基于 Linux 和 MiniGUI 的嵌入式系統軟件開發指南（五）
2024-07-21 02:38:19
供稿：網友
作者：魏永明
MiniGUI 1.1.0 版本引入的新 GDI 功能和函數
本文向讀者展現了 MiniGUI 的最新開發成果，即在 MiniGUI 1.1.0PRe4 版本中引入的新的 GAL 和新的 GDI 功能和接口。這些接口最終會出現在 MiniGUI 1.1.0 正式版本中。本文主要內容包括 GAL 和 GDI 的關系，新 GAL 引擎的接口特點，新 GDI 的功能增強以及接口應用范例等等。
1 引言
在本系列開發指南（四）中，我們具體講解了 MiniGUI 的 GDI 函數及其使用。我們也曾提到，MiniGUI 現有的 GDI 函數和功能，尚不能對機頂盒、瘦客戶機等高端嵌入式系統提供良好支持。因此，我們在 MiniGUI 1.1.0 版本的開發中，重點對 GAL 和 GDI 進行了大規模的改良，幾乎重新編寫了所有代碼。這些新的接口和功能，首先出現在最近發布的 MiniGUI 1.1.0Pre4 版本中，為了幫助開發人員正確理解和使用這些功能，特撰文說明新 GAL 和新 GDI 的接口和功能。
2 新 GAL 和新 GDI 接口的設計目標
首先，MiniGUI 舊的 GDI 接口非常簡單，其功能主要集中在位圖和塊操作上，例如 FillBox 函數、FillBoxWithBitmap 等等，而缺少對其他高級圖形操作的支持，比如橢圓、圓弧、樣條曲線等等。其次，舊的 GDI 接口還缺少基本的光柵操作功能。這里的光柵操作，指欲設定象素如何與屏幕上已有的象素進行運算。最基本的光柵操作功能是二進制的位操作，包括與、或、異或以及直接設置等等；高級的光柵操作包括透明處理和 Alpha 混和。這些 GDI 功能的缺乏，使得 MiniGUI 在機頂盒、瘦客戶等系統中應用時，顯得"力不從心"。再次，舊的 GDI 接口基本上沒有考慮到任何硬件加速功能。我們大家都知道，顯示卡自身提供的硬件加速功能，能夠大大提高圖形程序的運行速度，使得畫面流暢而自然，假如 GUI 系統不能充分利用這些硬件特性的話，則圖形處理能力將大打折扣。最后，舊的 GAL 設計存在抽象層次太高的問題，導致了 GAL 引擎臃腫，且重復代碼很多，也不便于進行代碼上的優化。
綜上所述，我們參照聞名的跨平臺游戲和多媒體函數庫 SDL（Simple DirectMedia Layer）對 GAL 引擎結構進行了重新設計，并且重新實現了所有的 GDI 函數，使得新的 GDI 接口具備如下特性：
能夠充分利用硬件特性，包括顯示內存和硬件加速能力。
支持高級圖形操作，包括基本光柵操作、透明處理和 Alpha 混和。
增強了剪切區域處理能力，有助于優化圖形輸出函數。
增強了原有的 BITMAP 接口，使之支持透明和 Alpha 通道。
充分利用嵌入式匯編代碼進行代碼優化。
下面將重點講述新的 GAL 功能和新的 GDI 接口。
3 新 GAL 功能特性
新的 GAL 結構來自聞名的跨平臺游戲和多媒體庫 SDL（Simple DirectMedia Layer）。目前提供了對 linux FrameBuffer 的支持，計劃在將來提供對 X、SVGALib 和 VGL（FreeBSD）等等圖形庫的支持。
3.1 GAL 和 GDI 的關系
大家都知道，MiniGUI 的 GAL 是一個圖形抽象層，提供給上層 GDI 函數一些基礎的功能和設施。在先前的設計中，GAL 可以看成是 GDI 圖形驅動程序，許多圖形操作函數，比如點、線、矩形填充、位圖操作等等，均通過 GAL 的相應函數完成。這種設計的最大問題是無法對 GDI 進行擴展。比如要增加橢圓繪制函數，就需要在每個引擎當中實現橢圓的繪制函數。并且 GDI 治理的是剪切域，而 GAL 引擎卻基于剪切矩形進行操作。這種方法也導致了 GDI 函數無法進行繪制優化。因此，在新的 GAL 和 GDI 接口設計中，我們將 GAL 的接口進行了限制，而將原有許多由 GAL 引擎完成的圖形輸出函數，提高到上層 GDI 函數中完成。GAL 和 GDI 的新的功能劃分如下：
GAL 負責對顯示設備進行初始化，并治理顯示內存的使用；
GAL 負責為上層 GDI 提供映射到進程地址空間的線性顯示內存，以及諸如調色板等其他相關信息；
GAL 負責實現快速的位塊操作，包括矩形填充和 Blitting 操作等，并且在可能的情況下，充分利用硬件加速功能；
GDI 函數實現高級圖形功能，包括點、線、圓、橢圓、圓弧、樣條曲線，以及更加高級的邏輯畫筆和邏輯畫刷，必要時調用 GAL 接口完成加速功能；
盡管某些顯示卡也提供有對上述高級繪圖功能的硬件支持，但考慮到其他因素，這些硬件加速功能不由 GAL 接口提供；而統統通過軟件實現。
這樣，GAL 主要實現的繪圖功能限制在位塊操作上，比如矩形填充和 Blitting 操作；而其他的高級圖形功能，則全部由 GDI 函數實現。
3.2 顯示內存的有效利用
新的 GAL 接口能夠有效利用顯示卡上的顯示內存，并充分利用硬件加速功能。我們知道，現在顯示卡一般具有 4M 以上的顯示內存，而一般的顯示模式下，不會占用所有的顯示內存。比如在顯示模式為 1204x768x32bpp 時，一屏象素所占用的內存為 3M，還有 1M 的內存可供給用程序使用。
因此，新的 GAL 引擎能夠治理這部分未被使用的顯示內存，并分配給應用程序使用。這樣，一方面可以節省系統內存的使用，另一方面，可以充分利用顯示卡提供的加速功能，在顯示內存的兩個不同內存區域之間進行快速的位塊操作，也就是常說的 Blitting。
3.3 Blitting 操作
在上層 GDI 接口在建立內存 DC 設備時，將首先在顯示內存上分配內存，假如失敗，才會考慮使用系統內存。這樣，假如 GAL 引擎提供了硬件加速功能，兩個不同 DC 設備之間的 Blitting 操作（即 GDI 函數 BitBlt），將以最快的速度運行。更進一步，假如硬件支持透明或 Alpha 混和功能，則透明的或者 Alpha 混和的 Blitting 操作也將以最快的速度運行。新的 GAL 接口能夠根據底層引擎的加速能力自動利用這些硬件加速功能。目前支持的硬件加速能力主要有：矩形填充，普通的 Blitting 操作，透明、Alpha 混和的 Blitting 操作等。當然，假如硬件不支持這些加速功能，新的 GAL 接口也能夠通過軟件實現這些功能。目前通過 GAL 的 FrameBuffer 引擎提供上述硬件加速功能的顯卡有：Matrox、3dfx 等。
在通過軟件實現透明或混和的 DC 間 Blitting 操作時，新的 GAL 接口利用了兩種有效的優化措施：
在 i386 平臺上，充分利用嵌入式匯編代碼進行優化處理；比如在處理 32 位色模式下的普通 Blitting 操作時，在利用普通的 C 庫函數，即 memcpy 進行位塊復制時，由于 memcpy 函數是以字節為單位進行復制的，從而無法利用 32 位 CPU 對 32 位字的處理能力，為此，可以使用嵌入式匯編，并以 32 位字為單位進行復制，這將大大提高 Bliting 操作的處理速度。
對源 DC 進行 RLE（Run Length Encoding）編碼，從而對象素的處理數量最小化。RLE 可以看成是一種圖象壓縮算法，Windows BMP 文件就利用了這種算法。RLE 是按水平掃描線進行壓縮編碼處理的。在一條掃描線上，假如有大量相同的象素，則不會保存這些象素點，而是首先保存具有相同象素點的數目，然后保存這些象素點的值。這樣，在進行透明或者混和的 Blitting 操作時，可以大大降低逐點運算帶來的速度損失。但是，假如在最壞的情況下，比如所有水平掃描線上的象素點都具有和相鄰點不同的象素值，則 RLE 編碼反而會增加象素的存儲空間（最壞的情況是原有空間的兩倍），同時也會降低 Blitting 操作的速度。因此是否使用 RLE 編碼，要根據情況而定。新的 GDI 接口在指定源 DC 的透明和 Alpha 通道值時，可以指定是否使用 RLE 編碼。
3.4 有效分辨率
新的 GAL 引擎可以設定一個不同于實際顯示分辨率的有效分辨率。比如實際的顯示分辨率是 1024x768，則可以在 /etc/MiniGUI.cfg 文件中指定比實際分辨率低的有效分辨率。這種特性有利于在 PC 上調試需要運行在較小分辨率系統上的應用程序。比如：
[system]
gal_engine=native
ial_engine=native
[native]
defaultmode=320x240x16
其中在 defaultmode 當中指定了有效分辨率為 320x240，16 則表示顏色深度，即 16 位色，或者稱為每象素的二進制位數。需要注重的是，對 VESA FramBuffer 設備，必須指定和當前顏色深度一致的顏色深度值。對其他的 FrameBuffer 設備，假如能夠支持多種顯示模式，則會根據 defaultmode 指定的模式設置當前分辨率。
3.5 新 GAL 的限制
需要注重的是，新的 GAL 結構只打算支持線性顯示內存，并且只支持 8 位色以上的顯示模式。假如要支持低于 8 位色的顯示模式，則可以選擇使用老的 GAL 和 GDI 接口。在配置 MiniGUI 的時候，你可以指定是否使用老的 GAL 和 GDI 接口。默認情況下的配置是使用新的 GAL 和 GDI 接口，需要使用老的 GAL 和 GDI 接口時，應進行如下的配置：
./configure --disable-newgal
另外，新的 GAL 接口支持 Gamma 校正和 YUV Overlay，但目前尚未在 GDI 接口中體現這些功能。在新的版本中，會逐步添加相應的 GDI 接口。
4 新的 GDI 接口
4.1 新的區域算法
新的 GDI 采用了新的區域算法，即在 X Window 和其他 GUI 系統當中廣泛使用的區域算法。這種區域稱作"x-y-banned"區域，并且具有如下特點：
區域由互不相交的非空矩形組成；
區域又可以劃分為若干互不相交的水平條帶，每個水平條帶中的矩形是等高，而且是上對齊的；或者說，這些矩形具有相同的高度，而且所有矩形的左上角 y 坐標相等。
區域中矩形的排列，首先是在 x 方向（在一個條帶中）從左到右排列，然后按照 y 坐標從上到下排列。
在 GDI 函數進行繪圖輸出時，可以利用 x-y-banned 區域的非凡性質進行繪圖的優化。在將來版本中添加的繪圖函數，將充分利用這一特性進行繪圖輸出上的優化。
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