基于嵌入式操作系统VxWorks的图形界面开发

摘    要: 本文主要阐述了利用嵌入式操作系统VxWorks的图形开发组件WindML进行图形界面开发的相关技术，并且总结出了程序设计的总体框架以及一些在实际编程中遇到的问题的解决方法，实现了WindML功能的扩展。
引言
嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，显然，嵌入式系统中的操作系统是整个系统的核心部分。VxWorks作为性能优秀的嵌入式操作系统，不论是在可靠性、实时性、可裁减性方面，还是在开放性、易用性等方面都是相当不错的。
本文主要利用WindML解决了嵌入式系统一般图形开发中所遇到的问题，对个别实现中的关键技术进行了详细阐述，并且总结出了图形界面开发的一般流程以供借鉴。

VxWorks概述
VxWorks操作系统是美国Wind River公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），它十分灵活，具有多达1800个功能强大的应用程序接口（API）；其次，它适用面广，可以用于从最简单到最复杂的产品设计；再次，它可靠性高，可以用于从防抱死刹车系统到星际探索的关键任务；最后，它适应性强，可以用于所有流行的CPU平台。VxWorks嵌入式实时操作系统包括微内核 Wind、高级的网络支持、强有力的文件系统和I/O管理、C++和其它标准支持等核心功能。

Tornado及WindML概述
WindML概述
WindML（Wind媒体库）提供了对运行在嵌入式系统上的多媒体应用程序的支持，以及用来开发可定制的标准化设备驱动程序的框架。并且，WindML提供了一系列工具用来处理输入设备和过程事件。以上这些功能绝大部分都由WindML提供的API来完成。
WindML由两个部分组成：软件开发工具箱（SDK）和硬件开发工具箱（DDK）。
SDK用来开发应用程序，在图形、输入处理、多媒体、字体和内存管理等方面，提供了全面的API，并且允许开发者在不同的硬件平台下完成独立于硬件的简单代码。
DDK用来完成驱动程序的开发，它提供了一系列完整的通常硬件配置情况下的驱动程序参考，以及一系列能使开发者迅速开发出驱动程序的API。DDK具有可扩展性和可定制性。DDK是SDK与硬件之间的中间层，直接与应用对象的硬件设备（包括显示器、视频、音频、键盘和鼠标等）相连接。


图1 自动隐藏流程图


图2 窗口互锁流程图

图形界面开发技术
程序总体框架
几乎所有实际应用方面的编程都有一个框架可以遵循，利用WindML的图形开发也不例外。虽然，它限制了一些有个性和特色的程序的出现，但它毕竟能够减少编程时的错误，而且能够提高编程的效率。图形开发设计的总体框架主要是调用uglInitialize完成 UGL (通用图形库)初始化，设备驱动装载，创建图形环境变量完成对所有资源的释放，并退出。
基本操作简要介绍
二维图形库
● 绘图基本要素：基本的图形是由简单的几何要素组成的，包括椭圆、直线、多边形。
● 文字渲染和字体管理：提供了一种简便的方法将文本信息绘制到显示设备上。
● 位图管理： API提供了一个简便的机制用来创建和渲染单色、彩色和透明位图图像至显示设备。
● 图形指针管理：指针是一个由应用程序创建的，并由指针设备定位到屏幕上的图像。它支持254种颜色以及透明色和反向像素。
● 批量绘图：进行绘图操作，能够确认绘图操作的完整性，使屏幕闪烁最小，并且能最有效地利用系统资源。
● 图形环境变量：包含了图画特征的所有信息，比如绘图的基本要素、默认位图、裁剪与观察区尺寸、光栅模式和文字渲染用的字体等。
● 颜色管理：在多种显示模式或多种显示设备类型下，利用颜色管理API能很方便地进行一些应用软件开发，对应用软件进行优化。
● 双缓冲技术：主要是为了减少高频率或大区域刷新时的屏幕闪烁。利用API，可以先将对象绘制入一个未显示的页（或缓冲），当绘图结束时再将这个页显示出来。
事件处理— 一般包括鼠标、触摸屏、键盘和用户自定义事件等的处理。
区域和窗口管理-包括区域和裁剪；以及窗口管理。
多媒体— 包括视频、音频和JPEG等。
资源管理— 包括常规资源、内存管理、设备驱动注册表、重叠面、驱动信息与管理。
扩展功能的实现
在实际编写程序时，总会遇到这样或那样的问题，有些可以通过已定义的功能函数来解决，而另一些不能直接解决的，我们通常会编写一段程序对现有功能进行扩展（利用已有的函数，通过特定的算法，完成特定功能）。在利用WindML组件进行编程时，我所遇到的几个实际问题，都是通过功能扩展来解决的。下面将对这些问题进行详细讨论：
指针延时自动隐藏
通过循环读取事件队列中的事件信息，对类型是指针的事件进行处理来完成鼠标消息的响应。但是，在此之前必须对鼠标指针的位置、图像以及大小等进行初始化，并将其显示在显示器上。然后，在事件处理时，如果通过函数uglEventGet得不到事件信息，即该函数返回状态为UGL_STATUS_Q_EMPTY时，若此时满足某特定条件，或者说系统已经空闲一定时间，那么，程序将调用函数uglCursorOff隐藏指针，直到有鼠标事件进入事件队列并被得到时，调用函数uglCursorOn显示指针。流程图见图1。
窗口互锁
窗口互锁就是要求整个屏幕中最多只有一个窗口显示，要想显示另一个窗口必须在该窗口关闭后才能进行。WindML组件自身没有提供这种互锁功能，组件中的窗口可以重叠、嵌套，理论上，只要系统提供的资源足够，那么屏幕上可以显示无限个窗口。流程图见图2。
屏幕取词技术
在WindML组件中，所有的图像、文字、窗口等都是以像素的形式画到显示设备上的。因此，一旦将对象绘制到显示设备上，就不可能用给定的函数得到某个区域中的对象。这样，如果需要用户输入信息，然后再得到这些信息时，问题就出现了：用户输入信息可以通过响应键盘事件，然后刷新相应显示区域来完成；但此时得到相应显示区域内的信息就十分棘手了，因为WindML组件中没有提供实现该功能的函数。现在就必须对WindML进行功能扩展以实现屏幕取词功能。
首先，规定需要用户输入的内容放在某个窗口中完成，假定要求用户输入的内容不止一个，但也不超过十个，多个内容按上下顺序排列。其次，我们规定在窗口中指针点击OK键完成取词功能，点击CANCLE键不取词。第三，假定键盘事件只响应数字键、‘.’键以及上下左右四个方向键。第四，所有的动态更新数据存放在字符串数组指针中，并在关闭窗口前释放它。
按键功能仿真技术
WindML组件中不存在像按钮这些类似的控件，所以，要实现Windows中的各种控件功能，要么购买Wind River公司提供的Zinc组件，要么就利用WindML现有的功能仿真实现。现以按钮控件为例，说明如何利用WindML实现按键功能。首先，我们必须完成按钮的外观设计：初始时先用一种颜色在规定的区域内绘制一矩形框，并在框内写字以完成一按钮抬起时的状态；当指针点击该区域，必须要仿真出按钮被按下的状态，此时只要以另一种颜色重画该区域并重新写字即可。其次，我们必须通过程序知道什么时候指针点击了该区域，这时我们可以利用宏UGL_POINT_IN_RECT(point, rect)来判断。在鼠标左键被按下时，可以通过事件得到当前指针的位置（x，y），令point.x=x，point.y=y，如果point在给定的rect范围（上述规定区域）内，则宏返回UGL_TRUEU，否则返回GL_FALSE。这样就实现了按键功能的仿真，由于整个流程较简单，这里就不给出流程图了。

结语
综上所述，嵌入式实时操作系统VxWorks的图形开发组件WindML在图形界面开发中的功能还是十分强大的，但是由于它的开发功能十分底层，因此一些Windows中常见的功能没有直接的函数或功能块实现。然而，因为它十分底层，我们可以通过一定的算法对WindML的功能进行扩展以完成所需功能的实现。总体而言，WindML组件功能强大但不完善，并且编写的代码量较多。但在嵌入式领域中，强调实时性及资源消耗最小的同时能实现如此功能已经是十分优秀了。