1.1 嵌入式GUI系統

GUI系統的含義為圖形用戶接口（Graphic User Interface）系統，它是計算機系統和用戶的接口。在嵌入式領域，隨著用戶需求的增加和技術的發展。GUI系統已經有了越來越廣泛的應用。

1.1.1 嵌入式GUI系統的作用

在20世紀90年代，作為人機交互的接口，GUI系統在桌面計算機系統中就已經有了很廣泛的應用，其中具有代表性的是：微軟的Windows系列（包括Windows95、Windows98、WindowsMe等）和WindowsNT系列（包括Windows NT 4.0、Windows 2000、Windows XP等）系統，桌面Linux的Gnome系統和KDE系統。相比傳統的命令行接口（Command Line Interface）方式。GUI系統為用戶提供了更友好的界面，將用戶從枯燥界面中解脫出來。同時，GUI系統也讓計算機系統的使用更加簡單。

在嵌入式系統發展的初級階段，GUI系統的應用相對較少。例如，在相對簡單的、以單片機為核心的簡單工控系統中，人機交互通常以LED（發光二極管）和按鍵相結合的方式，隨后才有了簡單的屏幕。這些只是簡單的輸入、輸出系統，不能被稱為“GUI系統”。

GUI系統在早期的嵌入式系統中應用較少的主要原因有兩個：一個方面，功能角度考慮，很多傳統的嵌入式系統邏輯相對簡單，人需要從系統獲取的信息較少，人對系統的操作也較少；另一個方面，從技術角度，嵌入式處理器的計算能力較低、嵌入式系統內存較少等現實和缺少適用于嵌入式系統的GUI系統，使得嵌入式系統中實現圖形化的人機交互界面有一定的技術難度。

隨著嵌入式系統的發展和普及，GUI在嵌入式系統中的作用越來越突出。當智能手機、PDA等系統出現后，嵌入式系統已經不是僅僅給個別專業操作人員所使用的，而需要適用于很廣泛的群眾。雖然在傳統的嵌入式控制領域，人機交互的內容并不是很復雜，但是使用者同樣需要更友好的界面。因此，GUI在嵌入式系統中的普及是大勢所趨。

GUI系統需要最終向用戶提供輸出和輸入兩個方面。在輸出方面，GUI系統向用戶提供一個圖形化的界面，在輸入方面，GUI系統需要接受用戶的操作，從而達到通過界面控制系統的目的。

1.1.2 嵌入式GUI系統的層級結構

嵌入式系統的設計一般秉承精簡、高效的原則，其軟件的層次結構相對簡單。自下而上，一般可以分為硬件層、操作系統層、中間件、應用層等幾個層次，如圖1-1所示。

嵌入式系統的硬件分為處理器（通常包含CPU和片內設備）、內存、板級硬件幾個部分。CPU涉及了特定體系結構的運算和控制單元，例如ARM、MIPS等，在整個系統的軟件開發中，一般都要基于該體系結構的編譯工作。片內設備是處理器內部的硬件模塊，比較重要的包括內存管理器、中斷控制器、定時器、GPIO等。嵌入式系統的內存的RAM主要通過SRAM和SDRAM實現，可固化的存儲器主要應用Nor Flash和Nand Flash。板級的硬件包含了嵌入式系統中需要，但是處理器片內沒有集成的部分，通常包括片內部件的外圍硬件、總線擴展、GPIO擴展幾種形式。

嵌入式的操作系統建立在硬件之上。操作系統通常具有進程（任務）調度、進程間通信、內存管理等方面。嵌入式系統的操作系統一般都具有一定的可移植性，可以建立在不同的硬件平臺上。操作系統的移植層通常包括對某種體系結構CPU的支持，需要涉及定時器、中斷控制器、系統內存等硬件。驅動程序是操作系統和硬件的接口，大量的硬件需要通過操作系統框架內的驅動程序，向上層提供控制硬件的接口。

中間件一般提供了一些相對底層的軟件層次的功能。它的實現一般不包括應用程序的邏輯，而是向上層軟件提供了各種方便的應用程序接口（API）。中間件需要通過對操作系統的調用來建立，常常需要控制硬件。在嵌入式系統中，常用的中間件包含文件系統（File System）、網絡協議（Net protocol）、圖形用戶系統（GUI）等幾種，它們一般都需要控制特定的硬件來實現。此外，數據庫（Database）等不需要控制硬件的下層軟件，通常也作為中間件的形式出現。

應用層包含了應用程序的邏輯，它通過調用中間件和操作系統來實現。應用層的軟件程序也可以由上下若干層和不同的模塊組成。

uC/OS是一種簡單的操作系統，操作系統內核的功能比較簡單，只有任務調度、任務通信和簡單的內存管理功能，其內核空間和用戶空間的界限也不是很明顯。文件系統、網絡協議、圖形系統均通過的中間件的形式實現。

在Linux操作系統中，文件系統和網絡協議集成在操作系統內核中。Linux的文件系統包含了上層通用的虛擬文件系統（Virtual File System）和下層的操作系統實現（如ROMFS、JIFFS），建立在下層的RAM等Flash硬件上。Linux的網絡模塊也是操作系統組成部分，提供了對TCP/IP棧的支持，網絡模塊建立的硬件基礎是網絡設備的驅動程序。然而，Linux操作系統沒有包括對GUI的支持，因此Linux的GUI系統通常以中間件的方式實現。

在Linux中，GUI系統的實現如圖1-2所示。

在Linux中，GUI系統具有中間件典型的特點：核心實現提供了界面、控件等功能，API層是為上層應用提供的接口、移植層適應不同的硬件的需求。GUI系統核心通常需要建立在C庫和移植層的基礎上。GUI核心通常依賴操作系統提供的一些機制，如多線程支持等。GUI系統的移植實現基礎包含輸出設備和輸入設備兩個部分。輸出設備在Linux中通常需要通過對幀緩沖區驅動（例如：/dev/fb0）的調用來實現，輸出設備的移植通常是GUI系統的重點。與之相比，輸入設備是多種多樣的，包括鼠標、鍵盤、觸摸屏、按鍵等設備，對不同輸入設備的支持是GUI系統的難點和重要特性。

GUI系統的核心庫通常作為嵌入式系統的中間件，而使用GUI核心庫的GUI應用程序屬于應用程序層的程序。