嵌入式Linux下Qt/Embedded的应用

    引言

    嵌入式操作系统是目前比较流行的操作系统，以其小巧、操作简单、便于携带而深受消费者的欢迎。在当今流行的嵌入式操作系统当中，Linux深受开发者的青睐。Qt是Trolltech公司推出的一个多平台的C++图形用户界面应用程序框架。它给应用程序开发者提供建立图形用户界面所需的所用功能。Qt是完全面向对象的，很容易扩展，并且允许真正的组件编程。

    Qt是由Trolltech这家公司所开发的一套开源的C++图形用户界面库。在XWindow上KDE桌面环境就是用这套图形界面库所建立。它采用 C++的语法，有各式各样的图形对象可供使用，采用signal/slot信号的事件信号传递机制。Qt/Embedded则是在嵌入式环境下所使用的 Qt。目前市面上所有上市的LinuxPDA都是采用Qt/Embedded作为图形接口的函数库。Qt/Embedded的特性是可以直接在 Framebuffer上显示图形接口，反应的速度更快了，这对硬件与容量都有限制的嵌入式环境来说非常重要。图1为Qt/Embedded的实现结构。

   
    图1　Qt/Embedded的实现结构

    笔者参与了一个基于ARM9的嵌入式Linux下的GUI的移植及应用程序开发，所用处理器是三星公司的S3C24l0X，操作系统为Linux2.4.18，应用GNUGCC交叉编译器。

    硬件平台

     S3C2410X是三星公司的基于ARM920T的S3C2410X芯片。S3C2410X集成了一个LCD控制器(支持STN和TFT带有触摸屏的液晶显示屏)、SDRAM、触摸屏、USB、SPI、SD和MMC等控制器，4个具有PWM功能的计时器和1个内部时钟，8通道的10位ADC，117位通用 I/O口和24位外部中断源，8通道10位AD控制器，处理器工作频率最高达到203MHz。

     S3C2410中的LCD控制器可支持单色/彩色LCD显示器。支持彩色TFT时，可提供4/8/12/16位颜色模式，其中16位颜色模式下可以显示 65536种颜色。配置LCD控制器重要的一步是指定显示缓冲区，显示的内容就是从缓冲区中读出的，其大小由屏幕分辨率和显示颜色数决定。文中采用的是台湾元太V16C6448ACTFT显示模块，在640*480分辨率下可提供16位彩色显示。

     Qt/Embedded底层支持分析

     Qt/Embedded的底层图形引擎是基于帧缓冲(Frame Buffer)，帧缓冲是出现在2.2.x以上内核的版本当中的一种驱动程序接口。这种接口采用mmap系统调用，将显示设备抽象为帧缓冲区。用户可以将它看成是显示内存的一个映像，将其映射到进程地址空间以后，就可以直接进行读写操作了，而写操作可以立即反映在屏幕上。帧缓冲驱动程序是最重要的驱动程序之一，正是这个驱动程序才能使系统屏幕显示内容，其实现分为两个方面：一是对LCD及其相关部件的初始化，包括画面缓冲区的创建和对DMA通道的设置；二是对画面缓冲区的读写，具体到代码为read，write等系统调用接口。

    帧缓冲是Linux为图形设备提供的一个抽象接口，它允许上层应用程序在图形模式下直接对显示缓冲区进行读写操作。这种操作是抽象的、统一的。应用程序不必关心物理显存的位置、换页机制等等具体细节。这些都是由帧缓冲设备驱动来完成的。帧缓冲设备对应的设备文件通常为/dev/fb031，Linux的帧缓冲设备的驱动主要基于两个文件：

     1)linux/include/linux/fb.h；
     2)linux/drivers/video/fbmem.c。

    帧缓冲设备属于字符设备，采用“文件层-驱动层”的接口方式。

    帧缓冲设备在驱动层所要做的工作仅仅是对Linux为帧缓冲的驱动层接口fb-info进行初始化，然后调用这两个函数对其注册或注销。帧缓冲设备驱动层接口直接对LCD设备硬件进行操作，而fbmem.c可以记录和管理多个底层设备驱动。

    文件fbmem.c中定义了帧缓冲设备的文件层接口file-operations结构体，它对应用程序可见，该结构体的定义如下：

     staticstructfile-operationsfb-fops=
    　{
    　　　owner：THIS-MODULE，
    　　　read：fb-read，/*读操作*/
    　　　write：fb-write，/*写操作*/
    　　　ioctl：fb-ioctl，/*控制操作*/
    　　　mmap：fb-mmap，/*映射操作*/
    　　　open：fb-open，/*打开操作*/
    　　　release：fb-release，/*关闭操作*/
     }；

    在这个结构体中功能函数open()和release()不需要底层的支持，而read()，write()，mmap()则需要调用fb-get- fix()，fb-get-var()，fb-set-var()(这些函数位于结构体fb-info中指针fbops指向的结构体变量中)等与底层 LCD硬件相关的函数的支持。另一个功能函数是ioctl()，ioctl()是设备驱动程序中对设备的I/O通道进行管理的函数，应用程序应用 ioctl()系统调用来调用fb-get-fix()，fb-get-var()，fb-set-var()等方法来获得和设置结构体fb-info中 var，fix和cmap等变量的信息。在fbmem.c中给出了ioctl()命令和fb-info中结构体fb-ops的成员函数的对应关系如下：

     FBIOGET-VSCREENINFOfb-get-var
     FBIOPUT-VSCREENINFOfb-set-var
     FBIOGET-FSCREENINFOfb-get-fix
     FBIOPUTCMAPfb-set-cmap
     FBIOGETCMAPfb-get-cmap
     FBIOPAN-DISPLAYfb-pan–display[page]

    用户应用程序只需要调用FBIOXXXX来操作LCD硬件。

    嵌入式图形界面GUI的移植

    交叉编译和移植Qt/Embedded
    文中采用了Trolltech公司的Qt/Embedded2.3.6自由版作为目标板Linux图形界面库。在交叉编译前需要先修改Qt /Embedded的配置文件，将GCC，G++编译器和链接器设置为前文编译安装的交叉编译工具链。接着是设置环境变量，如下：

     exportPATH=/opt/host/armv4l/bin：＄PATH
     exportQTDIR=＄PWD
     exportQTEDIR=＄QTDIR
     exportLD-LIBRARY-PATH=＄QTDIR/lib：＄LD-LI2
     BRARY-PATH

    然后配置Qt/Embedded将Qt/Embedded配置为动态链接库，并支持JPEG，JIF图像格式，像素位数支持4，8，16，24。

    ./configure-xplatformlinux-arm-g++-shared-system-jpeg-gif-qvfb-depths4，8，16，24

    最后交叉编译后，\qt-2.3.6\lib路径下的生成EmbeddedQt的3个动态SO库，分别是 libqte.so.2，libqte.so.2.3，libqte.so.2.3.6，将这些库文件拷贝到目标板文件系统中(/s3c2410pro /root/usr/qt/lib)。与此同时在\qt-2.3.6\examples生成了Qt/Embedded的一些示例应用程序 (/s3c2410pro/root/usr/qt/examples/)。可以将一部分或全部程序拷贝到目标板文件系统。

    这样当开发板启动以后，就可以在嵌入式系统下运行基于Qt/Embedded的应用程序了。

    交叉编译和移植Qtopia
    消费电子设备而开发的综合应用平台，它是基于Qt/Em2bedded图形界面库。Qtopia包括了窗口操作系统、游戏和多媒体、输入法、工作辅助应用程序等特性。

    同Qt/Embedded交叉编译一样，首先需要先修改Qtopia的配置文件，将GCC，G++编译器和链接器设置为    前文编译安装的交叉编译工具链。

    接着是设置Qtopia环境变量，因为Qtopia是基于Qt/Embedded库的，因此需要方才交叉编译的动态链接库的支持，需要同时设置Qt的环境变量。

     exportQTDIR=/linuette/host/Qt/embedded/qt-2.3.6
     exportLD-LIBRARY-PATH=/usr/lib：/lib：＄QTDIR/lib：
    ＄LD-LIBRARY-PATH
     exportQPEDIR=/linuette/host/Qt/qpe/qpe-1.6.2
     exportPATH=/opt/host/armv4l/bin：＄PATH
     exportTMAKEPATH=/usr/lib/tmake/lib/qws/linux-linuette-g++
    最后配置Qtopia将Qtopia配置为动态SO库形式：
    ./configure-xplatformlinux-arm-g++-shared
    编译make

    此时会出现/bin/uic：Commandnotfound的错误，这是因为没有指定Qt/Embedded的uic工具，uic的工具是Qt专门用来将ui(ui文件是Qt图形界面文件，支持所见即所得)文件生成.h和.cpp文件的。这里可以直接使用Qt/X11的uic工具，方法如下：在/qt- 2.3.6/bin目录下建立到RedHat9.0自带的QtX11的uic工具的链接。可以使用RedHat9.0下Qtdesigner(界面与 Delphi相类似)的应用程序开发嵌入式系统下的所见即所得的图形界面应用程序。

    编译通过后会在Qt/Embedded的路径/qt-2.3.6/lib下生成libqpe1.6.2的动态链接库，同样将这些库文件拷贝到目标板文件系统中(/s3c2410pro/root/usr/qt/lib)。在目标板文件系统目录/s3c2410pro/root/usr下新建qpe文件夹，将/qpe-1.6.2/apps，/qpe-1.6.2/pics，/qpe-1.6.2/docs，/qpe-1.6.2/sounds复制到该文件夹下。最后修改目标板Linux的/profile文件，设置Qtopia的环境变量：

     exportPATH=/usr/qpe/bin：＄PATH
     exportQWS-SIZE=6403480
     exportPATH=/usr/qpe/bin：＄PATH

    开发板启动后就会运行Qtopia图形界面了。

    总结

    目前越来越多嵌入式系统要求图形显示界面，特别是在一些工业控制领域，嵌入式Linux系统的应用也逐渐增多。Qt/Embedded延续了Qt在桌面系统的所有功能，丰富的API接口和基于组件的编程模型使得嵌入式Linux系统中的应用程序开发更加便捷。由于Qt/Embedded本身面向高端的手持设备和移动设备，将成为未来嵌入式系统的主流GUI。