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嵌入式Linux中Qt/Embedded的应用

[日期:2006-09-23] 来源:Linux公社  作者:Linux [字体: ]

  引言

  随着嵌入式Linux应用的不断发展,嵌入式处理器运算能力的不断增强,越来越多的嵌入式设备开始采用较为复杂的GUI系统,手持设备中的GUI系统发展得非常迅速。传统的GUI系统,如Microwindows等,由于项目规模较小、功能较为薄弱,缺乏等三方软件开发的支持等诸多原因,在比较高级的手持或移动终端设备(如PDA、Smart-Phone、车载导航系统)中应用较少。

  Qt/Embedded是著名的Qt库开发商Trolltech公司开发的面向嵌入式系统的Qt版本,开发人员多为KDE项目的核心开发人员。许多基于Qt的X Window程序可以非常方便地移植到Qt/Embedded上,与X11版本的Qt在最大程度上接口兼容,延续了在X上的强大功能,在底层彻底摒弃了X lib,仅采用framebuffer作为底层图形接口。Qt/Embedded类库完全采用C++封装。丰富的控件资源和较好的可移植性是Qt/Embedded最为优秀的一方面,使用X下的开发工具Qt Designer可以直接开发基于Qt/Embedded的UI(用户操作接口)界面。越来越多的第三方软件公司也开始采用Qt/Embedded开发嵌入式Linux下的应用软件。其中非常著名的Qt Palmtop Environment(Qtopia)早期是一个第三方的开源项目,并已经成功应用于多款高档PDA。Trolltech公司针对Smart-Phone中的应用需求,于2004年5月底发布了Qtopia的Phone版本。

  1 Qt/Embedded的实现技术基础分析

  横向来看,由于发布的版权问题,Qt/Embedded采用两种方式进行发布:在GPL协议下发布的free版与专门针对商业应用的commercial版本。二者除了发布方式外,在源码上没有任何区别。纵向看来,当前主流的版本为Qtopia的2.x系列与最新的3.0x系列。其中2.0版本系统较多地应用于采用Qtopia作为高档PDA主界面的应用中;3.x版本系列则应用于功能相对单一,但需要高级GUI图形支持的场合,如Volvo公司的远程公交信息系统。图1为Qt/Embedded的实现结构。

  3.x版本系列的Qt/Embedded相对于2.x版本系统增加了许多新的模块,如SQL数据库查询模块等。几乎所有2.x版本中原有的类库,在3.x版本中都得到极大程度的增强。这就极大地缩短了应用软件的开发时间,扩大了Qt/Embedded的应用范围。

  在代码设计上,Qt/Embedded巧妙地利用了C++独有的机制,如继承、多态、模板等,具体实现非常灵活。但其底层代码由于追求与多种系统、多种硬件的兼容,代码补丁较多,风格稍显混乱。

  1.1 Qt/Embedded的图形引擎实现基础

  Qt/Embedded的底层图形引擎基于framebuffer。Framebuffer是在Linux内核架构版本2.2以后推出的标准显示设备驱动接口。采用mmap系统调用,可以将framebuffer的显示缓存映射为可连续访问的一段内存储针。由于目前比较高级的ARM体系的嵌入式CPU中大多集成了LCD控制模块,LCD控制模块一般采用双DMA控制器组成的专用DMA通道。其中一个DMA可以自动从一个数据结构队列中取出并装入新的参数,直到整个队列中的DMA操作都已完成为止。另外一个DMA与画面缓冲区相关,这部分由两个DMA控制器交替执行,并每次都自动按照预定的规则改变参数。虽然使用了双DMA,但这两个DMA控制器的交替使用对于CPU来说是不可见的。CPU所获得的只是由两个DMA组成的一个“通道”而已。

  Framebuffer驱动程序的实现分为两个方面:一方面是对LCD及其相关部分的初始化,包括画在缓冲区的创建和对DMA通道的设置;另外一方面是对画面缓冲区的读写,具体到代码为read、write、lseek等系统调用接口。至于将画面缓冲区的内容输出到LCD显示屏上,则由硬件自动完成。对于软件来说是透明的。当对于DMA通道和画面缓冲区设置完成后,DMA开始正常工作,并将缓冲区中的内容不断发送到LCD上。这个过程是基于DMA对于LCD的不断刷新的。基于该特性,framebuffer驱动程序必须将画面缓冲区的存储空间(物理空间)重新映射到一个不加高缓存和写缓存的虚拟地址区间中,这样能才保证应用程序通过mmap将该缓存映射到用户空间后,对于该画面缓存的写操作能够实时的体现在LCD上。

  在Qt/Embedded中,Qscreen类为抽象出的底层显示设备基类,其中声明了对于显示设备的基本描述和操作方式,如打开、关闭、获得显示能力、创建GFX操作对象等。另外一个重要的基类是QGfx类。该类抽象出对于显示设备的具体操作接口(图形设备环境),如选择画刷、画线、画矩形、alpha操作等。以上两个基类是Qt/Embedded图形引擎的底层抽象。其中所有具体函数基本都是虚函数,Qt/Embedded对于具体的显示设备,如Linux的framebuffer、Qt Virtual Framebuffer做的抽象接口类全都由此继承并重载基类中的虚函数实现。图2为Qt/Embedded中底层图形引擎实现结构。

  对于基本的framebuffer设备,Qt/Embedded用QlinuxFbScreen来处理。针对具体显示硬件(如Mach卡、Voodoo卡)的加速特性,Qt/Embedded从QlinuxFbScreen和图形设备环境模板类QgfxRaster继承出相应子类,并针对相应硬件重载相关虚函数。

  Qt/Embedded在体系上为C/S结构,任何一个Qt/Embedded程序都可以作为系统中唯一的一个GUI Server存在。当应用程序首次以系统GUI Server的方式加载时,将建立QWSServer实体。此时调用QWSServer::openDisplay()函数创建窗体,在QWSServer::openDisplay()中对QWSDisplay::Data中的init()加以调用;根据QgfxDriverFactory实体中的定义(QLinuxFbScreen)设置关键的Qscreen指针qt_screen并调用connect()打开显示设备(dev/fb0)。在QWSServer中所有对于显示设备的调用都由qt_screen发起。至此完成了Qt/Embedded中QWSServer的图形发生引擎的创建。当系统中建立好GUI Server后,其它需要运行的Qt/Embedded程序在加载后采用共享内存及有名管道的进程通信方式,以同步访问模式获得对共享资源framebuffer设备的访问权。

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