1.1 嵌入式GUI系统

GUI系统的含义为图形用户接口（Graphic User Interface）系统，它是计算机系统和用户的接口。在嵌入式领域，随着用户需求的增加和技术的发展。GUI系统已经有了越来越广泛的应用。

1.1.1 嵌入式GUI系统的作用

在20世纪90年代，作为人机交互的接口，GUI系统在桌面计算机系统中就已经有了很广泛的应用，其中具有代表性的是：微软的Windows系列（包括Windows95、Windows98、WindowsMe等）和WindowsNT系列（包括Windows NT 4.0、Windows 2000、Windows XP等）系统，桌面Linux的Gnome系统和KDE系统。相比传统的命令行接口（Command Line Interface）方式。GUI系统为用户提供了更友好的界面，将用户从枯燥界面中解脱出来。同时，GUI系统也让计算机系统的使用更加简单。

在嵌入式系统发展的初级阶段，GUI系统的应用相对较少。例如，在相对简单的、以单片机为核心的简单工控系统中，人机交互通常以LED（发光二极管）和按键相结合的方式，随后才有了简单的屏幕。这些只是简单的输入、输出系统，不能被称为“GUI系统”。

GUI系统在早期的嵌入式系统中应用较少的主要原因有两个：一个方面，功能角度考虑，很多传统的嵌入式系统逻辑相对简单，人需要从系统获取的信息较少，人对系统的操作也较少；另一个方面，从技术角度，嵌入式处理器的计算能力较低、嵌入式系统内存较少等现实和缺少适用于嵌入式系统的GUI系统，使得嵌入式系统中实现图形化的人机交互界面有一定的技术难度。

随着嵌入式系统的发展和普及，GUI在嵌入式系统中的作用越来越突出。当智能手机、PDA等系统出现后，嵌入式系统已经不是仅仅给个别专业操作人员所使用的，而需要适用于很广泛的群众。虽然在传统的嵌入式控制领域，人机交互的内容并不是很复杂，但是使用者同样需要更友好的界面。因此，GUI在嵌入式系统中的普及是大势所趋。

GUI系统需要最终向用户提供输出和输入两个方面。在输出方面，GUI系统向用户提供一个图形化的界面，在输入方面，GUI系统需要接受用户的操作，从而达到通过界面控制系统的目的。

1.1.2 嵌入式GUI系统的层级结构

嵌入式系统的设计一般秉承精简、高效的原则，其软件的层次结构相对简单。自下而上，一般可以分为硬件层、操作系统层、中间件、应用层等几个层次，如图1-1所示。

嵌入式系统的硬件分为处理器（通常包含CPU和片内设备）、内存、板级硬件几个部分。CPU涉及了特定体系结构的运算和控制单元，例如ARM、MIPS等，在整个系统的软件开发中，一般都要基于该体系结构的编译工作。片内设备是处理器内部的硬件模块，比较重要的包括内存管理器、中断控制器、定时器、GPIO等。嵌入式系统的内存的RAM主要通过SRAM和SDRAM实现，可固化的存储器主要应用Nor Flash和Nand Flash。板级的硬件包含了嵌入式系统中需要，但是处理器片内没有集成的部分，通常包括片内部件的外围硬件、总线扩展、GPIO扩展几种形式。

嵌入式的操作系统建立在硬件之上。操作系统通常具有进程（任务）调度、进程间通信、内存管理等方面。嵌入式系统的操作系统一般都具有一定的可移植性，可以建立在不同的硬件平台上。操作系统的移植层通常包括对某种体系结构CPU的支持，需要涉及定时器、中断控制器、系统内存等硬件。驱动程序是操作系统和硬件的接口，大量的硬件需要通过操作系统框架内的驱动程序，向上层提供控制硬件的接口。

中间件一般提供了一些相对底层的软件层次的功能。它的实现一般不包括应用程序的逻辑，而是向上层软件提供了各种方便的应用程序接口（API）。中间件需要通过对操作系统的调用来建立，常常需要控制硬件。在嵌入式系统中，常用的中间件包含文件系统（File System）、网络协议（Net protocol）、图形用户系统（GUI）等几种，它们一般都需要控制特定的硬件来实现。此外，数据库（Database）等不需要控制硬件的下层软件，通常也作为中间件的形式出现。

应用层包含了应用程序的逻辑，它通过调用中间件和操作系统来实现。应用层的软件程序也可以由上下若干层和不同的模块组成。

uC/OS是一种简单的操作系统，操作系统内核的功能比较简单，只有任务调度、任务通信和简单的内存管理功能，其内核空间和用户空间的界限也不是很明显。文件系统、网络协议、图形系统均通过的中间件的形式实现。

在Linux操作系统中，文件系统和网络协议集成在操作系统内核中。Linux的文件系统包含了上层通用的虚拟文件系统（Virtual File System）和下层的操作系统实现（如ROMFS、JIFFS），建立在下层的RAM等Flash硬件上。Linux的网络模块也是操作系统组成部分，提供了对TCP/IP栈的支持，网络模块建立的硬件基础是网络设备的驱动程序。然而，Linux操作系统没有包括对GUI的支持，因此Linux的GUI系统通常以中间件的方式实现。

在Linux中，GUI系统的实现如图1-2所示。

在Linux中，GUI系统具有中间件典型的特点：核心实现提供了界面、控件等功能，API层是为上层应用提供的接口、移植层适应不同的硬件的需求。GUI系统核心通常需要建立在C库和移植层的基础上。GUI核心通常依赖操作系统提供的一些机制，如多线程支持等。GUI系统的移植实现基础包含输出设备和输入设备两个部分。输出设备在Linux中通常需要通过对帧缓冲区驱动（例如：/dev/fb0）的调用来实现，输出设备的移植通常是GUI系统的重点。与之相比，输入设备是多种多样的，包括鼠标、键盘、触摸屏、按键等设备，对不同输入设备的支持是GUI系统的难点和重要特性。

GUI系统的核心库通常作为嵌入式系统的中间件，而使用GUI核心库的GUI应用程序属于应用程序层的程序。