基于 Linux 和 MiniGUI 的嵌入式系统软件开发指南（五）
2024-07-21 02:38:19
供稿：网友
作者：魏永明
MiniGUI 1.1.0 版本引入的新 GDI 功能和函数
本文向读者展现了 MiniGUI 的最新开发成果，即在 MiniGUI 1.1.0PRe4 版本中引入的新的 GAL 和新的 GDI 功能和接口。这些接口最终会出现在 MiniGUI 1.1.0 正式版本中。本文主要内容包括 GAL 和 GDI 的关系，新 GAL 引擎的接口特点，新 GDI 的功能增强以及接口应用范例等等。
1 引言
在本系列开发指南（四）中，我们具体讲解了 MiniGUI 的 GDI 函数及其使用。我们也曾提到，MiniGUI 现有的 GDI 函数和功能，尚不能对机顶盒、瘦客户机等高端嵌入式系统提供良好支持。因此，我们在 MiniGUI 1.1.0 版本的开发中，重点对 GAL 和 GDI 进行了大规模的改良，几乎重新编写了所有代码。这些新的接口和功能，首先出现在最近发布的 MiniGUI 1.1.0Pre4 版本中，为了帮助开发人员正确理解和使用这些功能，特撰文说明新 GAL 和新 GDI 的接口和功能。
2 新 GAL 和新 GDI 接口的设计目标
首先，MiniGUI 旧的 GDI 接口非常简单，其功能主要集中在位图和块操作上，例如 FillBox 函数、FillBoxWithBitmap 等等，而缺少对其他高级图形操作的支持，比如椭圆、圆弧、样条曲线等等。其次，旧的 GDI 接口还缺少基本的光栅操作功能。这里的光栅操作，指欲设定象素如何与屏幕上已有的象素进行运算。最基本的光栅操作功能是二进制的位操作，包括与、或、异或以及直接设置等等；高级的光栅操作包括透明处理和 Alpha 混和。这些 GDI 功能的缺乏，使得 MiniGUI 在机顶盒、瘦客户等系统中应用时，显得"力不从心"。再次，旧的 GDI 接口基本上没有考虑到任何硬件加速功能。我们大家都知道，显示卡自身提供的硬件加速功能，能够大大提高图形程序的运行速度，使得画面流畅而自然，假如 GUI 系统不能充分利用这些硬件特性的话，则图形处理能力将大打折扣。最后，旧的 GAL 设计存在抽象层次太高的问题，导致了 GAL 引擎臃肿，且重复代码很多，也不便于进行代码上的优化。
综上所述，我们参照闻名的跨平台游戏和多媒体函数库 SDL（Simple DirectMedia Layer）对 GAL 引擎结构进行了重新设计，并且重新实现了所有的 GDI 函数，使得新的 GDI 接口具备如下特性：
能够充分利用硬件特性，包括显示内存和硬件加速能力。
支持高级图形操作，包括基本光栅操作、透明处理和 Alpha 混和。
增强了剪切区域处理能力，有助于优化图形输出函数。
增强了原有的 BITMAP 接口，使之支持透明和 Alpha 通道。
充分利用嵌入式汇编代码进行代码优化。
下面将重点讲述新的 GAL 功能和新的 GDI 接口。
3 新 GAL 功能特性
新的 GAL 结构来自闻名的跨平台游戏和多媒体库 SDL（Simple DirectMedia Layer）。目前提供了对 linux FrameBuffer 的支持，计划在将来提供对 X、SVGALib 和 VGL（FreeBSD）等等图形库的支持。
3.1 GAL 和 GDI 的关系
大家都知道，MiniGUI 的 GAL 是一个图形抽象层，提供给上层 GDI 函数一些基础的功能和设施。在先前的设计中，GAL 可以看成是 GDI 图形驱动程序，许多图形操作函数，比如点、线、矩形填充、位图操作等等，均通过 GAL 的相应函数完成。这种设计的最大问题是无法对 GDI 进行扩展。比如要增加椭圆绘制函数，就需要在每个引擎当中实现椭圆的绘制函数。并且 GDI 治理的是剪切域，而 GAL 引擎却基于剪切矩形进行操作。这种方法也导致了 GDI 函数无法进行绘制优化。因此，在新的 GAL 和 GDI 接口设计中，我们将 GAL 的接口进行了限制，而将原有许多由 GAL 引擎完成的图形输出函数，提高到上层 GDI 函数中完成。GAL 和 GDI 的新的功能划分如下：
GAL 负责对显示设备进行初始化，并治理显示内存的使用；
GAL 负责为上层 GDI 提供映射到进程地址空间的线性显示内存，以及诸如调色板等其他相关信息；
GAL 负责实现快速的位块操作，包括矩形填充和 Blitting 操作等，并且在可能的情况下，充分利用硬件加速功能；
GDI 函数实现高级图形功能，包括点、线、圆、椭圆、圆弧、样条曲线，以及更加高级的逻辑画笔和逻辑画刷，必要时调用 GAL 接口完成加速功能；
尽管某些显示卡也提供有对上述高级绘图功能的硬件支持，但考虑到其他因素，这些硬件加速功能不由 GAL 接口提供；而统统通过软件实现。
这样，GAL 主要实现的绘图功能限制在位块操作上，比如矩形填充和 Blitting 操作；而其他的高级图形功能，则全部由 GDI 函数实现。
3.2 显示内存的有效利用
新的 GAL 接口能够有效利用显示卡上的显示内存，并充分利用硬件加速功能。我们知道，现在显示卡一般具有 4M 以上的显示内存，而一般的显示模式下，不会占用所有的显示内存。比如在显示模式为 1204x768x32bpp 时，一屏象素所占用的内存为 3M，还有 1M 的内存可供给用程序使用。
因此，新的 GAL 引擎能够治理这部分未被使用的显示内存，并分配给应用程序使用。这样，一方面可以节省系统内存的使用，另一方面，可以充分利用显示卡提供的加速功能，在显示内存的两个不同内存区域之间进行快速的位块操作，也就是常说的 Blitting。
3.3 Blitting 操作
在上层 GDI 接口在建立内存 DC 设备时，将首先在显示内存上分配内存，假如失败，才会考虑使用系统内存。这样，假如 GAL 引擎提供了硬件加速功能，两个不同 DC 设备之间的 Blitting 操作（即 GDI 函数 BitBlt），将以最快的速度运行。更进一步，假如硬件支持透明或 Alpha 混和功能，则透明的或者 Alpha 混和的 Blitting 操作也将以最快的速度运行。新的 GAL 接口能够根据底层引擎的加速能力自动利用这些硬件加速功能。目前支持的硬件加速能力主要有：矩形填充，普通的 Blitting 操作，透明、Alpha 混和的 Blitting 操作等。当然，假如硬件不支持这些加速功能，新的 GAL 接口也能够通过软件实现这些功能。目前通过 GAL 的 FrameBuffer 引擎提供上述硬件加速功能的显卡有：Matrox、3dfx 等。
在通过软件实现透明或混和的 DC 间 Blitting 操作时，新的 GAL 接口利用了两种有效的优化措施：
在 i386 平台上，充分利用嵌入式汇编代码进行优化处理；比如在处理 32 位色模式下的普通 Blitting 操作时，在利用普通的 C 库函数，即 memcpy 进行位块复制时，由于 memcpy 函数是以字节为单位进行复制的，从而无法利用 32 位 CPU 对 32 位字的处理能力，为此，可以使用嵌入式汇编，并以 32 位字为单位进行复制，这将大大提高 Bliting 操作的处理速度。
对源 DC 进行 RLE（Run Length Encoding）编码，从而对象素的处理数量最小化。RLE 可以看成是一种图象压缩算法，Windows BMP 文件就利用了这种算法。RLE 是按水平扫描线进行压缩编码处理的。在一条扫描线上，假如有大量相同的象素，则不会保存这些象素点，而是首先保存具有相同象素点的数目，然后保存这些象素点的值。这样，在进行透明或者混和的 Blitting 操作时，可以大大降低逐点运算带来的速度损失。但是，假如在最坏的情况下，比如所有水平扫描线上的象素点都具有和相邻点不同的象素值，则 RLE 编码反而会增加象素的存储空间（最坏的情况是原有空间的两倍），同时也会降低 Blitting 操作的速度。因此是否使用 RLE 编码，要根据情况而定。新的 GDI 接口在指定源 DC 的透明和 Alpha 通道值时，可以指定是否使用 RLE 编码。
3.4 有效分辨率
新的 GAL 引擎可以设定一个不同于实际显示分辨率的有效分辨率。比如实际的显示分辨率是 1024x768，则可以在 /etc/MiniGUI.cfg 文件中指定比实际分辨率低的有效分辨率。这种特性有利于在 PC 上调试需要运行在较小分辨率系统上的应用程序。比如：
[system]
gal_engine=native
ial_engine=native
[native]
defaultmode=320x240x16
其中在 defaultmode 当中指定了有效分辨率为 320x240，16 则表示颜色深度，即 16 位色，或者称为每象素的二进制位数。需要注重的是，对 VESA FramBuffer 设备，必须指定和当前颜色深度一致的颜色深度值。对其他的 FrameBuffer 设备，假如能够支持多种显示模式，则会根据 defaultmode 指定的模式设置当前分辨率。
3.5 新 GAL 的限制
需要注重的是，新的 GAL 结构只打算支持线性显示内存，并且只支持 8 位色以上的显示模式。假如要支持低于 8 位色的显示模式，则可以选择使用老的 GAL 和 GDI 接口。在配置 MiniGUI 的时候，你可以指定是否使用老的 GAL 和 GDI 接口。默认情况下的配置是使用新的 GAL 和 GDI 接口，需要使用老的 GAL 和 GDI 接口时，应进行如下的配置：
./configure --disable-newgal
另外，新的 GAL 接口支持 Gamma 校正和 YUV Overlay，但目前尚未在 GDI 接口中体现这些功能。在新的版本中，会逐步添加相应的 GDI 接口。
4 新的 GDI 接口
4.1 新的区域算法
新的 GDI 采用了新的区域算法，即在 X Window 和其他 GUI 系统当中广泛使用的区域算法。这种区域称作"x-y-banned"区域，并且具有如下特点：
区域由互不相交的非空矩形组成；
区域又可以划分为若干互不相交的水平条带，每个水平条带中的矩形是等高，而且是上对齐的；或者说，这些矩形具有相同的高度，而且所有矩形的左上角 y 坐标相等。
区域中矩形的排列，首先是在 x 方向（在一个条带中）从左到右排列，然后按照 y 坐标从上到下排列。
在 GDI 函数进行绘图输出时，可以利用 x-y-banned 区域的非凡性质进行绘图的优化。在将来版本中添加的绘图函数，将充分利用这一特性进行绘图输出上的优化。
新
