Microwindows在基于单片机嵌入式系统中的移植

   引言

    microwindows是由gregory haerr组织的一个开放源码项目，是嵌入式系统中广泛应用的一种图形用户接口(gui)，该项目的目标是在嵌入式linux平台上提供与普通个人电脑类似的图形用户界面。作为x_windows的替代品，microwindows提供了和x_windows类似的功能，但是却占用很少的内存，根据用户的配置，microwindows占用的内存资源只有100kb~600kb左右。microwindows的核心是基于显示设备接口的，可移植性较强，其本身提供了多种嵌入式系统常见的显示设备驱动程序。目前新版本的microwindows已经内建了framebuffer，因此可以不局限于linux的开发平台，在ecos、freebsd、minix等操作系统上都可以运行。在基于linux的开发平台上，可以使用framebuffer机制直接读写显存，也可以调用svgalib库。在基于linux的framebuffer机制中，microwindows支持每像素1位、2位、4位、8位、16位、32位的色彩/灰度，并通过调色板技术将rgb格式的颜色空间转换为目标机上的颜色进行显示。microwindows系统可以图形方式支持在主机平台上的仿真目标平台开发，因此microwindows应用程序就可以直接在台式机上进行编写和开发，通过交叉编译就可在目标平台上运行。

    本文论述了在基于s3c44b0x的嵌入式开发平台上，移植了uclinux操作系统，并通过修改内核、编写framebuffer帧缓冲设备驱动程序，使uclinux内核能够支持帧缓冲设备，在此基础上移植microwindows的方法与过程。

    microwindows的体系结构

    针对嵌入式系统的特性，microwindows采用了层次化结构，每一层完成特定的功能，如图1所示。

图1 microwindows体系结构

    设备驱动层

    设备驱动程序的接口函数定义在device.h中，其中包括了屏幕驱动程序、鼠标驱动程序和键盘驱动程序。图形引擎层提供的与设备无关的图形引擎例程通过调用设备驱动程序跟硬件设备交互，这就保证了当平台硬件设备发生变化的时候，只需要改写相应的驱动程序即可，无需修改上层代码。microwindows 提供基于linux2.2.x内核的帧缓冲设备驱动程序，通过/dev/fb0 设备文件，利用mmap()系统调用将显示缓存映射至系统内存中。

    图形引擎层

    microwindows系统中的核心函数是在图形引擎层通过调用下层硬件设备驱动程序来实现的。这些函数对屏幕、鼠标、键盘等驱动程序进行了封装，为api提供了服务，用户调用最上层提供的编程接口，而不需要直接调用引擎层的例程。在microwindows的源代码中，核心的例程包括：

    devdraw.c： 主要的图形绘制操作，描画和填充、圆、多边形、文本与位图的显示，颜色转换相关的代码；

    devclip.c： 剪裁操作；

    devmouse.c：处理鼠标操作的信息；

    devkbd.c： 处理键盘操作的信息；

    devpalx.c： 与调色板相关的代码；

    devimage.c: 实现对gif、bmp、jpeg、ppm 等格式图形的显示操作；

    fongt_xxxx.c: 对不同字体的显示操作

    api

    microwindows提供了两种类型的api，以便更好地适应在不同平台上应用程序的移植。一种是与win32/win ce 基本兼容的api，支持大多数的图形操作，它的api是基于消息机制的。另一种是采用x体系的nano-x api，它是client/server模式的，在客户端的api函数以nx……( )命名，在服务端的api函数以gr……( )命名。

    具体实现

    下面具体论述microwindows在pc机和s3c44b0x开发板上的实现。首先，需要下载相应的安装包，本文下载的是0.90版本的microwindows和相应的字库文件。同时，由于microwindows需要使用freetype库函数产生truetype字体，因此还需要下载安装freetype，这里使用的的是1.3.1版本的freetype。

    pc机上实现

    解压缩相关的安装包，安装freetype之后，就可以开始运行microwindows。在解压缩目录中输入命令：./xconfigure，就会出现相应的配置菜单，由于是在pc机上运行，应根据具体的参数配置microwindows。具体的参数配置如下：

    (1) 点击compiling option ，进入编译选项。在随后弹出的子窗口中选中optimize，点击ok 返回即可。

    (2) 点击platform，进入开发平台选项。由于是在pc机上运行，选择“linux(native)”选项。在其后的“option”选项中，按如下配置：“screen driver”选项中，由于是在pc机上运行，选择“x11”；在“mouse driver”鼠标选项中，选择“gpm mouse”；在“keyboard driver”键盘选项中，选择“tty”。

    (3) 点击“libraries to compile”，进入链接库配置选项。其中有nanox库和microwindows 库，在“nanox”的“option”选项中，选择“link app into server”和“compile demos”选项。

    关于其他的参数配置，包括字库、文件格式支持等应根据具体的情况进行配置。至此，microwindows在pc机上运行的配置工作已经完成，存盘退出，屏幕显示配置成功。输入命令：make，完成编译工作。当编译完成后，在src的bin目录下有很多演示程序，一些是基于nano—x api 的，一些是基于win32 api 的，运行即可。

    以上简单论述了microwindows在pc机上运行的方法与过程，pc机上的运行过程相对简单，只需要按照实际情况进行配置，编译即可。

    嵌入式开发板上的实现

    下面论述microwindows在以s3c44b0x为主控芯片的嵌入式开发板中运行的步骤与方法。首先需要建立交叉编译开发环境，这里建立的编译器是arm-elf-gcc，汇编器是arm-elf-as，链接器为arm-elf-ld和库管理器arm-elf-ar。接着，移植相应的?clinux，关于此类的文章已经较多，在此就不赘述了。最后，在clinux内核中将s3c44b0x的帧缓冲设备驱动打开，并需要建立/dev/fb0设备节点，关于s3c44b0x的帧缓冲设备驱动程序的开发已另文发表。至此，已经做好microwindows移植的基础工作，下面具体论述实现的步骤与方法。

    在microwindows的配置过程中，可以利用./xconfigure命令进入菜单配置界面,当然也可以通过直接修改配置文件“src/config”对microwindows进行配置。这里采用的是后者，其中几个比较关键的选项包括体系结构、交叉编译器、每像素位数、帧缓冲等，具体的配置参数如下：

    (1) 关于体系结构和编译器选项

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    (2) 每像素位数screen_pixtype= mwpf_truecolor332 对于s3c44b0x，在彩色模式下，1个字节8位(3位红色、3位绿色、2位蓝色)的图像数据对应一个像素点，即像素点字节在存储器中保存的格式为332位。因此在设定microwindows的每像素位数时将其格式设置为332，根据头文件的定义设定为mwpf_true color332。

    (3) 帧缓冲设备由于是在嵌入式开发平台上运行，有别于在pc机上，此时microwindows应该是基于帧缓冲驱动，即需要调用/dev/fb0设备，因此参数的配置应该为：

     还有其他某些相关的配置参数，应根据实际情况进行配置。至此，完成了对microwindows的配置工作，下面需要根据?clinux的特性，对microwindows的源代码进行相应修改。具体需要修改的地方包括三个方面：

    在打开帧缓冲设备时，需要调用void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offsize)函数，将屏幕缓冲区映射到用户地址空间。在基于pc机开发时，由于在linux系统下，参数flags默认为map_shared，即对映射区域的写入数据会复制回文件内，而且允许其他映射该文件的进程共享。由于?clinux是没有mmu(内存管理单元)的，因此参数flags应为map_fixed ，即如果参数start所指的地址无法成功建立映射时，则放弃映射，不对地址做修正。因此，应该修改文件/src/drivers/scr_fb.c，将mmap()函数中的flags参数改为map_fixed。

    如果此时直接编译经过配置和修改源代码的microwindows，会提示出现“undefined reference to ‘_ _ctor_list’”和“undefined reference to ‘_ _dtor_list’”的错误。这是由于原来在libgcc中是有_ _ctor_list和_ _dtor_list参数定义的，但在?clinux的交叉编译链中，该符号被删掉。在elf2flt的link script中提供了这两个符号的定义，使用clinux的交叉编译链编译可执行程序就必须用-elf2flt选项。因此应在编译的选项里加上“-elf2flt”，修改的文件包括demos文件夹下各个相关文件夹的makefile文件。

    由于clinux缺少mmu硬件的支持，无法实现fork( )函数，而只能使用vfork( )函数，因此在含有fork( )函数的文件中应加入相应的条件编译指令，用vfork( )来代替fork( )。

    以上3个修改是比较重要，至此已完成了整个microwindows在s3c44b0x嵌入式开发板中的移植，编译即可。最后，将编译好的演示程序复制到clinux内核中，再编译内核，将编译好的内核映像文件下载至ram中，即可运行演示。

    结语

    本文主要论述了microwindows的体系结构，并且介绍了在pc机上和基于s3c44b0x的嵌入式开发板上运行的步骤和方法，指出了在开发过程应该注意的问题。下面就可以利用相应的开发工具开发microwindows的应用程序，从而实现相应的功能。