tǒng)內(nèi)存的一片緩沖區(qū)（VRAM）中，然后硬件抽象層的函數(shù)將根據(jù)傳入的參數(shù)決定是否將數(shù)據(jù)復(fù)制到LCD控制器。如果所調(diào)用函數(shù)的應(yīng)用任務(wù)當前擁有LCD（前臺任務(wù)），則將數(shù)據(jù)送往LCD控制器，否則該函數(shù)僅僅將數(shù)據(jù)寫人VRAM緩沖區(qū)（該任務(wù)是后臺任務(wù)）。硬件抽象層還提供了一個叫做Refresh的函數(shù)，該函數(shù)將把當前VRAM中的內(nèi)容復(fù)制到LCD控制器的數(shù)據(jù)寄存器中。系統(tǒng)任務(wù)在應(yīng)用任務(wù)切換的時候調(diào)用Refresh函數(shù)，將切換進來的任務(wù)中所屬VRAM的數(shù)據(jù)刷新到LCD中去，實現(xiàn)屏幕的切換，如圖3所示。

為了避免圖形函數(shù)重

人時帶來的問題，以及不同應(yīng)用任務(wù)擁有不同屏幕以及相應(yīng)屬性的問題，在新的設(shè)計中采用了圖形上下文（G

raphic Context，簡稱GC）的結(jié)構(gòu)。每個需要用到屏幕的應(yīng)用任務(wù)都擁有自己的圖形上下文，該結(jié)構(gòu)中保存與硬件無關(guān)的顯示屬性，比如當前色、背景色、當前線寬、當前填充模式、光標的位置、閃爍頻率、光標大小、顯示緩沖區(qū)（VRAM）的頭指針、物理屏幕在邏輯屏幕中的位置坐標等信息。

實際上，這樣的設(shè)計一方面可以實現(xiàn)邏輯屏幕的概念，即應(yīng)用程序可以在比實際物理屏幕大的屏幕上繪制圖形；另一方面．不管應(yīng)用任務(wù)在前臺（擁有LCD）還是在后臺（不擁有LCD），都可以進行圖形函數(shù)的調(diào)用。如果是前臺任務(wù)，繪制的圖形會立刻顯示在LCD上；如果是后臺任務(wù)，圖形被暫時“繪制”到該任務(wù)的VRAM中，等下次該后臺任務(wù)切換到前臺時，系統(tǒng)任務(wù)（System Task）將調(diào)用Refresh函數(shù)將該任務(wù)的VRAM刷新到LCD上。

結(jié) 語

根據(jù)以上內(nèi)容，設(shè)計完成了GUI的原型系統(tǒng)，并在PDA應(yīng)用中采用了該GUI。為了方便應(yīng)用程序員的開發(fā)，還在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于MS VC++的GUI模擬器。圖4所示是ASIX Windcw在PDA系統(tǒng)和模擬器上的應(yīng)用。