適用于機(jī)頂盒的嵌入式窗口系統(tǒng)開發(fā)

劉 暢

（中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

1 引言

作為一種面向最終用戶的消費(fèi)電子產(chǎn)品，用戶界面的設(shè)計(jì)在機(jī)頂盒軟件的開發(fā)中占有越來越重要的地位。界面軟件的設(shè)計(jì)以用戶為中心，其目的是讓用戶能夠用最簡單有效的方式完成交互操作，圖形界面作為有效提高用戶易用性的手段被廣泛使用。圖形用戶界面的設(shè)計(jì)具有復(fù)雜度高、需求多變、可重用性差的特點(diǎn)，而在實(shí)際工程中具有開發(fā)周期長、穩(wěn)定性低、模塊化程度低等問題[1-3]。

導(dǎo)致產(chǎn)生上述問題的一個(gè)重要因素是：機(jī)頂盒軟件基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)，而此類操作系統(tǒng)一般沒有對圖形用戶界面的特殊支持，用戶界面往往被簡單劃分為用戶層軟件的一部分，其實(shí)現(xiàn)與具體的界面設(shè)計(jì)方案耦合過強(qiáng)。解決此問題的有效方法是：定義一個(gè)適用于界面開發(fā)的中間層模塊，為圖形界面的開發(fā)提供必要支持[4]。圖1為一個(gè)典型的采用此種設(shè)計(jì)模式的機(jī)頂盒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)的機(jī)頂盒軟件相比，其最顯著的區(qū)別是新增了一個(gè)位于中間層的軟件模塊，為圖形界面的開發(fā)提供必要的支持。而基于窗口系統(tǒng)的圖形界面系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。由于硬件機(jī)能的限制，機(jī)頂盒通常不能支持PC上常見的復(fù)雜圖形系統(tǒng)。筆者介紹了一種適用于機(jī)頂盒的輕量級圖形系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效完成大多數(shù)界面設(shè)計(jì)的需求，同時(shí)保持很高的性能和靈活性。

圖1 基于圖形系統(tǒng)的機(jī)頂盒軟件結(jié)構(gòu)

2 窗口系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)中的窗口系統(tǒng)的基本功能包括標(biāo)量及矢量圖形繪制、屏幕區(qū)域管理、窗口管理和分發(fā)輸入事件，提供常用界面控件以及應(yīng)用編程接口。該系統(tǒng)采用層次化設(shè)計(jì)思想，每一層均可根據(jù)工程中的實(shí)際需要進(jìn)行修改，而不會對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)造成影響。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型如圖 2所示[5]。

圖2 窗口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

在底層，驅(qū)動程序?yàn)樵L問圖形設(shè)備和輸入設(shè)備提供最基本的支持。在目前常見的機(jī)頂盒系統(tǒng)中，圖形硬件通常包括二維圖形加速器，而輸入設(shè)備在多數(shù)情況下為遙控器和機(jī)頂盒控制面板。

在中間層，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)與硬件無關(guān)的繪圖引擎，提供了常用的標(biāo)量圖繪制和少量的矢量圖繪制功能，同時(shí)提供對屏幕緩沖區(qū)的管理和裁剪區(qū)域的支持。

在上層，窗口管理器提供了窗口系統(tǒng)的大部分核心功能，如窗口的創(chuàng)建和管理、窗口的重繪，以及對輸入事件的分發(fā)等功能。

應(yīng)用程序通過窗口管理器提供了編程接口與圖形系統(tǒng)交互，為保證用戶界面的一致性并提高開發(fā)效率，該系統(tǒng)同時(shí)包含常用的界面控件庫，提供諸如按鈕、列表等常用圖形控件。基于該系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用完全與具體的硬件和操作系統(tǒng)隔離，可以很方便地移植到不同的機(jī)頂盒平臺上。

3 繪圖引擎

繪圖引擎是整個(gè)圖形系統(tǒng)的重要組成部分，主要功能包括[6]：1）管理屏幕緩沖區(qū)和顯示內(nèi)存。2）提供對窗口區(qū)域的管理和屏幕裁剪的支持。3）提供對矢量圖、標(biāo)量圖以及矢量字庫的支持。4）為上層模塊提供與設(shè)備無關(guān)的編程接口。繪圖引擎的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 與硬件無關(guān)的繪圖引擎結(jié)構(gòu)圖

繪圖引擎直接操縱下層硬件設(shè)備，并為上層模塊提供與設(shè)備無關(guān)的編程接口，是整個(gè)圖形系統(tǒng)跨平臺性的保證。繪圖引擎所提供的各項(xiàng)功能對窗口系統(tǒng)也是非常關(guān)鍵的。

3.1 屏幕緩沖區(qū)管理

當(dāng)前主流機(jī)頂盒系統(tǒng)的顯示設(shè)備無一例外地采用幀緩存設(shè)計(jì)，屏幕上顯示的內(nèi)容對應(yīng)于顯示內(nèi)存中的一幀圖像數(shù)據(jù)。機(jī)頂盒軟件向幀緩存中寫入數(shù)據(jù)，顯示設(shè)備從同一個(gè)緩存中讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)而更新屏幕上顯示的圖像內(nèi)容。

管理屏幕緩沖區(qū)需要解決2個(gè)基本問題：確保寫入緩存的數(shù)據(jù)符合當(dāng)前顯示設(shè)備的顯示模式，以及保證幀緩存中數(shù)據(jù)的完整性，避免在機(jī)頂盒軟件更新幀緩存時(shí)，屏幕圖像產(chǎn)生抖動。

圖形顯示模式?jīng)Q定了幀緩存中的數(shù)據(jù)格式，即色深和內(nèi)存排布方式。機(jī)頂盒軟件必須采用設(shè)備要求的顯示模式向緩存中寫入圖像數(shù)據(jù)，否則顯示設(shè)備無法顯示正確的圖像信息。不同的硬件設(shè)備和圖形模式下，寫入幀緩存中的數(shù)據(jù)格式差異很大。為了避免這些差異對上層軟件的影響，圖形引擎通過一系列宏定義，為不同的顯示模式生成正確的顏色數(shù)據(jù)，例如定義如下的宏來寫入32位的像素?cái)?shù)據(jù)：#define ARGB_8888（a，r，g，b），（a）<<24｜（r）｜（g）<<8|（b）<<16。

不同于桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)頂盒系統(tǒng)的顯示模式在出廠后是不可改變的，因此圖形引擎通過條件編譯，選擇一種匹配當(dāng)前系統(tǒng)顏色模式的數(shù)據(jù)格式作為通用的像素表示：#define ARGB ARGB_8888。上層模塊只需統(tǒng)一使用ARGB宏定義顏色即可，無須考慮具體的硬件顯示模式。

在保證數(shù)據(jù)格式正確的同時(shí)，機(jī)頂盒軟件還會面臨屏幕內(nèi)容與幀緩存內(nèi)容同步的問題。在軟件繪制屏幕圖像的過程中，往往會多次更新屏幕同一個(gè)像素的內(nèi)容。例如，應(yīng)用程序需要更改屏幕上顯示的文字，通常的做法是先將屏幕上相應(yīng)的區(qū)域用背景色完全填充，然后重新繪制新的文字內(nèi)容。這樣做比先計(jì)算不同的文字更改了哪些像素，然后只更新受影響的像素開銷更低。然而其帶來的影響是：尚未完全更新的圖像（清空的背景）可能會短暫顯示在屏幕上，從而造成圖像閃爍。

為了保證幀緩存中圖像的完整性，繪圖引擎使用多緩沖技術(shù)。也就是在顯存中分配多個(gè)緩沖區(qū)，任意時(shí)刻僅將其中的一幀作為當(dāng)前顯示幀。機(jī)頂盒軟件在工作時(shí)只向非當(dāng)前屏幕顯示幀中寫入將要顯示的幀數(shù)據(jù)，當(dāng)全部繪圖操作完成后，再將當(dāng)前的顯示幀切換到已經(jīng)繪制完成的幀緩存中去，這樣避免了圖像閃爍的發(fā)生。

使用多重緩沖勢必會帶來顯存的開銷，因此在機(jī)頂盒系統(tǒng)中，繪圖引擎只使用2塊幀緩存。幀緩存的管理對上層應(yīng)用是透明的，繪圖引擎對上層提供以下2個(gè)編程接口：BeginPaint和EndPaint，用來標(biāo)識1次屏幕更新的開始和結(jié)束。幀緩存的切換在EndPaint調(diào)用時(shí)進(jìn)行。

3.2 屏幕區(qū)域和裁剪

屏幕區(qū)域是指在屏幕上的一系列像素構(gòu)成的集合?？紤]到機(jī)頂盒系統(tǒng)的限制和實(shí)際工程的需要，繪圖引擎僅支持矩形的屏幕區(qū)域。上層應(yīng)用可以使用編程接口AllocateRegion和DestroyRegion來分配或銷毀區(qū)域。

屏幕區(qū)域的主要使用者是上層的窗口管理器，因?yàn)槠聊粎^(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)窗口，因此最重要的功能是完成對繪圖內(nèi)容的裁剪。在任意時(shí)刻，繪圖引擎僅支持一個(gè)活動區(qū)域作為當(dāng)前的裁剪區(qū)域。任何繪圖指令都只會影響該區(qū)域中的幀緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)，超出該區(qū)域的部分不會發(fā)生變化。上層模塊可以通過SetClipRegion接口來設(shè)置當(dāng)前的裁剪區(qū)域。

圖形引擎中提供了對軟件和硬件裁剪的支持，由于軟件裁剪的速度較慢，而主流的機(jī)頂盒平臺均已提供對硬件裁剪的支持，硬件裁剪是首選的實(shí)現(xiàn)方式。

3.3 繪圖編程接口

在對幀緩存和裁剪支持的基礎(chǔ)上，繪圖引擎提供了一系列繪圖接口供上層模塊使用。考慮到在實(shí)際工程中，機(jī)頂盒上的界面軟件往往僅使用標(biāo)量繪圖，因而繪圖引擎提供的圖形接口包括：

1）繪制線段。實(shí)際工程中通常不需要繪制除水平和垂直線段之外的任意角度線段。繪圖引擎會對這2類特殊線段提供硬件加速支持。

2）繪制標(biāo)量圖。這是在機(jī)頂盒系統(tǒng)上最為常用的圖形操作，包括對標(biāo)量圖形的顯示、縮放，以及基于透明度的混合等，所有操作都提供硬件加速支持。

3）文字顯示。繪圖引擎提供對矢量和標(biāo)量字庫的支持。用于顯示固定或任意大小的文字。

4 窗口管理器

基于繪圖引擎提供的繪圖能力，窗口管理器將屏幕劃分為任意的矩形區(qū)域，每個(gè)區(qū)域作為一個(gè)窗口，提供給上層應(yīng)用程序，是應(yīng)用可編程的最基本屏幕單元。窗口管理器實(shí)現(xiàn)對窗口的管理，例如窗口的創(chuàng)建和銷毀、窗口的布局等。窗口管理器作為整個(gè)圖形系統(tǒng)的最上層，是上層應(yīng)用訪問圖形系統(tǒng)的唯一入口，因此窗口管理器提供了絕大部分的應(yīng)用編程接口，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 窗口管理器結(jié)構(gòu)圖

在窗口管理器中，各種輸入設(shè)備產(chǎn)生的事件通過消息隊(duì)列分發(fā)到窗口系統(tǒng)的各個(gè)窗口中，窗口通過處理不同的消息來更新其在屏幕上的顯示內(nèi)容，從而完成與用戶的交互。

4.1 消息隊(duì)列和消息傳遞

窗口間的基本通信機(jī)制是窗口消息，每條消息由1個(gè)消息編號以及2個(gè)32位的參數(shù)構(gòu)成。窗口消息存儲在應(yīng)用程序的消息隊(duì)列中，每個(gè)使用窗口管理器的線程都有一個(gè)消息隊(duì)列。在實(shí)際工程中，機(jī)頂盒系統(tǒng)往往采用基于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在這樣的系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)通常都已經(jīng)有一個(gè)消息隊(duì)列，因此窗口管理器會重用該任務(wù)的消息隊(duì)列來傳遞窗口消息。

窗口系統(tǒng)中的消息分為3類：

1）輸入設(shè)備消息。通常是遙控器或控制面板按鍵產(chǎn)生的消息，此類消息會被窗口管理器分發(fā)給當(dāng)前具有輸入焦點(diǎn)的窗口。在任意時(shí)刻，系統(tǒng)中最多只有一個(gè)窗口具有輸入焦點(diǎn)，通常是一個(gè)編輯框窗口。

2）普通窗口消息。此類消息發(fā)送給某個(gè)特定的窗口，發(fā)送方在發(fā)送消息時(shí)，必須正確指定目的窗口的窗口句柄。

3）系統(tǒng)廣播消息。當(dāng)系統(tǒng)中的硬件設(shè)備產(chǎn)生特定事件，需要提示用戶注意時(shí)，產(chǎn)生此類消息。這些消息不對應(yīng)特定窗口。往往由應(yīng)用程序決定如何處理。

應(yīng)用程序通過調(diào)用GetMessage接口來獲取隊(duì)列中的窗口消息，該函數(shù)的調(diào)用會被阻塞，直到有新的窗口消息到達(dá)。當(dāng)新的消息到達(dá)后，應(yīng)用通過DispatchMessage接口將收到的消息分發(fā)給特定的窗口處理。

系統(tǒng)中的每個(gè)窗口都需要提供與其相關(guān)聯(lián)的消息處理函數(shù)，窗口管理器在分發(fā)消息的過程中，通過調(diào)用相關(guān)窗口的消息處理函數(shù)來處理消息。窗口管理器同時(shí)提供了缺省的消息處理函數(shù)DefWindowProc（），用于統(tǒng)一處理常見的消息，例如改變窗口的位置和大小。窗口的消息處理函數(shù)應(yīng)當(dāng)將自身不處理的消息交給缺省消息處理函數(shù)處理。

當(dāng)應(yīng)用程序通過窗口管理器發(fā)送消息時(shí)，有2種方式可供選擇：1）異步發(fā)送。消息被放置到消息隊(duì)列中，當(dāng)下一次調(diào)用GetMessage（）時(shí)該消息被處理。采用此種發(fā)送方式時(shí)，消息的發(fā)送方不能確認(rèn)接收方何時(shí)會處理該消息。2）同步發(fā)送。此時(shí)消息并不會被放置在消息隊(duì)列中，窗口管理器直接調(diào)用目標(biāo)窗口的消息處理函數(shù)。此時(shí)消息傳遞等同于函數(shù)調(diào)用，因此發(fā)送方能夠確定接收方會立刻處理該消息。

此消息傳遞機(jī)制的存在使窗口管理器能夠通過發(fā)送消息來管理和協(xié)調(diào)系統(tǒng)中所有窗口的功能，例如在創(chuàng)建和銷毀窗口時(shí)發(fā)送特定消息，同時(shí)也能夠通過缺省的消息處理函數(shù)保證各個(gè)窗口在基本交互行為上的一致性。

4.2 窗口樹

圖形用戶界面中的界面元素自然形成一顆樹，因此窗口系統(tǒng)中的窗口以樹形結(jié)構(gòu)存放在窗口管理器中。窗口樹中重要的操作包括：窗口的創(chuàng)建和銷毀、窗口的遮擋關(guān)系和窗口的顯示和隱藏。

1）窗口的創(chuàng)建和銷毀

創(chuàng)建和銷毀窗口對應(yīng)于窗口樹上節(jié)點(diǎn)的插入和刪除操作。窗口樹的根節(jié)點(diǎn)由窗口管理器創(chuàng)建，應(yīng)用程序創(chuàng)建新的窗口時(shí)應(yīng)當(dāng)指定該窗口的父窗口。如果父窗口為空，窗口管理器會將根節(jié)點(diǎn)作為其父節(jié)點(diǎn)。窗口管理器將新建的窗口節(jié)點(diǎn)的指針返回給上層應(yīng)用作為窗口句柄，窗口句柄將被用于絕大多數(shù)窗口系統(tǒng)的編程接口中，用于快速定位窗口樹中的特定節(jié)點(diǎn)。

2）窗口的遮擋關(guān)系

窗口之間的遮擋關(guān)系可以通過相應(yīng)節(jié)點(diǎn)在樹中的位置確定：高度相同的窗口節(jié)點(diǎn)之間，左鄰居遮擋右鄰居；高度不同的窗口節(jié)點(diǎn)之間，子節(jié)點(diǎn)遮擋父節(jié)點(diǎn)。窗口間默認(rèn)的Z序在創(chuàng)建窗口時(shí)被確定，新創(chuàng)建的窗口遮擋已經(jīng)創(chuàng)建的窗口。窗口管理器同時(shí)提供調(diào)整Z序的編程接口，用于調(diào)整同一高度的窗口節(jié)點(diǎn)之間的相互關(guān)系。

3）窗口的顯示和隱藏

應(yīng)用可以通過設(shè)置窗口的屬性來顯示或隱藏某個(gè)窗口，隱藏的窗口不會被銷毀。窗口管理器在遍歷窗口樹時(shí)會檢查相應(yīng)的屬性，如果窗口被隱藏，該節(jié)點(diǎn)及其所有子節(jié)點(diǎn)會被跳過，從而不會出現(xiàn)在屏幕上。

4.3 窗口布局和屏幕重繪

窗口的重繪過程等效于在該窗口樹上的中序遍歷，圖5為簡單窗口樹實(shí)例。

桌面作為覆蓋整個(gè)屏幕的窗口被最先繪制，由于頂層窗口2具有更高的Z序，因此系統(tǒng)首先繪制窗口1及其所有子窗口，然后繪制窗口2，進(jìn)而完成對所有屏幕元素的重繪。

為了提高繪圖效率，窗口管理器在重繪屏幕時(shí)采用2次遍歷的方式。第1次遍歷時(shí)，系統(tǒng)僅根據(jù)Z序計(jì)算各個(gè)窗口需要重繪區(qū)域的外接矩形，進(jìn)而判斷出哪些窗口由于完全被遮擋而不需重繪。第2次遍歷時(shí)，完成實(shí)際的重繪過程。以圖5為例，如果窗口2具有與窗口1同樣的位置，則窗口1的重繪將被忽略，進(jìn)而提高重繪過程的效率。

窗口管理器提供在窗口中繪圖的編程接口，這些編程接口大多對應(yīng)繪圖引擎中的相應(yīng)函數(shù)，窗口管理器在調(diào)用繪圖引擎前完成的額外操作包括：

1）坐標(biāo)變換。應(yīng)用程序通過窗口管理器繪圖時(shí)需要指定特定的窗口句柄作為繪圖的目標(biāo)，繪圖時(shí)所有坐標(biāo)均是窗口坐標(biāo)，即以窗口左上角為原點(diǎn)的坐標(biāo)。這樣當(dāng)窗口被移動時(shí)，所有繪圖指令在窗口內(nèi)仍然有效。在調(diào)用繪圖引擎前，窗口管理器根據(jù)當(dāng)前窗口的實(shí)際位置完成窗口坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，然后以屏幕坐標(biāo)作為參數(shù)調(diào)用繪圖引擎的相應(yīng)接口。

2）設(shè)定裁剪區(qū)域。窗口自然映射到繪圖引擎中的裁剪區(qū)域，為了保證任何繪圖指令只影響某一個(gè)窗口內(nèi)的內(nèi)容，窗口管理器首先根據(jù)指令中的窗口句柄設(shè)置相應(yīng)的裁剪區(qū)域，然后再進(jìn)行實(shí)際的繪圖操作。

4.4 常用界面控件庫

采用上述窗口管理器，應(yīng)用程序已經(jīng)可以開發(fā)各類圖形用戶界面。本文的圖形系統(tǒng)中，常用的界面元素被包含在窗口管理器中提供給應(yīng)用程序使用。界面控件庫是基于該系統(tǒng)窗口的實(shí)現(xiàn)，包括按鈕、選單、列表、編輯輸入框和分頁顯示控件等。應(yīng)用程序通過創(chuàng)建某類控件窗口的實(shí)例來使用該控件庫。

5 小結(jié)

通過筆者介紹的方法實(shí)現(xiàn)的嵌入式窗口系統(tǒng)，應(yīng)用于廣東南方銀視網(wǎng)絡(luò)傳媒有限公司的各種類型機(jī)頂盒軟件中。該軟件可移植性高，操作靈活，邏輯清晰，性能穩(wěn)定，上層開發(fā)簡便，界面優(yōu)美，受到用戶的肯定和好評。

[1] 陳卉，劉衛(wèi)忠，馮卓明.嵌入式平臺下GUI工具的設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2007，31（2）：29-31.

[2] 彭文，陳虹，羅惠瓊.嵌入式窗口系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 2002（9）：104-107.

[3] 李升亮,徐劍峰，李峻林.嵌入式系統(tǒng)中的多窗口GUI系統(tǒng)的研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程， 2008（10）：126-128.

[4] 陳雁飛，趙岳松，陳榕.基于構(gòu)件技術(shù)的嵌入式GUI系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)， 2006， 27（4）：561-564.

[5] 丁茂順.用戶接口技術(shù)與交互系統(tǒng)構(gòu)造方法[M].北京：科學(xué)出版社，1992.

[6] 孫家廣.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.