Qt/Embedded 在嵌入式 Linux 系统中的应用
随着嵌入式 Linux 应用的不断发展，嵌入式处理器运算能力的不断增强， 越来越多的
嵌入式设备开始采用较为复杂的 GUI 系统，手持设备中的 GUI 系统发展得非常迅速。传统
的 GUI 系统，如 Microwindows 等，由于项目规模较小、功能较为薄弱， 缺乏第三方软件
开发的支持等诸多原因，在比较高级的手持或移动终端设备( 如 PDA、Smart-Phone、车载导
航系统)中应用较少。
Qt/Embedded 是著名的Qt 库开发商 Trolltech 公司开发的面向嵌入式系统的Qt 版本，
开发人员多为 KDE 项目的核心开发人员。许多基于 Qt 的 X Window 程序可以非常方便地
移植到 Qt/Embedded 上，与 X11 版本的 Qt 在最大程度上接口兼容， 延续了在 X 上的强
大功能， 在底层彻底摒弃了 X lib，仅采用 framebuffer 作为底层图形接口。Qt/Embedded 类
库完全采用 C++ 封装。丰富的控件资源和较好的可移植性是 Qt/Embedded 最为优秀的一方
面，使用 X 下的开发工具 Qt Designer 可以直接开发基于 Qt/Embedded 的 UI(用户操作接口)
界面。越来越多的第三方软件公司也开始采用 Qt/Embedded 开发嵌入式 Linux 下的应用软
件。其中非常著名的 Qt Palmtop Environment(Qtopia) 早期是一个第三方的开源项目，并已
经成功应用于多款高档PDA。Trolltech 公司针对Smart-Phone 中的应用需求，于2004 年5 月
底发布了 Qtopia 的 Phone 版本。
1 Qt/Embedded的实现技术基础分析
横向来看，由于发布的版权问题，Qt/Embedded 采用两种方式进行发布：在 GPL
协议
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下发布的 free 版与专门针对商业应用的 commercial 版本。二者除了发布方式外， 在源码
上没有任何区别。纵向看来， 当前主流的版本为 Qtopia 的 2.x 系列与最新的 3.x 系列。其
中 2.x 版本系列较多地应用于采用 Qtopia 作为高档 PDA 主界面的应用中；3.x 版本系列则
应用于功能相对单一，但需要高级 GUI 图形支持的场合，如 Volvo 公司的远程公交信息系
统。图 1 为 Qt/Embedded 的实现结构。
3.x 版本系列的 Qt/Embedded 相对于 2.x 版本系列增加了许多新的模块， 如 SQL 数据
库查询模块等。几乎所有 2.x 版本中原有的类库，在 3.x 版本中都得到极大程度的增强。这
就极大地缩短了应用软件的开发时间，扩大了 Qt/Embedded 的应用范围。
在代码设计上，Qt/Embedded 巧妙地利用了 C++ 独有的机制，如继承、多态、
模板
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等，
具体实现非常灵活。但其底层代码由于追求与多种系统、多种硬件的兼容，代码补丁较多，
风格稍显混乱。
1.1 Qt/Embedded 的图形引擎实现基础
Qt/Embedded 的底层图形引擎基于 framebuffer。framebuffer 是在 Linux 内核架构版本
2.2 以后推出的
标准
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的显示设备驱动接口。采用 mmap 系统调用，可以将 framebuffer 的显
示缓存映射为可连续访问的一段内存指针。由于目前比较高级的 ARM 体系的嵌入式 CPU 中
大多集成了 LCD 控制模块，LCD 控制模块一般采用双 DMA控制器组成的专用 DMA 通道。
其中一个 DMA 可以自动从一个数据结构队列中取出并装入新的参数， 直到整个队列中的
DMA 操作都已完成为止。另外一个 DMA 与画面缓冲区相关， 这部分由两个 DMA 控制器
交替执行， 并每次都自动按照预定的规则改变参数。虽然使用了双 DMA ， 但这两个 DMA
控制器的交替使用对于 CPU 来说是不可见的。CPU 所获得的只是由两个 DMA 组成的一个
“通道” 而已。
framebuffer 驱动程序的实现分为两个方面：一方面是对 LCD 及其相关部件的初始化，
包括画面缓冲区的创建和对 DMA 通道的设置；另外一方面是对画面缓冲区的读写，具体到
代码为 read、write、lseek 等系统调用接口。至于将画面缓冲区的内容输出到 LCD 显示屏
上，则由硬件自动完成。对于软件来说是透明的。当对于 DMA通道和画面缓冲区设置完成
后，DMA 开始正常工作， 并将缓冲区中的内容不断发送到 LCD 上。这个过程是基于 DMA
对于 LCD 的不断刷新的。基于该特性，framebuffer 驱动程序必须将画面缓冲区的存储空间
( 物理空间) 重新映射到一个不加高速缓存和写缓存的虚拟地址区间中，这样才能够保证应
用程序通过 mmap 将该缓存映射到用户空间后，对于该画面缓存的写操作能够实时的体现
在 LCD 上。
在 Qt/Embedded 中，QScreen 类为抽象出的底层显示设备基类，其中声明了对于显示
设备的基本描述和操作方式，如打开、关闭、获得显示能力、创建 GFX 操作对象等。另外
一个重要的基类是 QGfx 类。该类抽象出对于显示设备的具体操作接口( 图形设备环境) ，
如选择画刷、画线、画矩形、alpha 操作等。以上两个基类是 Qt/Embedded 图形引擎的底
层抽象。其中所有具体函数基本都是虚函数，Qt/Embedded 对于具体的显示设备，如 Linux
的 framebuffer、Qt Virtual Framebuffer做的抽象接口类全都由此继承并重载基类中的虚函数
实现。图 2 为 Qt/Embedded 中底层图形引擎实现结构。
在图 2 中，对于基本的 framebuffer 设备，Qt/Embedded 用 QLinuxFbScreen 来处理。
针对具体显示硬件(如 Mach 卡、Voodoo 卡)的加速特性，Qt/Embedded 从 QLinuxFbScreen
和图形设备环境模板类 QGfxRaster
继承出相应子类， 并针对相应硬件重载相关
虚函数。
Qt/Embedded 在体系上为 C/S 结构，任何一个 Qt/Embedded 程序都可以作为系统中唯
一的一个 GUI Server 存在。当应用程序首次以系统 GUI Server 的方式加载时，将建立
QWSServer 实 体 。 此 时 调 用 QWSServer::openDisplay() 函 数 创 建 窗 体 ， 在
QWSServer::openDisplay()中对 QWSDisplay::Data 中的 init()加以调用；根据 QGfxDriverFactory
实体中的定义(QLinuxFbScreen)设置关键的 QScreen 指针 qt_screen 并调用 connect()打开显
示设备(dev/fb0)。在 QWSServer 中所有对于显示设备的调用都由 qt_screen 发起。至此完成
了 Qt/Embedded 中 QWSServer 的图形发生引擎的创建。当系统中建立好 GUI Server 后，其
它需要运行的 Qt/Embedded 程序在加载后采用共享内存及有名管道的进程通信方式， 以同
步访问模式获得对共享资源 framebuffer 设备的访问权。
1.2 Qt/Embedded 的事件驱动基础
Qt/Embedded 中与用户输入事件相关的信号，是建立在对底层输入设备的接口调用之
上的。Qt/Embedded中的输入设备， 分为鼠标类与键盘类。以 3.x 版本系列为例， 其中鼠
标类设备的抽象基类为 QWSMouseHandler，从该类又重新派生出一些具体的鼠标类设备的
实现类。该版本系列的 Qt/Embedded 中，鼠标类设备的派生结构如图 3 所示。
与图形发生引擎加载方式类似的， 在系统加载构造 QWSServer 时，调用
QWSServer::openMouse 与 QWSServer::openKeyboard 函数。这两个函数分别调用
QMouseDriverFactory::create()与 QKbdDriverFactory::create() 函数。这时会根据 Linux 系统的
环境变量 QWS_MOUSE_PROTO 与 QWS_KEYBOARD 获得鼠标类设备和键盘类设备的设备类
型和设备节点。打开相应设备并返回相应设备的基类句柄指针给系统， 系统通过将该基类
指针强制转换为对应的具体子类设备指针，获得对具体鼠标类设备和键盘类设备的调用操
作。
值得注意的是，虽然几乎鼠标类设备在功能上基本一致，但由于触摸屏和鼠标底层接口
并不一样，会造成对上层接口的不一致。举例来讲，从鼠标驱动接口中几乎不会得到绝对位
置信息，一般只会读到相对移动量。另外，鼠标的移动速度也需要考虑在内，而触摸屏接口
则几乎是清一色的绝对位置信息和压力信息。针对此类差别，Qt/Embedded 将同一类设备
的接口部分也给予区别和抽象，具体实现在 QMouseDriverInterface 类中。键盘类设备也存
在类似问题，同样引入了 QKbdDriver Inteface 来解决。具体实现此处暂不赘述。
2 Qt/Embedded的移植与应用
针对 Qt/Embedded 的实现特点，移植该嵌入式 GUI系统一般分为以下几个步骤：
设计硬件开发平台，并移植 Linux 操作系统；
采用静态链接进 Linux 内核的方式，根据该平台显示设备的显示能力，开发 framebuffer 驱
动程序；
开发针对该平台的鼠标类设备驱动程序，一般为触摸屏或 USB 鼠标；
开发针对该平台的键盘类设备驱动程序，一般为板载按钮或 USB 键盘( 该部分可选)；
根据 framebuffer 驱动程序接口，选择并修改 Qt/Embedded 中的 QLinuxFbScreen 和
QGfxRaster 类；
根据鼠标类设备驱动程序，实现该类设备在 Qt/Embedded 中的操作接口；
根据键盘类设备驱动程序，实现该类设备在 Qt/Embedded 中的操作接口(该部分可选)；
根据需要选择 Qt/Embedded 的配置选项，交叉编译 Qt/Embedded 的动态库；
交叉编译 Qt/Embedded 中的 Example 测试程序，在目标平台上运行测试。
framebuffer 设备驱动程序提供出的接口是标准的， 除了注意 endian 问题外，配置
Qt/Embedded 时选择相应的色彩深度支持即可， 因此该部分的移植难点就在于 framebuffer
驱动程序的实现。Qt/Embedded 部分的 QWSServer 打开/dev/ 中的 framebuffer 设备后读出
相应的显示能力( 屏幕尺寸、显示色彩深度)，模板 QGfxRaster将根据色彩深度
在用户空间设备创建出与显示缓存同样大小的缓冲作为双缓冲， 并采用正确方式进行显示。
2.1 在 PXA255 平台上移植和应用
在笔者参与设计的某 Smart-Phone 开发平台中，GUI 系统实现
方案
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采用了 Qt/Embedded
2.3.7 和 Qtopia 1.7.0(基于 Qt/Embedded 2.x 系列的手持套件)，硬件平台采用了基于 Intel
XScale PXA255 处理器的嵌入式开发系统。该开发系统采用 640×480 分辨率的 TFT LCD和
PXA255 内部 LCD 控制模块作为显示设备，ADS7846N作为外部电阻式触摸屏控制器；另外，
采用了五方向按键作为板载键盘。由于该系统采用了 ISP1161 作为 USB Host 控制器，较好
地支持了 USB 接口的键盘和鼠标，操作系统为 ARM Linux 2.4.19。参考 Linux 2.4.19 内核目
录 drivers/input部分，可以按照标准内核中 input device接口设计实现触摸屏和键盘， 在实
现了基于 ISP1161 的 EHCI 驱动程序后， 移植标准的 USB 接口的人机界面设备驱动 HID 和
USB 键盘、鼠标的驱动程序后，可以获得对于该类设备的调用接口。此过程不属本文讨论
范畴，此处暂不赘述。
Qt/Embedded 2.x 系列对于输入设备的底层接口与 3.x 系列不同，触摸屏设备和键盘设
备需要根据具体的驱动程序接口在 Qt/Embedded 中设计实现对应的设备操作类。其中对应
于鼠标类设备的实现位于 src/kernel/qmouse_qws.cpp 中。由于触摸屏在实现原理上存在着
A/D 量 化 误 差 的 问 题 ， 因 此 所 有 的 触 摸 屏 接 口 实 现 类 需 要 从 特 殊 的
QCalibratedMouseHandler 继承，并获得校正功能。其具体的实现接口如表 1 所列。
Qt/Embedded 2.x中对于键盘响应的实现函数位于 src/kernel/qkeyboard_qws.cpp 中。在
qkeyboard_qws.h中，定义了键盘类设备接口的基类 QWSKeyboardHandler，移植时需要根据
键盘驱动程序从该类派生出实现类，实现键盘事件处理函数 processKeyEvent()，并在
QWSServer::newKeyboardHandler 函数中注册自己的键盘类设备即可。其中对于点击键的键
码定义在 Qt/Embedded 的命名空间—— src/kernel/qnamespace.h中。表 2是具体的实现接
口。(以 USB 接口的 101 键键盘为例)
2.2 在MC9328 平台上移植和应用
在某车载导航辅助系统的开发平台设计中，采用了 Qt/Embedded 3.3.2 版本作为其 GUI
系统的实现方案。硬件平台采用自行设计的以Motorola MC9328 MX1 为核心的开发系统。
该系统采用 CPU 内部 LCD 控制器和 240×320 分辨率的 16bpp TFT LCD 作为显示设备，采
用 I2C总线扩展出 16 按键以及MX1 集成的 ASP模块和电阻触摸屏。操作系统为 ARM Linux
2.4.18。
Qt/Embedded 3.x 版本系列中与底层硬件接口相关部分的源码位于 src/embedded/ 目
录中。该部分包含三类设备的接口：framebuffer、鼠标与键盘。参照该目录中相关设备的具
体接口代码， 根据自身硬件平台增添接口即可。
由于系统 LCD 的分辨率为 240×320，物理尺寸较小，在实现基于该系统的 framebuffer
驱动程序时并没有将其本身与 Linux 字符控制台设备挂靠，因此 framebuffer 并不具备 TEXT
模式的工作方式。在移植 Qt/Embedded 时，无需作 framebuffer 设备的工作方式转换。正
确配置色彩显示支持后，Qt/Embedded 能够在 LCD 上显示出正确的图形。由于该平台的显
示系统为纵向 320 行，在设计时考虑到人对于非手持设备的视觉习惯为宽度大于高度的观
察方式，为了符合这种习惯性的观察方式，在移植 Qt/Embedded 时采用了 Transformed 的
旋转图形显示方式，在软件上实现了显示方向的旋转变换。
鼠标设备接口这一基类 QWSMouseHandler 的实现位于 src/embedded/qmouse_qws.cpp
中。与 2.x 版本系列不同的是，3.x 中所有的 Linux 触摸屏示例接口代码均实现在
src/embedded/qmouselinuxtp_qws.cpp 中的 QWSLinuxTPMouseHandler 类中。其中对于不同
型号的触摸屏的接口实现代码，采用不同的宏定义和预编译的方式将它们分隔开。笔者还通
过 从 QWSLinuxTPMouseHandler 中 继 承 自 身 触 摸 屏 接 口 类 ， 替 代 原 有 的
QWSLinuxTPMouseHandlerPrivate 类，而在 QWSLinuxTPMouseHandler 生成自身触摸屏接口
对象的方式， 较好地将移植部分的代码与原有比较混乱的代码分隔开来。3.x 触摸屏类接
口如表 3 所列。
3.x 中键盘接口基类位于 src/embedded/qkbd_qws.cpp中，为 QWSKeyboardHandler。实
现 I2C 总线扩展出的 16 键键盘接口类方式与触摸屏类似，此处不赘述。需要注意的是，
Qt/Embedded提供了事件过滤器(key event filter)的接口，在键盘点击事件从 QWSServer 截获
并发送到相应的 client 之前会经过函数 QWSServer::KeyboardFilter。在此函数中可以按照自
身需求生成新的键盘点击事件，而后利用 QWSServer::sendKeyEvent()发送新的点击事件到
client 中。利用该方式可以将各种键盘点击无法输入的 unicode 字符转换出来，从而可以在
较少的按键键盘上实现多 unicode 字符输入法。Qt/Embedded 3.x 键盘接口的移植与鼠标设
备接口类似，此处不赘述。
3
总结
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随着嵌入式处理器运算能力的不断提高， 对外设支持的不断丰富，嵌入式 Linux 系统
的应用也逐渐增多。Qt/Embedded 延续了 Qt 在桌面系统的所有功能，丰富的 API接口和基
于组件的编程模型使得嵌入式 Linux 系统中的应用程序开发更加便捷。由于 Qt/Embedded
本身面向高端的手持设备和移动设备， 将成为未来嵌入式系统的主流 GUI。
浙公网安备 33021202002483