嵌入式 Linux 系統(tǒng)圖形及圖形用戶界面綜述
2024-07-21 02:37:01
供稿：網(wǎng)友
作者：魏永明
目錄
1 linux 圖形領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施
1.1 X Window
1.2 SVGALib
1.3 FrameBuffer
1.4 LibGGI
2 Linux 圖形領(lǐng)域的高級函數(shù)庫
2.1 Xlib 及其他相關(guān)函數(shù)庫
2.2 SDL
2.3 Allegro
2.4 Mesa3D
2.5 DirectFB
3 面向嵌入式Linux 系統(tǒng)的圖形用戶界面
3.1 MicroWindows/NanoX
3.2 OpenGUI
3.3 Qt/Embedded
3.4 MiniGUI
4 小結(jié)
本文首先概述了 Linux 圖形領(lǐng)域的基本設(shè)施，然后描述了一些可供嵌入式 Linux 系統(tǒng)使用的高級圖形庫以及圖形用戶界面支持系統(tǒng)。希望對嵌入式 Linux 系統(tǒng)的開發(fā)有所幫助。
1 Linux 圖形領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施
本小節(jié)首先向讀者描述 Linux 圖形領(lǐng)域中常見的基礎(chǔ)設(shè)施。之所以稱為基礎(chǔ)設(shè)施，是因?yàn)檫@些系統(tǒng)（或者函數(shù)庫），一般作為其他高級圖形或者圖形應(yīng)用程序的基本函數(shù)庫。這些系統(tǒng)（或者函數(shù)庫）包括：X Window、SVGALib、FrameBuffer 等等。
1.1 X Window
提起 Linux 上的圖形，許多人首先想到的是 X Window。這一系統(tǒng)是目前類 UNIX 系統(tǒng)中處于控制地位的桌面圖形系統(tǒng)。無疑，X Window 作為一個(gè)圖形環(huán)境是成功的，它上面運(yùn)行著包括 CAD建模工具和辦公套件在內(nèi)的大量應(yīng)用程序。但必須看到的是，由于 X Window 在體系接口上的原因，限制了其對游戲、多媒體的支持能力。用戶在 X Window 上運(yùn)行 VCD 播放器，或者運(yùn)行一些大型的三維游戲時(shí)，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)同樣的硬件配置，卻不能獲得和 Windows 操作系統(tǒng)一樣的圖形效果――即使使用了加速的 X Server，其效果也不能令人滿足。另外，大型的應(yīng)用程序（比如 Mozilla 瀏覽器）在 X Window 上運(yùn)行時(shí)的響應(yīng)能力，也相當(dāng)不能令人滿足。當(dāng)然，這里有 Linux 內(nèi)核在進(jìn)程調(diào)度上的問題，也有 X Window 的原因。
X Window 為了滿足對游戲、多媒體等應(yīng)用對圖形加速能力的要求，提供了 DGA（直接圖形訪問）擴(kuò)展，通過該擴(kuò)展，應(yīng)用程序可以在全屏模式下直接訪問顯示卡的幀緩沖區(qū)，并能夠提供對某些加速功能的支持。
1.2 SVGALib
SVGALib 是 Linux 系統(tǒng)中最早出現(xiàn)的非 X 圖形支持庫。這個(gè)庫從最初對標(biāo)準(zhǔn) VGA 兼容芯片的支持開始，一直發(fā)展到對老式 SVGA 芯片的支持以及對現(xiàn)今流行的高級視頻芯片的支持。它為用戶提供了在控制臺上進(jìn)行圖形編程的接口，使用戶可以在 PC 兼容系統(tǒng)上方便地獲得圖形支持。但該系統(tǒng)有如下不足：
1）接口雜亂。SVGALib 從最初的 vgalib 發(fā)展而來，保留了老系統(tǒng)的許多接口，而這些接口卻不能良好地迎合新顯示芯片的圖形能力。
2）未能較好地隱藏硬件細(xì)節(jié)。許多操作，不能自動使用顯示芯片的加速能力支持。
3）可移植性差。SVGALib 目前只能運(yùn)行在 x86 平臺上，對其他平臺的支持能力較差（Alpha 平臺除外）。
4）發(fā)展緩慢，有被其他圖形庫取代的可能。SVGALib 作為一個(gè)老的圖形支持庫，目前的應(yīng)用范圍越來越小，尤其在 Linux 內(nèi)核增加了 FrameBuffer 驅(qū)動支持之后，有逐漸被其他圖形庫替代的跡象。
5）對應(yīng)用的支持能力較差。SVAGLib 作為一個(gè)圖形庫，對高級圖形功能的支持，比如直線和曲線等等，卻不能令人滿足。盡管 SVGALib 有許多缺點(diǎn)，但 SVGALib 經(jīng)常被其他圖形庫用來初始化特定芯片的顯示模式，并獲得映射到進(jìn)程地址空間的線性顯示內(nèi)存首地址（即幀緩沖區(qū)），而其他的接口卻很少用到。另外，SVGALib 中所包含的諸如鍵盤、鼠標(biāo)和游戲桿的接口，也很少被其他應(yīng)用程序所使用。
因此，SVGALib 的使用越來越少，筆者也不建議用戶使用這個(gè)圖形庫。當(dāng)然，假如用戶的顯示卡只支持標(biāo)準(zhǔn) VGA 模式，則 SVGALib 還是比較好的選擇。
1.3 FrameBuffer
FrameBuffer 是出現(xiàn)在 2.2.xx 內(nèi)核當(dāng)中的一種驅(qū)動程序接口。這種接口將顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)。用戶可以將它看成是顯示內(nèi)存的一個(gè)映像，將其映射到進(jìn)程地址空間之后，就可以直接進(jìn)行讀寫操作，而寫操作可以立即反應(yīng)在屏幕上。該驅(qū)動程序的設(shè)備文件一般是 /dev/fb0、/dev/fb1 等等。比如，假設(shè)現(xiàn)在的顯示模式是 1024x768-8 位色，則可以通過如下的命令清空屏幕：
$ dd if=/dev/zero of=/dev/fb0 bs=1024 count=768
在應(yīng)用程序中，一般通過將 FrameBuffer 設(shè)備映射到進(jìn)程地址空間的方式使用，比如下面的程序就打開 /dev/fb0 設(shè)備，并通過 mmap 系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行地址映射，隨后用 memset 將屏幕清空（這里假設(shè)顯示模式是 1024x768-8 位色模式，線性內(nèi)存模式）：
int fb;
unsigned char* fb_mem;
fb = open (“/dev/fb0”, O_RDWR);
fb_mem = mmap (NULL, 1024*768, PROT_READPROT_WRITE,MAP_SHARED,fb,0);
memset (fb_mem, 0, 1024*768);
FrameBuffer 設(shè)備還提供了若干 ioctl 命令，通過這些命令，可以獲得顯示設(shè)備的一些固定信息（比如顯示內(nèi)存大小）、與顯示模式相關(guān)的可變信息（比如分辨率、象素結(jié)構(gòu)、每掃描線的字節(jié)寬度），以及偽彩色模式下的調(diào)色板信息等等。
通過 FrameBuffer 設(shè)備，還可以獲得當(dāng)前內(nèi)核所支持的加速顯示卡的類型（通過固定信息得到），這種類型通常是和特定顯示芯片相關(guān)的。比如目前最新的內(nèi)核（2.4.9）中，就包含有對 S3、Matrox、nVidia、3Dfx 等等流行顯示芯片的加速支持。在獲得了加速芯片類型之后，應(yīng)用程序就可以將 PCI 設(shè)備的內(nèi)存I/O（memio）映射到進(jìn)程的地址空間。這些 memio 一般是用來控制顯示卡的寄存器，通過對這些寄存器的操作，應(yīng)用程序就可以控制特定顯卡的加速功能。
PCI 設(shè)備可以將自己的控制寄存器映射到物理內(nèi)存空間，而后，對這些控制寄存器的訪問，給變成了對物理內(nèi)存的訪問。因此，這些寄存器又被稱為“memio”。一旦被映射到物理內(nèi)存，Linux 的普通進(jìn)程就可以通過 mmap 將這些內(nèi)存 I/O 映射到進(jìn)程地址空間，這樣就可以直接訪問這些寄存器了。
當(dāng)然，因?yàn)椴煌娘@示芯片具有不同的加速能力，對memio 的使用和定義也各自不同，這時(shí)，就需要針對加速芯片的不同類型來編寫實(shí)現(xiàn)不同的加速功能。比如大多數(shù)芯片都提供了對矩形填充的硬件加速支持，但不同的芯片實(shí)現(xiàn)方式不同，這時(shí)，就需要針對不同的芯片類型編寫不同的用來完成填充矩形的函數(shù)。
說到這里，讀者可能已經(jīng)意識到 FrameBuffer 只是一個(gè)提供顯示內(nèi)存和顯示芯片寄存器從物理內(nèi)存映射到進(jìn)程地址空間中的設(shè)備。所以，對于應(yīng)用程序而言，假如希望在 FrameBuffer 之上進(jìn)行圖形編程，還需要完成其他許多工作。舉個(gè)例子來講，F(xiàn)rameBuffer 就像一張畫布，使用什么樣子的畫筆，如何畫畫，還需要你自己動手完成。
1.4 LibGGI
LibGGI 試圖建立一個(gè)一般性的圖形接口，而這個(gè)抽象接口連同相關(guān)的輸入（鼠標(biāo)、鍵盤、游戲桿等）抽象接口一起，可以方便地運(yùn)行在 X Window、SVGALib、FrameBuffer 等等之上。建立在 LibGGI 之上的應(yīng)用程序，不經(jīng)重新編譯，就可以在上述這些底層圖形接口上運(yùn)行。但不知何故，LibGGI 的發(fā)展幾乎停滯。
2 Linux 圖形領(lǐng)域的高級函數(shù)庫
2.1 Xlib 及其他相關(guān)函數(shù)庫
在 X Window 系統(tǒng)中進(jìn)行圖形編程時(shí)，可以選擇直接使用 Xlib。Xlib 實(shí)際是對底層 X 協(xié)議的封裝，可通過該函數(shù)庫進(jìn)行一般的圖形輸出。假如你的 X Server 支持 DGA，則可以通過 DGA 擴(kuò)展直接訪問顯示設(shè)備，從而獲得加速支持。對一般用戶而言，由于 Xlib 的接口太原始而且復(fù)雜，因此一般的圖形程序選擇其他高級一些的圖形庫作為基礎(chǔ)。比如，GTK、QT 等等。這兩個(gè)函數(shù)同時(shí)還是一些高級的圖形用戶界面支持函數(shù)庫。由于種種原因，GTK、QT 等函數(shù)庫存在有龐大、占用系統(tǒng)資源多的問題，不太適合在嵌入式系統(tǒng)中使用。這時(shí)，你可以選擇使用 FLTK，這是一個(gè)輕量級的圖形函數(shù)庫，但它的主要功能集中在用戶界面上，提供了較為豐富的控件集。
2.2 SDL
SDL（Simple DirectMedia Layer）是一個(gè)跨平臺的多媒體游戲支持庫。其中包含了對圖形、聲音、游戲桿、線程等等的支持，目前可以運(yùn)行在許多平臺上，其中包括 X Window、X Window with DGA、Linux FrameBuffer 控制臺、Linux SVGALib，以及Windows DirectX、BeOS 等等。
因?yàn)?SDL 專門為游戲和多媒體應(yīng)用而設(shè)計(jì)開發(fā)，所以它對圖形的支持非常優(yōu)秀，尤其是高級圖形能力，比如 Alpha 混和、透明處理、YUV 覆蓋、Gamma 校正等等。而且在 SDL 環(huán)境中能夠非常方便地加載支持 OpenGL 的 Mesa 庫，從而提供對二維和三維圖形的支持。
可以說，SDL 是編寫跨平臺游戲和多媒體應(yīng)用的最佳平臺，也的確得到了廣泛應(yīng)用。相關(guān)信息，可參閱 http://www.libsdl.org。
2.3 Allegro
Allegro 是一個(gè)專門為 x86 平臺設(shè)計(jì)的游戲圖形庫。最初的 Allegro 運(yùn)行在 DOS 環(huán)境下，而目前可運(yùn)行在 Linux FrameBuffe 控制臺、Linux SVGALib、X Window 等系統(tǒng)上。Allegro 提供了一些豐富的圖形功能，包括矩形填充和樣條曲線生成等等，而且具有較好的三維圖形顯示能力。
由于 Allegro 的許多要害代碼是采用匯編編寫的，所以該函數(shù)庫具有運(yùn)行速度快、資源占用少的特點(diǎn)。然而，Allegro 也存在如下缺點(diǎn)：
1）對線程的支持較差。Allegro 的許多函數(shù)是非線程安全的，不能同時(shí)在兩個(gè)以上的線程中使用。
2）對硬件加速能力的支持不足，在設(shè)計(jì)上沒有為硬件加速提供接口。
有關(guān) Allegro 的進(jìn)一步信息，可參閱http://www.allegro.cc/。
2.4 Mesa3D
