原创 Linux图形界面中客户端、服务器、窗口管理器之间的关系

 2011-4-12 18:00  1484 6 6 分类: MCU/ 嵌入式

作者：刘洪涛，华清远见嵌入式学院金牌讲师，ARM ATC授权培训讲师。

很多LINUX初学者在学习linux图形方面的知识时会遇到一些概念，如：X、X11、Xfree86、WM、KDE、GNOME、QT、QT/E、Qtopia、DirectFB、Framebuffer、显卡加速驱动等等。理解它们之间是什么关系，对我们学习来说是非常重要的。写这篇文章的目的，就是想让大家明晰这些概念及它们之间的关系。（部分内容引用网络上的一些描述比较清晰的内容）

一、Linux操作系统和图形的关系

linux本身没有图像界面，linux现在的图像界面的实现只是linux下的应用程序实现的。图像界面并不是linux的一部分，linux只是个基于命令行的操作系统。Linux内核为linux系统中的图形界面提供了显示设备驱动。

二、X的概念

X 是协议，就像HTTP协议，IP协议。这个概念很多初学者甚至学习LINUX有一定时间的人都混淆，一个基于X的应用程序需要运行并显示内容时，他就联接到X服务器，开始用X协议和服务器交谈。比如一个X应用程序（X Client）要在屏幕上输出一个圆，那么他就用X协议对X服务器说：喂!我需要在屏幕上画一个圆。X应用程序只负责告诉X服务器在屏幕的什么地方用什么颜色画一个多大的圆，而具体的"画"的动作，比如这个圆怎样生成，用什么显卡的驱动程式去指挥显卡完成等等工作是由X服务器来完成的。X服务器还负责捕获键盘和鼠标的动作。假设X服务器捕获到鼠标的左键被按下了，他就告诉X应用程序：亲爱的应用程序先生，我发现鼠标被按下了，您有什么指示吗?假如X应用程序被设计成当按下鼠标左健后再在屏幕上画一个正方形的话，X应用程式就对X服务器说：请再画一个正方形，当然他会告诉服务器在什么地方用什么颜色画多大的正方形，但不关心具体怎么画--那是服务器的事情。

三、X11、X11R6的概念

X11表示X协议的第16版。X11R6是X协议第11版第六次发行。

四、XFree86是什么？

XFree86 是X Windows server的X11R6执行程序。有了协议就需要具体的软件来实现这个协议。Xfree86是按照X协议的规定来完成X应用程序提交的在屏幕上显示的任务。实现X协议的软件也并不只有XFree86, XFree86只是实现X协议的一个免费X服务器软件。有些甚至能够在WINDOWS上有X服务器运行，这样您能够在linux系统上运行一个X应用程序然后在另一台windows系统上显示。只是在LINUX上最常用的是XFree86。不过现在的linux发行版大多用Xorg了。

XFree86内容包括X服务器，字体，一个X下的终端程序(xterm)，一个简单的窗口管理器(twm)，很多有用的小工具, 显示输出驱动和包括键盘鼠标在内的许多输入模块。

五、WM(window manager 窗口管理器)

在红帽系统中，可以设置启动级别3，进入命令行终端，然后运行：

#startx

起动图像界面，您看到的是个和平时使用相同的完整的图像界面操作环境。能够最大化，最小化，移动，关闭窗口等。按ctrl+alt+backspace反回字符界面。输入：

#xinit

再次启动图像界面，您看到了什么，您看到一个XTERM（一个运行于X下的终端程序）。而且不能移动。但是您能够在这个XTERM中输入命令打开X应用程序，假如输入：

#mozill

打开浏览器，您看到的浏览器和平时有什么不同吗?他在屏幕中间，不能移动，不能最小化，不能最大化，没有边框。

为什么同样一个X应用程式会有这样的不同呢?因为我们用startx起动图像界面的时候同时也启动了一个WM(即窗口管理器)，假如您用KDE就起动了 KDE，假如您用GNOME就起动了GNOME。但是您用xinit起动图像界面的时候却没有起动WM 。

窗口管理器的作用就是最大化、最小化、移动、关闭窗口等。而这些不是X服务器来负责完成的。假如您用xinit起动图像界面并在xterm中输入twm，看看会有什么?

xterm被加上了一个边框，您能够通过这个边框移动、最大化、最小化这个xterm。twm就是XFree86中自带的窗口管理器，是个比较简陋的最简单的窗口管理器，但是他具备窗口管理器的全部特征。

六、KDE和GNOME

KDE 和GNOME是LINUX里最常用的图像界面操作环境，他们不但仅是个窗口管理器那么简单， KDE是K Desktop Environment 的缩写，他不但是个窗口管理器，更有很多配套的应用软件和方便使用的桌面环境，比如任务栏,开始菜单,桌面图标等等。GNOME是GNU Network Object Model Environment 的缩写，和KDE相同，也是个功能强大的综合环境。

七、QT、QT/E、Qtopia

Trolltec(奇趣)的QT产品有很多，如：QT、QT/E、Qtopia等。目前为诺基亚所有。

QT 泛指QT的所有桌面版本，如：QT/X11，QT Windows，Qt Mac等。由于QT最早是在Linux中随KDE流行而来，所有通常认为QT都是基于linux下的QT/X11。QT是一个完整的C++应用程序开发框架。它包含一个类库，和用于跨平台开发及国际化的工具。Qt API在所有支持的平台上都是相同的，Qt工具在这些平台上的使用方式也一致，因而Qt应用的开发和部署与平台无关。在桌面系统中，QT程序通常是符合X协议的应用程序，它需要X服务器的支持。

QT/E 是用于嵌入式Linux系统的QT版本。QT/E中去掉了X lib的依赖而直接工作于Frame Buffer上，因而应用程序处理过程效率比较高。它的运行只要有Framebuffer设备就可以了，不需要X服务器的支持。但其本身运行也是有服务器和客户端的概念。在服务器没有启动前运行QT/E程序，需要在加“-qws”来启动服务器。如：

#./hello –qws

在QT4以后，QT/E改名位Qtopia Core了，并且集成到Qtopia成品中去了。

QT/E 是Frame Buffer设备运行的。具有简洁、高效等特点。但是了解Frame Buffer设备的工程师会发现，Frame Buffer设备无法实现硬件加速功能。这也限制了基于Framebuffer设备的图形解决方案的发展。事实上桌面上的XFree86默认情况下是不支持Framebuffer设备的，XFree86直接操作显卡，充分利用显卡加速功能（下个主题将介绍显卡加速方面的内容）。XServer兼容最多类型的显示卡，一般来讲，现在市面上80%以上的显示卡都能够被这个Server支持。但有时也会有一些显卡不能不正确设别，这时可以采用Frame Buffer模式来支持显示器。主要是用到了XFree86的 frame buffer Server（XF86_FBDev）。需要修改XFree86的配置文件/etc/X11/XF86Config，及在/etc/grub.conf中加入VGA=XXX功能。

Qtopia是一个面向嵌入式Linux的全方位应用程序开发平台，同时也是用于基于Linux的PDA（个人数字助理），智能电话（Smartphone）以及其他移动设备的用户界面。

八、DirectFB、显卡加速驱动

首先DirectFB类似于桌面中的XFree86。桌面中的XFree86不需要Frame Buffer设备，而DirectFB需要。

显卡加速在嵌入式GUI中需要实现多图形功能，包括图形绘制以及拷贝等。其中的许多功能需要进行大量的数据传递(如图形拷贝)，或者需要进行大量的数值运算(如画样条曲线)。如果这些功能都由纯软件实现的话，会占用大量的CPU时间并且需要传递大量的数据，从而影响了图形性能。许多显卡芯片带有图形处理器，能够从硬件上实现一部分图形功能。支持硬件加速的图形库可以通过图形处理器实现这些图形功能，从而减轻了CPU的负担并减少了数据在总线上的传输时间，提高了图形性能。

DirectFB项目是由德国Convergence公司推动的Open source计划的一部分，它是专门为满足嵌入式设备要求而开发的小巧、强大、灵活和易于使用的图形系统，并且试图成为一个建构于Linux Framebuffer Device之上的新图形标准。它在FrameBuffer的基础上提供了图形加速、输入设备处理提取、透明窗口和多重显示层的功能，能够对嵌入式系统GUI有较好的支持。与那些通用的嵌入式GUI系统相比，它具有非常简洁、高效的体系结构和硬件图形加速功能。

DirectFB依赖已有的内核接口即帧缓冲设备(／dev／fb)访问图形处理器，也就是说DireetFB需要一个正在工作的帧缓冲驱动。Linux内核有专门的帧缓冲驱动支持某些图形处理器。对于不支持的图形处理器，内核提供VE—SA帧缓冲(这种帧缓冲有一些限制)。DirectFB利用帧缓冲设备做如下工作：

◆ 设置显卡工作模式(分辨率，颜色深度，时序)

◆ 映射显存

如果某种显卡被DirecFB支持并且在Linux内核中也有这种图形处理器的帧缓冲驱动，DirectFB利用帧缓冲设备做如下额外的工作：

◆ 映射显存IO端口（如果加速驱动在用户空间实现，需要这步。如果在内核空间实现，则不需要映射，但需要有相应的驱动接口。也可以重新写一个驱动程序来专门实现加速功能）

◆ 关闭帧缓冲驱动中自带的加速功能

针对具体的图形操作(例如图片拷贝、区域填充、区域拷贝、画线、图形拉伸等)，DirectFB加速驱动（对映射到用户空间的控制寄存器访问）访问显存映射的图形处理器I／O端口向图形处理器提交命令，由显卡来实现相应的命令。也就是说真正的硬件加速完全是在用户空间实现。这样DirectFB就可以对它支持的图形处理器提供最大限度的硬件图形加速。这些加速功能需要显卡控制器的支持。一些嵌入式的显示控制器中并没有相应的功能。需要外接显卡来实现。

上层APl支持DirectFB的有：XdirectFB、DirectFBGL、GTK+、DFBTerm、DFBSee、DFBPoint、MythTV、Qt on DirectFB、SDL等。

DirectFB也需要窗口管理器。DirectFB采用模块化设计，它并不依赖于某种具体的窗口管理器，只要具体的窗口管理器实现接口DirectFB中的CoreWMFuncs中定义的函数，就可以挂到DirectFB中运行。DirectFB自带有两个窗口管理器：default和unique，可以在配置文件中用wm=xxx来选择用哪一个作为当前的窗口管理器。

通过上面8个方面，介绍了X、X11、Xfree86、WM、KDE、GNOME、QT、QT/E、Qtopia、DirectFB、Framebuffer、显卡加速驱动等概念及它们的一些关系。供大家参考。