《武汉工程大学学报》  2009年07期 84-87   出版日期：2009-07-28   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ
事件驱动编程机制在嵌入式GUI系统中的实现


0引言GUI（Graphics User Interface），即图形用户界面，是用于提高人机交互友好性和易操作性的计算机程序，它是建立在计算机图形学基础上的产物.对于现代通用微机而言，GUI早已经是操作系统的一个组成部分，典型的如微软的Windows以及苹果的Mac OS操作系统，其GUI部分已经可以用华丽来形容，即使是开源的Linux系统，其所支持的GUI功能也已经非常强大.随着嵌入式系统的日益发展，目标产品对GUI 的需求越来越迫切，特别是高端嵌入式产品，如媒体播放器、游戏机、机顶盒、手机、GPS等，均对图形用户界面有较高的要求.一些需要大量人机对话实现操作的智能设备和仪器仪表也开始使用嵌入式GUI，以获得更好的使用效果.受限于GUI所需求的硬件资源，一般认为，嵌入式GUI，只能在32位高档嵌入式系统上使用，如使用较多的MiniGUI和μCGUI主要应用在32位平台，而不能有效使用在8位嵌入式系统当中.国内具有自主软件著作权的ZLGGUI功能有限，只能实现简单的画图功能［1］.因此，简要介绍一种自行研发的嵌入式GUI——TBGUI，能在一片增强型8051单片机上运行，不用扩展ROM和RAM，不仅能支持单色LCD和键盘，还能支持TFT LCD和触摸屏，能实现和Windows相似的窗口和控件，其核心采用了事件驱动编程机制.1TBGUI的体系结构TBGUI使用层次化的体系结构，通过抽象层（Abstract Layer）实现可移植性，移植TBGUI时只需要修改抽象层程序以及通用数据类型定义头文件（TG_TYPES.H）即可，TBGUI的体系结构如图1所示.
图1TBGUI的体系结构
Fig.1Architecture of TBGUI1.1运行时库运行时库（RunTime Library，简称RTL或者RT）由抽象层（Abstract Layer）和设备驱动程序（Drivers）两部分组成.RTL是TBGUI的底层，它独立于GUI的核心层和上层，使得TBGUI有良好的可移植性.抽象层的主要C语言模块和头文件如表1所示.表1抽象层文件列表
Table 1Abstract layer file list
模块源程序／头文件图形抽象层TG_GIAL.C／TG_GIAL.H颜色抽象层TG_CRAL.C／TG_CRAL.H字体抽象层TG_FNTAL.C／TG_FNTAL.H键盘设备抽象层TG_KDAL.C／TG_KDAL.H指点设备抽象层TG_PDAL.C／TG_PDAL.H多任务抽象层TG_MTAL.C／TG_MTAL.HTBGUI通过抽象层实现可移植，对于不同的MCU构建的嵌入式系统，移植TBGUI时只需要修改抽象层各模块源程序以及通用数据类型定义头文件（TG_TYPES.H）即可.设备驱动程序包括LED、LCD显示驱动程序、键盘和触摸屏输入驱动程序等，可以在无需修改抽象层的情况下，使TBGUI在同一类型MCU的系统中支持不同的外设.挂接于抽象层之下的设备驱动程序是可选的，如果不使用设备驱动程序，抽象层也可以直接驱动硬件设备.这可以简化程序结构，代价是抽象层即使在同一类MCU的嵌入式系统中也不再具有通用性.1.2核心层核心层（Core）是TBGUI的主体，负责文本和图形的处理以及实现事件驱动机制.核心层主要C语言模块／头文件列表如表2所示.表2核心层文件列表
Table 2Core file list
模块源程序／头文件图形接口TG_GI.C／TG_GI.H文本功能TG_TEXT.C／TG_ TEXT.H事件驱动TG_MSG.C／TG_MSG.H图形接口提供了绘制点、水平直线、垂直直线、任意直线、矩形、填充矩形、圆、椭圆等API函数，用户只需根据TG_GI.H头文件中的定义，确定参数值，再调用相应的API函数，就能实现各种基本图形功能.文本功能提供了兼容西文和中文字符的文本输出API函数和限制输出区域的扩展文本输出API函数，这两个函数均带有字体名称和字体大小参数，以支持不同字体和大小的远东字符（汉字）以及西文混合显示，前提是存储区域有足够的容量能够容纳多种字体的西文和中文字符集.第7期冉全，等：事件驱动编程机制在嵌入式GUI系统中的实现
武汉工程大学学报第31卷
1.3基本控件和基本控件管理器基本控件和基本控制管理器是TBGUI的上层，实现了以控件为中心的GUI设计，也是程序员直接使用的主要部分.这一层由基本控件（Base Controls）和基本控件管理器（Base Control Manager）两部分组成，其中基本控件管理器只有一个模块.基本控件和基本控件管理器主要C语言模块／头文件如表3所示.除了通用数据类型定义头文件（TG_TYPES.H）以外，TBGUI中还有3个非模块的头文件：TG_ICM.H、TG_ICTL.H和TG_IWND.H，分别是控件管理器、控件和窗口的接口定义头文件.使用TBGUI的C语言源程序应该包含核心层以及基本控件和基本控件管理器各模块的头文件，特殊情况下，也可以直接包含抽象层甚至RTL各模块头文件，以直接使用抽象层功能.
表3控件模块列表
Table 3Controls module list
模块源程序／头文件基本按钮控件TG_BSBTN.C／TG_BSBTN.H基本菜单控件TG_BSMNU.C／TG_BSMNU.H基本文本框控件TG_BSTXT.C／TG_BSTXT.H弹出式窗口TG_POPWN.C／TG_POPWN.H基本控件管理器TG_BSCM.C／TG_BSCM.H随着后续版本的推出，TBGUI的上述各层将进一步扩展，添加更多的模块，实现更多的GUI功能.考虑到嵌入式系统的资源和用户应用程序的实际需求，各模块的可裁减特性也是必须考虑的，以实现更好地利用有限的存储空间.2事件驱动机制在TBGUI中的实现事件驱动机制其实是面向对象概念的延伸.事件是事件驱动机制的灵魂，程序的执行取决于对事件的触发，换句话说，系统的发生、发展与并发、空闲及终止的全部过程都是由事件来控制的，这里的事件是指用户采取的行动，如键盘活动、对触摸屏的点击动作等，都是事件的例子.事件驱动的程序是一种“被动”式程序设计方法，程序运行时，处于等待用户输入事件状态，然后取得事件并作出相应反应，处理完毕又返回并处于等待事件状态.事件驱动机制的含义是，程序的流程不再是只有一个入口和若干个出口的串行执行线路；而是程序会一直处于一种循环状态，在这个循环当中，程序从外部输入设备获取特定的事件（比如鼠标的移动），然后根据这些特定事件产生特定的消息，程序再根据消息作出特定响应，完成特定的功能，这个循环直到程序接受到特定消息终止为止［2］.事件驱动的底层基础，就是消息队列和消息循环.消息是报告有事件发生的通知［3］.TBGUI支持完全的事件驱动编程，这意味着，只要设置各个基本控件的相应事件的处理过程，例如，对于’OK’按钮控件，编写好触摸屏点击事件的处理函数OKBaseBtn_Click()并设置控件事件函数指针指向该函数，如下：OKBaseBtn.OnClick=OKBaseBtn_Click那么该按钮点击事件引发时，如同VB、Delphi或者Java控件一样，引发相应的事件处理过程，执行OKBaseBtn_Click()函数.该类过程处理函数的原型如下，此处仍以OKBaseBtn_Click()函数为例.static void OKBaseBtn_Click(void PTRMS *Container，void PTRMS *Sender，void PTRMS *EventParams) REENTRANT{……}所有事件处理函数的参数固定为3个，其中Container参数保留便于以后使用，Sender参数指向引发事件的控件变量，EventParams参数指向某些事件必需的事件参数数据结构.需注意的是：不要随意省去事件处理过程中的PTRMS和REENTRANT宏，否则可能导致与Keil C51的不兼容.PTRMS宏和REENTRANT宏的定义如下：#define PTRMS xdata#define REENTRANT reentrant因为TBGUI的消息、事件、控件处理程序大量使用函数指针实现间接调用，如果将TBGUI移植到51内核单片机中，因为Keil C51编译器的特殊性，通过函数指针调用函数默认使用了3个寄存器传递指针参数，因为寄存器的数量限制，所以这里要使用内存指针［4］.PTRMS宏可以定义为data，idata或者xdata，此处定义为xdata，即将所有参数指针放在外部XRAM中.另外，TBGUI中的函数如果在抢占式多任务操作系统中使用，例如μC/OSII，必须是可重入的［5］，因此，如果将TBGUI移植到51系列单片机上，使用Keil C51编译器编译，同时使用抢占式多任务操作系统，因为Keil C51编译器缺省情况下将函数编译成不可重入，所以必需在定义和实现函数时加入reentrant关键字，因此将宏REENTRANT定义为关键字 reentrant.TBGUI事件驱动编程的核心实现，仍然使用了消息和消息循环，不过TBGUI虽然实质上使用了消息，但除非需要进行消息的自定义处理，大多数情况下，无须显式使用消息，也无须显式实现消息循环.这一点也与VB、Delphi或者Java相似，即用户程序的编程以事件为中心，而不是直接以消息为中心.因为等待事件到来的消息循环过程在核心层的事件驱动模块中已经实现，无需用户直接定义和处理，这将大大降低编程的复杂性和对消息数据变量的使用，节约了内存空间［6］.图2是事件驱动机制下的程序流程，用户实现GUI界面，必须使用控件管理器，由控件管理器统一管理同一用户界面上的控件，用户界面的重绘也是由控件管理器完成的，这样TBGUI就可以做到无论是否使用窗口都可以使用控件.图2事件驱动机制的程序流程图
Fig.2Program flow chart of eventdriven mechanism创建所需的各种控件，并编写控件对应的各事件的处理函数，它们不包含在本流程中.然后使用回调函数的形式设置好这些事件的处理过程，接下来创建控件管理器，同样使用回调函数形式设置好控件管理器对应事件，主要是重绘界面，然后添加上述控件到控件管理器中.运行该控件管理器，即开始绘制图形用户界面并加载各种控件，进入消息循环，等待事件驱动.事件驱动机制下的TBGUI包含典型的类Windows GUI元素，例如窗口、按钮、文本框、对话框、滑动块、弹出式多级菜单等，均可使用指点设备，此处采用触摸屏作为显示终端和输入指点设备.图3是包含了弹出式菜单、按钮、文本输入框等内容的测试界面.图3部分测试界面
Fig.3Part of test interface测试表明，与MiniGUI和μCGUI相比，在图形和窗口功能上基本相同，但因为使用事件驱动的类Windows机制，且体系结构层次分明，所以占用空间小，扩展性更强，有更好的硬件无关性.与ZLGGUI相比，占用空间略大，但大部分功能后者均不具备，例如各种控件和事件的响应方式，因而先进许多.3结语相对其它嵌入式GUI系统，例如μCGUI、MiniGUI或者ZLGGUI，TBGUI的特点是支持完全的事件驱动，它使用标准的C语言实现了原来只有使用C++、VB或者Delphi才能实现的事件驱动编程机制.这种编程机制使得TBGUI的程序设计体系结构十分清晰，还使得TBGUI具有向可视化开发过渡的能力，实际上这个工作正在进行当中.经过测试，在51内核平台上，TBGUI自身耗用最小不到15 kB的程序空间，在只有1 kB的外部RAM，20 MHz以上的增强型51内核嵌入式系统中已经能够流畅地运行.