【正文】 庫建立的更高層次的工具包，提供了交互的圖形組件庫，其中包括建立各種窗口組件的便利函數(shù)。4）WindML與Tilcon結(jié)合Tilcon是目前最先進的實時操作系統(tǒng)圖形開發(fā)工具，同步支持最新版本的Tornado/VxWorks以及WindML多媒體庫。Tilcon采用了最先進的圖形技術(shù)，具有極高的可靠性和可維護性，還支持OPC，XML，SOAP等標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議，已成功應(yīng)用在醫(yī)療儀器，軍用武器，工業(yè)流水線，航空/航天等領(lǐng)域。在資金充足的情況下，選擇WindML＋Tilcon方案是最為穩(wěn)定可靠的選擇。5）OpenGL圖形開發(fā)包在VxWorks系統(tǒng)下開發(fā)3D圖形顯示，多數(shù)的采用的辦法都是基于OpenGL的軟件開發(fā)包。各大顯卡廠商，在其專業(yè)級別的顯卡產(chǎn)品上附帶了OpenGL開發(fā)包，甚至出品了自己成套的OpenGL圖形顯示解決方案，如ALT的GT3D Embedded Graphics Solution，這也成為目前在VxWorks下開發(fā)2D/3D圖形界面的一個主要方法。隨著3D技術(shù)的應(yīng)用在嵌入式領(lǐng)域不斷增多，OpenGL已經(jīng)出現(xiàn)了獨立的嵌入式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)OpenGL ES。針對硬件資源相對緊缺的嵌人式系統(tǒng)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)平臺接口層EGL，僅保留OpenGL最常用的API，增加了新的特性：定點運算、字節(jié)匹配、調(diào)色板紋理。在OpenGL標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，OpenGL ES針對嵌入式系統(tǒng)硬件特點作了如下修改：刪除了冗余的API函數(shù)，保留一個精簡高效的子集；刪除了實現(xiàn)復(fù)雜和很少使用的函數(shù)；舍去部分?jǐn)?shù)據(jù)類型，加人少許數(shù)據(jù)類型；加人了定點運算（對OpenGL ES Comm支持浮點和定點運算，對OpenGL ES Commlite僅支持定點運算）。目前，OpenGL ES已經(jīng)推出了多個特征版本，OpenGL ES 面向功能固定的硬件所設(shè)計并提供加速支持、圖形質(zhì)量及性能標(biāo)準(zhǔn)。OpenGL ES 則提供包括遮蓋器技術(shù)在內(nèi)的全可編程3D圖形算法。OpenGL ESSC 專為有高安全性需求的特殊市場精心打造。6）其他開發(fā)方案作為一個應(yīng)用面非常廣泛的嵌入式實時操作系統(tǒng)，很多廠商意識到了VxWorks下圖形開發(fā)的廣闊市場，紛紛推出了各種圖形界面開發(fā)方案。國內(nèi)的MiniGUI便是一款完善的輕量級圖形用戶界面支持系統(tǒng)。 嵌入式GUI的發(fā)展趨勢目前，伴隨著各種手持、無線及嵌入式設(shè)備的迅猛發(fā)展，相應(yīng)的軟硬件設(shè)計也發(fā)生了很大的變化。許多設(shè)備都使用了ARM，MIPS，摩托羅拉的32位微處理器及大屏幕的液晶圖形顯示器。由于在過去10年中，桌面操作模式取得了巨大成功，于是許多開發(fā)者在嵌入式設(shè)計中開始使用類似于桌面的操作系統(tǒng)。只要是面向人機交互的嵌入式產(chǎn)品，就涉及到文字或者圖形的輸出問題，人們與信息終端交互要求以GUI系統(tǒng)為中心的交互式界面。手寫文字輸入、語音撥號上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像己取得初步成效。由此可見，從應(yīng)用領(lǐng)域的范圍來看，嵌入式GUI系統(tǒng)的發(fā)展空間將是無比寬廣的。隨著虛擬現(xiàn)實、科學(xué)計算、可視化、多媒體技術(shù)以及硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式GUI將有如下幾個發(fā)展方向[9]：1）更加高效、可靠、可定制和小巧靈活，并具有很好的跨硬件平臺、跨操作系統(tǒng)可移植性的嵌入式GUI系統(tǒng)將是將來的一個重要方向。2）支持3D建模。在目前的嵌入式系統(tǒng)中，3D技術(shù)的應(yīng)用并不常見，這與嵌入式系統(tǒng)的特點有很大的關(guān)系，然而，隨著硬件技術(shù)的發(fā)展與市場的需求，目前，一些成熟的3D技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了嵌入式環(huán)境中，比如OpenGL ES使用了大量的渲染技術(shù)以提供給用戶調(diào)用。因此支持3D建模必將成為未來嵌入式GUI發(fā)展的一個趨勢。3）智能化。精確交互技術(shù)是指能用一種技術(shù)來完全說明用戶交互目的的交互方式，鍵盤和鼠標(biāo)器均需用戶精確輸入。而人們的動作或思想往往并不很精確，計算機應(yīng)該理解人的要求，甚至于糾正人的錯誤，智能化的界面也是未來嵌入式GUI的一個重要方向。4）高寬帶。支持高的輸入帶寬，快速大批量地輸入信息以及對語音、圖像、姿勢等的輸入和理解也是今后的發(fā)展方向。 課題來源和意義本論文題目來源于實習(xí)工作中所進行的“某星載儀表控制計算機”的項目。該設(shè)備采用VxWorks作為其操作系統(tǒng)，而本課題的目的在于選擇合適的開發(fā)方案，在VxWorks環(huán)境下設(shè)計與開發(fā)一套友好的圖形用戶界面，能夠滿足在顯示器上進行復(fù)雜和有實時性要求的圖形信息、參數(shù)信息以及狀態(tài)信息的顯示，該系統(tǒng)另一個重要的技術(shù)要求是能提供對3D模塊的支持，這就對研發(fā)人員提出了很大的挑戰(zhàn)。VxWorks提供了一個圖形開發(fā)庫WindML，同時也有很多軟件開發(fā)商開發(fā)了多種基于VxWorks的圖形界面軟件開發(fā)包，但由于這些方案中有的價格昂貴，有的不適合開發(fā)高要求的圖形界面，還有的不易移植并且存在很多BUG。最終，我們選用OpenGL開發(fā)我們的圖形界面，主要原因分析如下：第一：獨立性和無關(guān)性。OpenGL被設(shè)計成獨立于硬件，獨立于窗口系統(tǒng)的，在運行各種操作系統(tǒng)的各種計算機上都可用，并能在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下以客戶/服務(wù)器模式工作，其目的是將用戶從具體的硬件中解放出來，完全不用理解這些系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，只要按照規(guī)定的格式書寫應(yīng)用程序就可以在任何支持該語言的硬件平臺上執(zhí)行，是專業(yè)圖形處理、科學(xué)計算等高端應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫。第二：靈活性和通用性。由于OpenGL是3D圖形的底層圖形庫，沒有提供幾何實體圖元，不能直接用以描述場景。但是，通過一些轉(zhuǎn)換程序，可以很方便地將AutoCAD、3DS等3D圖形設(shè)計軟件制作的DFX和3DS模型文件轉(zhuǎn)換成OpenGL的頂點數(shù)組。另外，各種流行的編程語言都可以調(diào)用OpenGL的庫函數(shù)，如：C、C++、Fortran、Ada、 Java。第三：高效性。OpenGL被計算機工業(yè)界看作當(dāng)前最先進的三維圖形API，它提供很強的繪制二維和三維圖形能力，包括基本圖元、造型、著色、光照、景深、陰影、混合、動畫、反走樣、紋理映射、隱面消除、圖像處理等繪制功能。另外，OpenGL利用顯示列表概念引入了PHIGS中的層次概念，不需要包括復(fù)雜的預(yù)定義對象，設(shè)計者只需調(diào)用OpenGL的幾個簡單幾何單元，即可建立所要求的模型，因而深得許多專業(yè)人員的喜愛。另外OpenGL頂部還設(shè)有實用程序庫，支持繪制二次曲線和曲面、nurbs曲線和曲面以及其它高級圖元。 論文結(jié)構(gòu)本文詳細分析了國內(nèi)外嵌入式GUI系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，特別VxWorks系統(tǒng)下支持3D建模的嵌入式GUI系統(tǒng)的特點。OpenGL作為新一代的三維圖形工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以其與硬件無關(guān)性和獨立性使得它有很好的跨平臺能力。而Mesa3D圖形庫則是目前為止對OpenGL標(biāo)準(zhǔn)最完整的一個實現(xiàn)，本論文的一個重要的工作就是將Mesa3D移植到VxWorks系統(tǒng)，移植成功后，我們將結(jié)合UGL圖形庫為系統(tǒng)構(gòu)建一個簡單的、具有最基本功能的用戶圖形界面。本論文的安排如下：第一章：緒論。對嵌入式系統(tǒng)及其圖形用戶界面進行介紹。說明課題來源，國內(nèi)外現(xiàn)狀和本論文主要章節(jié)安排。第二章：VxWorks操作系統(tǒng)及媒體庫WindML。分析了VxWorks系統(tǒng)及其實時微內(nèi)核Wind的特性，介紹了VxWorks的集成開發(fā)環(huán)境Tornado的幾個重要組件，最后詳細說明風(fēng)河公司提供的多媒體庫WindML，對其事件服務(wù)機制、主要API和利用它開發(fā)圖形等多媒體程序的詳細流程。第三章：OpenGL/Mesa及其在VxWorks下的移植。介紹了當(dāng)今三維圖形工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenGL的開發(fā)庫結(jié)構(gòu)和它的一個實現(xiàn)版本Mesa。然后實現(xiàn)了本課題的兩個主要任務(wù)：移植OpenGL/Mesa到VxWorks系統(tǒng)中，利用虛擬機搭建圖形開發(fā)環(huán)境。第四章：VxWorks系統(tǒng)GUI關(guān)鍵技術(shù)詳細介紹。介紹了本課題的另一個主要的任務(wù)——設(shè)計并實現(xiàn)一個以消息驅(qū)動機制為核心的、具有中文顯示功能、能創(chuàng)建和顯示窗口及常用控件、支持3D功能的圖形用戶界面系統(tǒng)。第五章：工程應(yīng)用和效果測試。介紹了本GUI系統(tǒng)在實際工程中的應(yīng)用情況及顯示效果，驗證了其普通2D圖形界面和3D圖形顯示的性能。21第二章 VxWorks操作系統(tǒng)及媒體庫WindML第二章 VxWorks操作系統(tǒng)及媒體庫WindML VxWorks深入研究 VxWorks概述[10]VxWorks是專門為實時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的操作系統(tǒng)內(nèi)核。VxWorks的出品公司美國風(fēng)河公司組建于1981年，是一個專門從實時操作系統(tǒng)開發(fā)與生產(chǎn)的軟件公司，該公司在實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域被世界公認(rèn)是最具有領(lǐng)導(dǎo)作用的公司。從1983年設(shè)計成功以來，VxWorks已經(jīng)經(jīng)過廣泛的驗證，成功的應(yīng)用在航空、航天、艦船、通信、醫(yī)療等關(guān)鍵領(lǐng)域，如美國的F1FA18戰(zhàn)斗機、B2隱形轟炸機、愛國者導(dǎo)彈上以及1997年4月在火星表面登陸的火星探路者上都使用了VxWorks。目前，VxWorks得到了許多軟硬件廠家的支持，這些第三方軟硬件廠家提供豐富的VxWorks的擴展組件。因此，從應(yīng)用軟件角度而言，VxWorks操作系統(tǒng)在各種CPU硬件平臺上可以提供統(tǒng)一的接口和一致的運行特性，應(yīng)用程序無需做過多的改動就可以運行在各種CPU上，為程序員提供了一致的開發(fā)、運行環(huán)境，減少了重復(fù)勞動。VxWorks操作系統(tǒng)是現(xiàn)在所有獨立于處理器的實時系統(tǒng)中最具特色的操作系統(tǒng)之一。VxWorks系統(tǒng)運行環(huán)境支持的CPU包括：Power PC、68K、CPU3SPARC、i960、x8Mips等；同時支持RISC、DSP技術(shù)。支持多種硬件環(huán)境也是VxWorks得以流行的重要原因。VxWorks的微內(nèi)核Wind是一個具有較高性能的、標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，其主要特點包括：快速多任務(wù)切換、搶占式任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信手段多樣化等。該內(nèi)核具有任務(wù)間切換時間短、中斷延遲小、網(wǎng)絡(luò)流量大等特點，與其他嵌入式實時操作系統(tǒng)相比具有一定的優(yōu)勢。VxWorks是一種功能強大而且比較復(fù)雜的操作系統(tǒng)，包括了進程管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、I/O管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用、C++和其他標(biāo)準(zhǔn)支持等幾個部分。VxWorks只占用了很小的存儲空間，并可高度裁減，保證了系統(tǒng)能以較高的效率運行。VxWorks系統(tǒng)具有較好的可剪裁的能力，可剪裁的組件超過80個，用戶可以根據(jù)自己系統(tǒng)的功能目標(biāo)通過交叉開發(fā)環(huán)境方便地進行配置。VxWorks支持應(yīng)用程序的動態(tài)鏈接和動態(tài)下載，使開發(fā)者省去了每次調(diào)試都將應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核進行鏈接和下載的步驟，縮短了編輯調(diào)試的周期。VxWorks具有較好的兼容性。良好的兼容性，使其在不同運行環(huán)境間可以方便的移植，從而使用戶在開發(fā)和培訓(xùn)方面所做的工作得到保護，減少了開發(fā)周期和經(jīng)費。，同時也是POSIX組織的主要會員。VxWorks的TCP/，在實時性方面有較大提高。 UNIX socket的應(yīng)用程序可以很方便地移植到VxWorks中去，并且網(wǎng)絡(luò)的實時性得到提高。VxWorks還是第一個通過Windows NT測試的可以在Windows NT平臺進行開發(fā)和仿真的嵌入式實時操作系統(tǒng)。同時支持ANSIC標(biāo)準(zhǔn)，并通過ISO 9001的認(rèn)證。 VxWorks體系結(jié)構(gòu) VxWorks實時微內(nèi)核[11][12]VxWorks內(nèi)核（wind）的基本功能可以分為如下幾大類：1）任務(wù)管理；2）事件和異步信號服務(wù)；3）信號量服務(wù)；4）消息隊列服務(wù)；5）內(nèi)存管理；6）中斷服務(wù)程序；7）時鐘管理和定時器服務(wù)；8）錯誤處理。其中，本課題主要用到的功能是任務(wù)管理、任務(wù)間通信和同步，下面將重點對這兩方面內(nèi)容進行描述。l 任務(wù)管理VxWorks實時內(nèi)核Wind提供了基本的多任務(wù)環(huán)境。從表面上來看，多個任務(wù)正在同時執(zhí)行，實際上，系統(tǒng)內(nèi)核根據(jù)某一調(diào)度策略讓它們交替運行。系統(tǒng)調(diào)度器使用任務(wù)控制塊（TCB）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來管理任務(wù)調(diào)度功能。TCB用來描述一個任務(wù)，每一任務(wù)都與一個TCB關(guān)聯(lián)。TCB包括了任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)、優(yōu)先級、要等待的事件或資源、任務(wù)程序碼的起始地址、初始堆棧指針等信息。調(diào)度器在任務(wù)最初被激活時以及從休眠態(tài)重新被激活時，要用到這些信息。此外，TCB還被用來存放任務(wù)的上下文（context)。任務(wù)的上下文就是當(dāng)一個執(zhí)行中的任務(wù)被停止時，所要保存的所有信息。在任務(wù)被重新執(zhí)行時，必須要恢復(fù)上下文。嵌入實時系統(tǒng)的一個任務(wù)可有多種狀態(tài)，其中最基本的狀態(tài)有四種：就緒態(tài)：任務(wù)等待系統(tǒng)分配CPU資源；懸置態(tài)：任務(wù)需等待某些不可利用的資源而被阻塞；休眠態(tài)：如果系統(tǒng)不需要某一個任務(wù)工作，則這個任務(wù)處于休眠狀態(tài)；延遲態(tài)：任務(wù)被延遲時所處狀態(tài)。任務(wù)的狀態(tài)在這幾種狀態(tài)中切換。內(nèi)核維護每個任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)。狀態(tài)遷移發(fā)生在應(yīng)用程序調(diào)用內(nèi)核功能服務(wù)的時候。任務(wù)被創(chuàng)建以后進入掛起態(tài)，需要通過特定的操作使被創(chuàng)建的任務(wù)進入就緒態(tài)，這一操作執(zhí)行速度很快，使應(yīng)用程序能夠提前創(chuàng)建任務(wù)，并以一種快捷的方式激活該任務(wù)。 VxWorks任務(wù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換多任務(wù)調(diào)度須采用一種調(diào)度算法來分配CPU給就緒態(tài)任務(wù)。Wind內(nèi)核采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度法作為它的缺省策略，同時它也提供了輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。Wind內(nèi)核劃分優(yōu)先級為256級（0~255）。優(yōu)先級0為最高優(yōu)先級，優(yōu)先級255為最低。當(dāng)任務(wù)被創(chuàng)建時，系統(tǒng)根據(jù)給定值分配任務(wù)優(yōu)先級。優(yōu)先級也可以是動態(tài)的，它們能在系統(tǒng)運行時被用戶使用系統(tǒng)調(diào)用taskPrioritySet()來加以改變，但不能在運行時被操作系統(tǒng)所改變?；趦?yōu)先級的搶占式調(diào)度，它具有很多優(yōu)點。這種調(diào)度方法為每個任務(wù)指定不同的優(yōu)先級。沒有處于懸置或休眠態(tài)的最高優(yōu)先級任務(wù)將一直運行下去。當(dāng)更高優(yōu)先級的任務(wù)由就緒態(tài)進入運行時，系統(tǒng)內(nèi)核立即保存當(dāng)前任務(wù)的上下文，切換到更高優(yōu)先級的任務(wù)。Wind內(nèi)核可通過調(diào)用taskLock()和taskUnlock（）來使調(diào)度器起作用和失效。當(dāng)一個任務(wù)調(diào)用taskLock()使調(diào)度器失效，任務(wù)運行時沒有基于優(yōu)先級的搶占發(fā)生。然而，如果任務(wù)被阻塞或是懸置時，調(diào)度器從就緒隊列中取出最高優(yōu)先級的任務(wù)運行。當(dāng)設(shè)置搶占禁止的任務(wù)解除阻塞，再次開始運行時，搶占又被禁止。這種搶占禁止防止任務(wù)的切換，但對中斷處理不起作用。l 任務(wù)通信和同步機制VxWorks支持各種任務(wù)間通信機制，提供了多樣的任務(wù)間通信方式，主要有如下幾種：1）共享內(nèi)存主要是數(shù)據(jù)的共享，任務(wù)間通信