基于嵌入式 Qt 的車載 GUI 平臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展汽車已進(jìn)入普通家庭，汽車用戶對(duì)車載娛樂(lè)系統(tǒng)的要求不斷地提高，希望汽車載娛樂(lè)系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大娛樂(lè)設(shè)施更加完美。嵌入式GUI(Graphical User InteRFace)可以滿足用戶需求，人機(jī)交互好，作為車載娛樂(lè)系統(tǒng)中人機(jī)交互界面的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起著決定性作用，越來(lái)越受到開(kāi)發(fā)者的青睞。目前比較流行的GUI平臺(tái)有Qt／Embedded、緊縮的X Windows系統(tǒng)、MicroWindows以及MiniGUI系統(tǒng)。

　　X Window系統(tǒng)是一個(gè)基于客戶／服務(wù)器(Client／Server)結(jié)構(gòu)的視窗系統(tǒng)，基于X的終端(服務(wù)器)上顯示出來(lái)。此系統(tǒng)配置在大多數(shù)的UNIX系統(tǒng)、DEC的VAX／VMS操作系統(tǒng)以及Linux系統(tǒng)中，可以自由拷貝以及傳播，但是系統(tǒng)龐大，占用內(nèi)核資源較多。MicroWindows是一個(gè)完全開(kāi)放源碼、分層設(shè)計(jì)的經(jīng)典GUI系統(tǒng)，可以替代X Window系統(tǒng)，但是某些關(guān)鍵性代碼使用了匯編語(yǔ)言。MiniGUI系統(tǒng)適應(yīng)于中小型企業(yè)的嵌入式GUI平臺(tái)，采用分層結(jié)構(gòu)，并在核心層采用hash表的方式。本文采用的Qt／Embedded也是分層體系結(jié)構(gòu)，在功能提供方面采用C++類方式。

　　2 嵌入式GUI的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

　　GUI是圖形用戶接口，一般用于PC機(jī)上人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。而對(duì)于嵌入式GUI來(lái)說(shuō)，由于嵌入式設(shè)備對(duì)資源的要求很嚴(yán)格，不同的嵌入式設(shè)備需要定制不同的嵌入式系統(tǒng)，那么對(duì)GUI的要求也就不一樣，因此，對(duì)于不同的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)GUI也必須是可定制的。對(duì)于嵌入式的硬件來(lái)說(shuō)，要求定制的嵌入式GUI應(yīng)具有輕型、占用資源少、性能高、可靠性高、可配置等特點(diǎn)。由于Linux操作系統(tǒng)具有源碼公開(kāi)性、可移植性、可裁剪性和靈活性等優(yōu)點(diǎn)，所以嵌入式GUI的開(kāi)發(fā)常在Linux環(huán)境下進(jìn)行。

　　Qt／Embedded是著名的Qt庫(kù)開(kāi)發(fā)商正在進(jìn)行的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本。它是專門(mén)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖形用戶界面的工具包，包括一個(gè)完整的窗口系統(tǒng)。它的特點(diǎn)是可移植性比較好，設(shè)計(jì)者能輕易的加入各種顯示設(shè)備和硬件輸入設(shè)備，很多基于Qt的XWindow都可以非常方便的移植到嵌入式版本。

　　Qt／Embedded為開(kāi)發(fā)者提供了豐富的API調(diào)用功能，并公開(kāi)源代碼。Qt／Embedded提供了非常豐富的窗口小部件(Widgets)，并且還支持窗口部件的定制，因此它可以為用戶提供漂亮的圖形界面，但同時(shí)豐富的窗口對(duì)象也增大了軟件的體積，所以，Qt／Embedded一般用于對(duì)運(yùn)行環(huán)境不太苛刻的嵌入式設(shè)備中。

　　3 嵌入式Qt系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　Qt／Embedded移植了大量的原來(lái)基于Qt的XWindows程序，并提供了非常完整的嵌入式GUI解決方案，是一個(gè)成熟的GUI平臺(tái)，具有如下特點(diǎn)：

　　(1)Qt遵循GPL協(xié)議，開(kāi)放主要的源代碼，用戶可以在GPL的規(guī)定下自由添加新特性。

　　(2)與其他嵌入式GUI相比，嵌入式Qt不僅是一個(gè)完整的窗口系統(tǒng)，而且也是一個(gè)應(yīng)用程序框架，這更有利于應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。

　　(3)Qt具有豐富的API，包括多達(dá)250個(gè)以上的C++類，支持諸如對(duì)圖形、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、I／O操作、各種控件和XMI等眾多功能，可滿足大多數(shù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需要。

　　(4)Qt是一個(gè)GUI仿真工具包，它使用各自平臺(tái)上的低級(jí)繪圖函數(shù)仿真MS Windows和Motif(商用Llnix的標(biāo)準(zhǔn)GUI庫(kù))，因此程序運(yùn)行速度快。

　　(5)Qt良好的封裝機(jī)制使得Qt的模塊化程度非常高，可靠性好，易于程序開(kāi)發(fā)。

　　基于Qt的這些特點(diǎn)，在本車載嵌入式娛樂(lè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，本文采用了嵌入式Qt作為圖形用戶界面開(kāi)發(fā)的GUl支持平臺(tái)，有效提高了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)速度。

　　4 基于嵌入式Qt的車載GUI的設(shè)計(jì)

　　4．1 基于嵌入式Qt的車載GUI的總體設(shè)計(jì)

　　基于Linux的車載娛樂(lè)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境如表l所示，底層由Linux內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)成。該內(nèi)核是經(jīng)過(guò)裁減過(guò)的嵌入式Linux2．4，其中包括電源管理系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)程序提供對(duì)各種接口硬件的支持；中間層是基于QT／Embedded的嵌入式Qt庫(kù)。它精簡(jiǎn)和優(yōu)化了各種圖形操作，程序運(yùn)行時(shí)無(wú)需額外系統(tǒng)的支持，可以有效減少內(nèi)存消耗和CPU負(fù)擔(dān)。QT／Embedded本身是可擴(kuò)展的，并能不斷地升級(jí)。開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)自己所面對(duì)的嵌入式設(shè)備的實(shí)際需要，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟脺p，經(jīng)過(guò)裁減所得到的QT／Embedded可以大約節(jié)約800k到3MB的內(nèi)存空間，這樣也就意味著用Qt開(kāi)發(fā)比用其他工具包開(kāi)發(fā)相同的應(yīng)用程序，在生成可執(zhí)行文件后，代碼所占用的內(nèi)存空間要小。最頂層是整個(gè)車載娛樂(lè)應(yīng)用系統(tǒng)，它是實(shí)現(xiàn)車載娛樂(lè)具體功能的應(yīng)用集合。

　　基于嵌入式Qt的車載嵌入式娛樂(lè)系統(tǒng)軟件，最大限度的滿足了車載視聽(tīng)娛樂(lè)的要求。提供視頻播放、音頻播放等多媒體軟件，個(gè)人信息管理軟件，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖l所示。

　　4．2 基于嵌入式Qt的窗口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的上層GUI窗口系統(tǒng)采用了客戶／服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該窗口系統(tǒng)包括：一個(gè)服務(wù)器進(jìn)程、一個(gè)或者多個(gè)客戶進(jìn)程。服務(wù)器負(fù)責(zé)為客戶和本身分配顯示區(qū)域，生成鼠標(biāo)、鍵盤(pán)或者觸摸屏事件，它通常包含那些啟動(dòng)客戶的用戶界面。而客戶則通過(guò)與服務(wù)器通信來(lái)申請(qǐng)顯示區(qū)域，接受鼠標(biāo)或觸摸屏事件。客戶可以直接訪問(wèn)所分配的顯示區(qū)域，以便為用戶提供GUI服務(wù)。服務(wù)器和客戶通過(guò)共享內(nèi)存的方式來(lái)傳遞所分配顯示區(qū)域上的信息。窗口系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　服務(wù)器(進(jìn)程)維護(hù)著一組區(qū)域，當(dāng)窗口被創(chuàng)建、移動(dòng)、改變大小和破壞時(shí)，通過(guò)這組區(qū)域來(lái)改變每個(gè)客戶的申請(qǐng)。該區(qū)域存放在共享內(nèi)存中，在執(zhí)行繪圖操作時(shí)，客戶可以從中讀取信息；服務(wù)器連接著一些系統(tǒng)設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)或者觸摸屏，服務(wù)器負(fù)責(zé)將這些設(shè)備所產(chǎn)生的事件發(fā)送到適當(dāng)?shù)目蛻暨M(jìn)程。服務(wù)器能夠生成一個(gè)設(shè)備獨(dú)立的鼠標(biāo)或鍵盤(pán)事件，并將其發(fā)送到相應(yīng)的客戶進(jìn)程。觸筆設(shè)備通常沒(méi)有鼠標(biāo)光標(biāo)，但是觸筆操作能轉(zhuǎn)化為設(shè)備獨(dú)立的鼠標(biāo)事件，然后由客戶以標(biāo)準(zhǔn)事件進(jìn)行處理。

　　嵌入式Qt為客戶(進(jìn)程)提供API，當(dāng)客戶使用Qt API畫(huà)線時(shí)，QT/Embedded庫(kù)能直接訪問(wèn)顯存，完成畫(huà)線工作；在一些情況下嵌入式Qt客戶庫(kù)需要與服務(wù)器進(jìn)程建立連接，如在客戶進(jìn)程啟動(dòng)時(shí)，發(fā)生了會(huì)影響到全局后果的操作而與服務(wù)器通信時(shí)。例如，當(dāng)客戶進(jìn)行了拖放操作后，由于窗口覆蓋而導(dǎo)致顯示區(qū)域的變化，則從用戶那里接收到鼠標(biāo)和鍵盤(pán)事件時(shí)就需要建立這樣的連接；嵌入式Qt客戶庫(kù)負(fù)責(zé)處理所有的繪畫(huà)操作，包括文本顯示和字體處理等。

　　4．3 基于嵌入式Qt的事件響應(yīng)設(shè)計(jì)

　　在前述的客戶／服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)鍵的按下、釋放都以QWSKeyEvent事件發(fā)出。一個(gè)QWSKeyEvent事件通常包括以下各域：

• 　　Unicode：Unicode值。
• 　　Keycode：Qt鍵碼值，定義在qnamespace．h頭文件中。
• 　　Modifier：位域， 包括Qt：：ShiftButton，Qt：：ControlButton和Qt：：AltButton。
• 　　Is press：鍵按下時(shí)為真，釋放時(shí)為假。
• 　　Is auto repeat：鍵處于自動(dòng)重復(fù)狀態(tài)時(shí)為真。

　　嵌入式Qt處理鍵事件的過(guò)程為：鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)，并將鍵事件發(fā)送到服務(wù)器中。當(dāng)服務(wù)器從鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序接收到一個(gè)鍵事件時(shí)，它首先要經(jīng)過(guò)一個(gè)事件過(guò)濾器，然后再將其發(fā)送至每個(gè)客戶進(jìn)程，最后由客戶進(jìn)程負(fù)責(zé)處理鍵事件，并將其發(fā)送到適當(dāng)?shù)拇翱?。具體流程如圖3所示。

　　這里，鍵事件未必都來(lái)自鍵盤(pán)設(shè)備，包括觸摸屏，觸筆都可以產(chǎn)生鍵事件。服務(wù)器在任何時(shí)候都可以調(diào)用函數(shù)QWSServer：：sendKeyEvent()產(chǎn)生鍵事件。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，再結(jié)合事件過(guò)濾器的特性，便可構(gòu)造出所需的輸入服務(wù)器平臺(tái)。

　　在Qt中，一個(gè)事件通過(guò)調(diào)用QObject：：event()被發(fā)送到繼承自QObject的對(duì)象。事件發(fā)送就是一個(gè)事件已經(jīng)產(chǎn)生，由QEvent正好去表達(dá)，且QObject需要去回應(yīng)。多數(shù)事件來(lái)自窗口系統(tǒng)類QWidget，如QMouseEvent，QkeyEvent事件。某些事件來(lái)自其他源頭，如QTimerEvent，而某些來(lái)自應(yīng)用程序，Qt會(huì)一視同仁的處理。

　　事件過(guò)濾器在目標(biāo)對(duì)象處理之前去處理事件。過(guò)濾器通過(guò)調(diào)用QObject：：eventFilter()實(shí)現(xiàn)，它可以接受或丟棄過(guò)濾，也可容許或拒絕進(jìn)一步去處理事件。如果所有的事件過(guò)濾器允許進(jìn)一步的處理事件，事件自己就被送達(dá)目標(biāo)對(duì)象。本文在服務(wù)器進(jìn)程中安排事件過(guò)濾器，接收鍵事件，經(jīng)過(guò)處理后，將結(jié)果發(fā)送到客戶進(jìn)程。在客戶進(jìn)程中，處理鍵事件，并發(fā)送到適當(dāng)?shù)拇翱谥小?/P>

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　嵌入式Linux是目前流行的嵌入式系統(tǒng)解決方案，而嵌入式GUI是嵌入式Linux不可缺少的組成部分。本文通過(guò)分析、比較目前流行的幾種嵌入式GUI，選擇了嵌入式Qt作為研究對(duì)象并對(duì)其進(jìn)行了深入討論，在此基礎(chǔ)上完成了基于嵌入式Qt的車載GUI的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，并可為其他嵌入式娛樂(lè)系統(tǒng)提供參考價(jià)值。