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MicroWindows體系結(jié)構(gòu)及應用程序接口
摘要：MicroWindows是一個著名的開放源碼的嵌入式GUI軟件。本文簡要論述了MicroWindows的體系結(jié)構(gòu)和應用程序接口，并介紹其設備驅(qū)動特性、API、客戶機/服務器模型和畫圖機制。關鍵詞：MicroWindows API Nano-X 圖形用戶界面
許多開發(fā)者在嵌入式設計中開始使用類似于桌面的操作系統(tǒng)。其中一個方案就是Linux操作系統(tǒng)。由于Linux在嵌入式系統(tǒng)上具有桌面電腦的全部功能和特性，作為一種免費的開放源碼，它允許修改和根據(jù)用戶的要求進行定制。
MicroWindows是一個開放源碼的嵌入式GUI軟件，目的是把圖形視窗環(huán)境引入到運行Linux的小型設備和平臺上。作為X Window系統(tǒng)的替代品，MicroWindows可以用更少的RAM和文件存儲空間（100KB～600KB）提供相似的功能，允許設計得輕松加入各種顯示設備、鼠標、觸摸屏和鍵盤等；可移植性非常好，可用C語言實現(xiàn)；支持Intel 16位/32位CPU、MIPS R4000以及基于ARM內(nèi)核的處理器芯片。
1 體系結(jié)構(gòu)
1.1 分層結(jié)構(gòu)設計
MicroWindows采用分層結(jié)構(gòu)設計方法，在底層提供對屏幕、鼠標、觸摸屏和鍵盤的驅(qū)動，在程序能訪問實際的硬件設備和其它用戶定制設備。在中間層有一個可移植圖形引擎，提供繪制線程、區(qū)域填充、繪制多邊形、裁減和使用顏色模式的方法。在頂層實現(xiàn)多種API以適應不同的應用環(huán)境。目前，MicroWindows中使用兩種流行的圖形編程接口：Microsoft Windows Win32/WinCE圖形顯示接口（GDI）和Xlib接口。前者應用于所有的Windows CE和Win32應用程序；后者就像Nano-X，應用于所有Linux X插件集的最底層，這樣可讓Linux圖形程序員X接口開發(fā)圖形應用程序。
1.2 驅(qū)動設備
device.h文件中定義設備驅(qū)動接口。MicroWindows已實現(xiàn)至少將一個屏幕、鼠標和鍵盤的驅(qū)動與系統(tǒng)相連。獨立圖形設備引擎的中間層可以使驅(qū)動設備直接完成對硬件的具體操作。
（1）屏幕驅(qū)動
MicroWindows可運行在支持Framebuffer的32位Linux系統(tǒng)上，也可使用SVGALib[45]庫來進行圖形顯示。此外，還被移植到16位的ELKS和實模式的MSDOS上，實現(xiàn)1、2、4、8、16和32位的像素支持，以及實現(xiàn)VGA16平面模式支持。它的圖形引擎能夠運行在任何支持readpixel、writepixel、drawhorzline、drawvertline和setpalette的系統(tǒng)之上。如果底層驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)了Blitting，則上層可提供更多的增強功能。在底層函數(shù)的支持之下，上層實現(xiàn)了對位圖、字體、光標以及顏色的支持。除了基于調(diào)色板的1、2、4和8位像素模式，也實現(xiàn)15、16和32位像素的真彩模式。
（2）鼠標驅(qū)動
MicroWindows有三個鼠標驅(qū)動程序。GPM驅(qū)動程序mou_gpm.c支持Linux系統(tǒng)，串口鼠標驅(qū)動程序mou_ser.c支持Linux和ELKS系統(tǒng)，int33驅(qū)動程序mou_dos.c支持MSDOS系統(tǒng)。鼠標驅(qū)動程序的基本功能，是將鼠標中的數(shù)據(jù)編碼，然后返回關于鼠標位置和按鍵的相對或絕對數(shù)據(jù)。
在Linux下，MicroWindows的主循環(huán)是select（）聲明，如果運行的系統(tǒng)不支持select()，MicroWindows則提供Poll()入口。
（3）鍵盤驅(qū)動
MicroWindows提供兩個鍵盤驅(qū)動程序：Kbd_tty.c適用于Linux和ELKS系統(tǒng)，鍵盤被當成文件描述符來讀寫；Kbd_bios.c用于MSDOS真彩模式下，它是對PC BIOS進行讀寫來對按鍵進行操作。
1.3 MicroGUI——獨立圖形設備引擎
MicroWindows的MicroGUI提供了對屏幕、鼠標、鍵盤驅(qū)動程序和硬件之間的接口。用戶應用程序不能直接調(diào)用核心圖形引擎，但是可通過API函數(shù)來實現(xiàn)。核心程序在客戶機/服務器模型下常駐在服務器上，使用內(nèi)部的文本字體和位圖文本模式。此外，核心程序使用的是指針，這樣不用靠轉(zhuǎn)變成句柄來實現(xiàn)更多的復雜功能。
MicroWindows中的核心程序以GdXXX()開頭，與之相連的是圖形輸出系統(tǒng)而不是窗口管理系統(tǒng)。此外，還控制所有的裁剪和顏色轉(zhuǎn)換功能。以下是組成MicroWindows核心模塊的文件：
dvdraw.c——核心圖形程序，關于繪制線段、圓、多邊形及其填充，文本和位圖文件的繪制和顏色轉(zhuǎn)換；
devclip.c——核心裁剪程序；
devrgn.c——動態(tài)分配程序；
devmouse.c——鼠標控制程序；
devkbd.c——核心鍵盤控制程序；
devpalX.c——連接到系統(tǒng)調(diào)色板。
1.4 應用程序接口
MicroWindows提供兩個應用程序接口：MicroWindows API（源代碼在win*.c中）和Nano_XAPI(源代碼在nanox*.c中)
在MicroWidows上的API函數(shù)的基本模型都是用來初始化屏幕、鍵盤和鼠標的驅(qū)動程序，然后一直等待select（）消息循環(huán)。當事件發(fā)生時，這條信息將送到用戶程序。如果是用戶請求圖形操作，那參數(shù)將被編碼后送到適當?shù)腉dXXX核心程序上。與原始圖形操作相對的窗口概念是被該層所控制的，也就是說該層的API函數(shù)定義了窗口及其對應系統(tǒng)的概念。這樣，系統(tǒng)坐標就能被轉(zhuǎn)成屏幕上顯示的坐標，并且可將數(shù)據(jù)傳給GdXXX核心程序，由其作實際操作。該層亦定義圖形/顯示文件，并且會將此信息包括裁減信息送到核心程序上。
MicroWindows API支持大多數(shù)圖形繪制、裁減、窗口工具條繪制以及拖拉窗口等這些程序。Nano_x API以mini-X服務器基礎，類似于X的一個API，沿用X Window中的Xlib API，命名都是GrXXX()而不是X Windows中的X）。Nano-x API加入了基于網(wǎng)絡的客戶機/服務器功能，但是沒有實現(xiàn)窗口管理，所以對窗口的處理需要使用系統(tǒng)提供的一個插件（widget）集，或者完全由應用程序員自已開發(fā)。
2 圖形引擎特性與實現(xiàn)
圖形引擎層的功能是完成圖形在實虛屏之間的轉(zhuǎn)換，以Gd...為開頭，并將指針傳給PSD作為它的首個參數(shù)。PSD參數(shù)將指定底層的顯示模式，例如設備的垂直和水平尺寸、硬件使用的顏色模式。另外，真正執(zhí)行畫圖的程序在這一層中作為功能指針使用。所有屏幕坐標都是COORD類型。
顏色在圖形引擎中被指定RGB CILORVAL模式，然后被轉(zhuǎn)換成顏色指針，以PIXELVAL模式傳給顯示硬件，在32bpp(bit per pixel)真彩顯示器環(huán)境下不必轉(zhuǎn)換。
（1）區(qū)域
區(qū)域用來描述屏幕上像素點的分布。在MicroWindows中，區(qū)域是用一些無交迭的矩形組成的數(shù)組來描述的。目前實現(xiàn)區(qū)域有兩種方法，最初是用一個靜態(tài)數(shù)組CLIPRECTs來描述復雜區(qū)域。在這個數(shù)組中任一矩形中的點都被認為是存在這個區(qū)域中的，另一個全局變量clipcount用來給這個數(shù)組中的矩形計數(shù)。這個方法沒有給區(qū)域管理提供入口點，所以整個數(shù)組的數(shù)據(jù)直接被送到負責裁剪功能的函數(shù)數(shù)口。新方法則可以創(chuàng)建任何數(shù)目的區(qū)域。用來描述區(qū)域的數(shù)組CLIPREGION被定義成動態(tài)數(shù)據(jù)組，可動態(tài)分配它所包含矩形的數(shù)量，這樣那些無交迭的矩形被存放在“y-x”類型的隊列中。在同一隊列中，所有矩形的垂直高度y是一樣的，這意味著在每個隊列中只有矩形的寬度可變。實際程序是利用Intersection、Union、Subtraction、Exclusive OR等方法來實現(xiàn)創(chuàng)建、刪除一個區(qū)域或者是將幾個區(qū)域或矩形合并。以下是這種方法設計的幾個函數(shù)。
GdAllocRegion 創(chuàng)建一個區(qū)域
GdDestroyRegion 刪除一個區(qū)域
GdCopyRegion 復制區(qū)域
GdUnionRectWithRegion 將一個矩形和一個區(qū)域合并
GdIntersectRegion 在兩個區(qū)域的交集處創(chuàng)建一個新區(qū)域
GdSubtractRegion 在兩個區(qū)域的差集處創(chuàng)建一個新區(qū)域
GdUnionRegion 在兩個區(qū)域的并集創(chuàng)建一個新區(qū)域
GdXorRegion
（2）裁剪
圖形引擎中有一個由圖形操作定義的由一些矩形組成的裁剪區(qū)，如果點被包含在這些裁減區(qū)內(nèi)就會被繪制出來。有兩個裁剪算法：devclipl.c針對靜態(tài)矩形數(shù)組，devclipc2.c針對新的動態(tài)數(shù)組。GdSetClipRects是唯一刪除區(qū)域并指定后來的圖形操作的入口點。所有的繪圖程序都要調(diào)用兩個附加程序來決定是否畫圖。GdClipPoint獲取屏幕坐標的（x,y）點，如果該點被繪制出來的話，則返回TRUE。GdClipArea獲取屏幕上方最左的或者下方最右的點并回以下值：CLIP_VISIBLE（指定區(qū)域在原區(qū)域內(nèi)）、CLIP_INVISIBLE（指定區(qū)域不在原區(qū)域內(nèi)）、CLIP_PARTIAL（指定區(qū)域部分在原區(qū)域內(nèi)）。
（3）畫線
MicroWindows使用GdPoint畫點，GdLine畫線。畫線時使用當前的前景色（DgSetForeground指定）。有兩種繪制模式：MODE_SET和MODE_COR。
（4）矩形、圓和橢圓以及多邊形
矩形、圓和橢圓的繪制分別調(diào)用GdRect和GdEllipse來實現(xiàn)。MicroWindows中定義了一個包含（x,y）多邊形頂點的數(shù)組來表示多邊形，調(diào)用GdLine函數(shù)畫線，把這些點相連就可以實現(xiàn)畫多邊形。繪制時使用前景色。
（5）區(qū)域填充
MicroWindows中使用GdFillRect函數(shù)填充矩形區(qū)域，填充使用前景色。填充圓和橢圓使用GdFillEillpse函數(shù)，填充多邊形使用GdFillPoly函數(shù)。填充的實現(xiàn)是在屏幕驅(qū)動中不斷地調(diào)用GrawHorzLine函數(shù)。
（6）字體和文本輸出
MicroWindows支持可變/不可變字體。文本輸出時使用GdSetFont定義輸出使用的字體，再調(diào)用GdText函數(shù)輸出。
（7）顏色模式和調(diào)色板
MicroWindows支持RGB顏色，顏色匹配，真彩和調(diào)色板顯示，3D效果的顯示。
（8）圖片繪制
MicroWindows支持兩種格式的圖片。單色圖片用IMAGEBITS結(jié)構(gòu)（1表示前景色，0表示背景色）來定義，繪制時調(diào)用GdBitmap程序。彩色圖片可以分別定義為1、4、8 bpp的模式，用IMAGEHDR結(jié)構(gòu)來表示。繪制時調(diào)用GdDrawImage函數(shù)。
（9）映射
映射功能在實虛屏的轉(zhuǎn)換中使用。GdBlit可以實現(xiàn)上層的API將虛擬內(nèi)存存復制到顯示屏上，復制時調(diào)用GdBlit函數(shù)。
3 MicroWindows API
MicroWindows API中的基本通信機制是消息機制。一個消息機制中包含了message number和兩個參數(shù)：wParam、lParam。Message被存放在應用程序的message-queue中，GetMessage函數(shù)將其取出。WM_GHAR針對鍵盤輸入，WM_LBUTTONDOWN針對鼠標鍵被按下。窗口創(chuàng)建時使用WMCREATE，刪除時使用WM_DESTROY。DispatchMessage將消息傳到處理程序的窗口。
以下是處理消息的有關函數(shù)：
SendMessage 將消息傳到窗口
PostMessage 將消息傳到消息隊列
PostQuitMessage 傳遞WM_QUIT消息到消息隊列讀時中斷程序
GetMessage 得到消息后結(jié)束中斷
TranslateMessage 將按鍵按下/彈起的消息傳到WMCAR
DispatchMessage 將消息傳到為它分配的窗口程序
3.2 窗口的創(chuàng)建和刪除
RegisterClass 定義新的窗口類型并啟動窗口程序
UnRegisterClass 刪除窗口類型
CreateWindowsEx 按窗口類型創(chuàng)建一個窗口
DeatroyWindow 刪除一個窗口
窗口創(chuàng)建后產(chǎn)生WM_CREATE消息，刪除產(chǎn)生WM_DESTROY消息。
3.3 窗口的顯示、隱藏和移動
ShowWindow函數(shù)指定窗口是否可見。MoveWindow改變窗口的位置和大小。窗口位置改變時，產(chǎn)生WM_MOVE消息；窗口大小改變時，產(chǎn)生WM_SIZE消息。
3.4 窗口的繪制
窗口繪制時產(chǎn)生WM_PAINT消息。窗口的標題欄自動繪制，設置屬性使用SetWinowText，察看屬性使用GetWindowText。
（1）實虛屏切換
窗口繪制使用的坐標系統(tǒng)是屏幕上的絕對坐標系，MicroWindows API使用的是相對坐標系。GetClientRect和GetWindowRect函數(shù)各自返回虛屏和實屏的坐標值。
（2）Device Contexts
調(diào)用圖形API之間要包含device context。它指定系統(tǒng)所使用的窗口和坐標系，同時還定義系統(tǒng)默認的前景色和背景色。
GetDC用來包含device context。在畫標題欄還需調(diào)用GetWindowDC。GetDCEx定義子/兄弟窗口的裁剪操作。繪制結(jié)束時調(diào)用ReleaseDC釋放DC。
（3）圖形API
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3.5 其它實用函數(shù)
WndSetDesktopWallpaper 設置桌面的背景圖片
WndSetCursor 為窗口創(chuàng)建光標
WndRaiseWindow 拉伸窗口
WndLowerWindow 縮小窗口
WndGetTopWindow 返回最上層窗口的句柄
Sleep 睡眠
（1）設置窗口中心
WM_SETFOCUS和WMKILLFOCUS分別用于獲取/刪除中心。GetActiveWindow返回ancestor窗口，GetDesktopWINDOW返回當前桌面窗口的句柄。
（2）鼠標捕獲
WM_MOUSEMOVE用來表示鼠標被移動。SetCapture獲取全部的鼠標移動信息，ReleaseCapture返回到程序，GetCaptrue返回到捕獲區(qū)域。
(3)區(qū)域管理
SetRect 定義一個矩形結(jié)構(gòu)
SetRectEmpty 定義一個空矩形
CopyRect 復制一個矩形
IsRectEmpty 為空矩形時返回TRUE
InflateRect 放大矩形
OffsetRect 移動矩形
PtInRect 判斷點是否在矩形區(qū)內(nèi)
4 Nano-X API
（1）Client/Server模型
Nano-X允許應用程序使用Client/Server網(wǎng)絡協(xié)議或本地UNIX Domain Socket，可讓幾個應用程序運行在嵌入式設備或遠端主機上，并連接到Server上顯示出來。
（2）窗口的創(chuàng)建和刪除
Nan0-X中使用GrNewWindow創(chuàng)建窗口。GrNewInputWindow定義窗口只允許用來輸入。函數(shù)定義了窗口的邊界和顏色。
（3）窗口的顯示、隱藏和移動
GrMapWindow用來顯示窗口，GrUnmapWindow用來隱藏，GrRaiseWindow用來拉伸，GrLowerWindow用來縮小，GrMoveWindow用來移動，GrResizeWindow用來改變窗口大小。
（4）窗口中的繪制
①Graphics Context。GrNewGC用來分配graphics Context，刪除時使用GrDestroyGC,GrCopyGC用來復制。創(chuàng)建一個Graphics Context后，服務器返回一個Graphics Context的ID，用來作為API的參數(shù)。GC中不存放裁剪區(qū)和系統(tǒng)坐標系。
②繪圖API。見補充版（http://www.panasonaic.com收集整理）。
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