嵌入式Linux中Qt/Embedded的应用

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。