15 апреля 2017 в 23:36

MakiseGUI - бесплатная библиотека графического интерфейса для микроконтроллеров

• Программирование микроконтроллеров

Существует множество библиотек графического интерфейса для микроконтроллеров и встраиваемых систем, но многие из них имеют ограниченный функционал, сложность в использовании и интеграции, необходимость обязательного использования внешней оперативной памяти, а некоторые стоят больше, чем ваш проект целиком. Из-за этих причин и многих других было решено писать свою библиотеку.

Перед началом разработки я поставил себе цели:

• Простота конечной разработки. Писать интерфейс не должно быть сложнее, чем используя WindowsForms и тп
• Простота интеграции. Встроить и запустить интерфейс в приложении должно быть максимально просто на любом железе или ПО.
• Чистый Си. Был использован только gnu-c99 и из библиотек только stdlib
• Минимальное потребление RAM. Возможность использования на средних микроконтроллерах без внешней памяти(примерно 40kb с цветным дисплеем 320х240).
• Достаточное количество графических элементов для комфортной разработки. Простое добавление новых.
• opensource лицензия и бесплатное использование даже в коммерческих проектах

Пример без объяснений.

В качестве демонстрации возможностей библиотеки и примеров использования может быть использован проект созданный специально для этих целей: https://github.com/SL-RU/MakiseSDLTest

Он использует SDL2 для отрисовки и ввода и имеет примеры использования всех элементов и почти всех функций системы. Может быть скомпиллирован и запущен на любом linux дистрибутиве. На windows тоже, но лишь теоретически - сам не пробовал.

Видео работы:

Структура

Библиотека состоит из трёх чётко разделённых частей:

1) Ядро. Ядро состоит из интерфейса к драйверу, функций отрисовки в драйвер и функций отрисовки примитивов в буфер.

2) Драйвер. Драйвер обеспечивает всё общение с железом и с ПО, поэтому под каждую задачу придётся писать обычно свой, чтобы учесть все моменты(DMA, прерывания и тд). Драйвер лишь обеспечивает передачу изображения из буфера на железо и очищает буфер изображения. Как примеры, в проекте есть драйверы для дисплея на ili9340, а так же SDL2 для отладки библиотеки на компьютере. Ядро и драйвер могут работать отдельно, без GUI.

3) Сам GUI. Занимает бОльшую часть системы, тут воплощены все необходимые функции для работы интерфейса: контейнеры, элементы, системы отрисовки, фокуса, ввода, обработки событий и прочего.

GUI

Разработка графического интерфейса максимально приближена к объектно-ориентированному для максимальной простоты конечного программирования. Благодаря этому она имеет некоторые приятные особенности

Простейший пример, создающий кнопку на экране:

MHost host; //базовая структура системы, root-контейнер, содержащий все другие контейнеры и элементы. //метод будет вызыван при нажатии на кнопку void click(MButton *b) { printf("Button was clicked"); //выводим сообщение в стандартный поток b->text = "Clicked!"; //меняем текст кнопки } MButton button; //структура, содержащая всю информацию о кнопке void create_gui() { //создаём кнопку m_create_button(&button, //указатель на структуру кнопки host->host, //контейнер, в который будет добавлена кнопка после создания. В данном случае это контейнер MHost"a mp_rel(20, 20, //координаты элемента относительно левого верхнего угла 90, 30), //ширина, высота "Click me", //текст кнопки //События &click, //Вызывается при нажатии на кнопку 0, //Вызывается до обработки нажатия, может прервать обработку нажатия 0, //Вызывается при действиях с фокусом кнопки &ts_button //стиль кнопки); } void main() { //тут была инициализация MakiseGui, драйвера, MakiseBuffer и MHost. Запуск драйвера. create_gui(); while(1) { //драйвер вызывает функции рисовки //совершается ввод //и логика } }

Итого, этот пример создаёт на экране кнопку при нажатии на которую в стандартном потоке вывода появится надпись "Button was clicked" и текст кнопки изменится.

Инициализация

Инициализация предполагает только лишь запуск драйвера, задание размеров и выделение памяти для структур и буферов элементов. Чисто формальная операция. Как инициализировать систему можно поглядеть тут: https://github.com/SL-RU/MakiseSDLTest/blob/master/src/main.c в методе start_m();

Для начала использования GUI нужно создать makise_config.h и сконфигурировать его. В этом файле задаются системные дефайны и выбираются нужные драйверы дисплея. https://github.com/SL-RU/MakiseSDLTest/blob/master/makise_config.h

Ввод

Ввод приспособлен для работы в мультипоточных приложениях - он имеет очередь событий, которые посылаются интерфейсу при вызове makise_gui_input_perform(host);

Любое событие ввода представлено структурой MInputData.

Возможен ввод кнопок(список стандартных в makise_gui_input.h MInputKeyEnum), символов(пока нигде не используется) и ввод курсора(сенсорный экран или мышь). В примере с SDL используется ввод с клавиатуры и ввод мышью.

Контейнеры.

MContainer - структура контейнера.

Контейнеры содержат связанный список элементов. Из контейнеров можно удалять или добавлять элементы, перемещать их и совершать другие операции.

Позиция элемента в контейнере прямо влияет на очередь отрисовки и ввода.

Линкованый список осуществляется при помощи указателей на первый и последний элемент списка MElement и в структуре MElement имеются указатели на следующий и предыдущий элемент.

Элементы.

Любой элемент представлен ввиде структуры MElement, которая содержит в себе информацию о элементе, указатели на функции отрисовки, ввода, фокуса и тд элемента и указатель на его содержимое.

На данный момент существуют следующие элементы:

• MButton - кнопка. Которая отображает текст посылает события при нажатии
• MCanvas - простейший контейнер, который просто содержит элементы.
• MLable - простейшее текстовое поле
• MTextField - текстовое поле, поддерживающее перенос слов и переносы
• MSlider - слайдер
• MToggle - кнопка имеющая два состояния.
• MSList - список. Может быть как просто списком, так и radio-кнопками, так и чекбосками. Поддерживает обычные списки и динамические линкованные.
• MTabs - вкладки. Несколько переключаемых контейнеров.

Лучшей документацией являются примеры, поэтому для каждого элемента есть свои примеры использования. Как сложные, так и простые.

Количество элементов будет пополняться со временем. Да, тут нет многих необходимых функций - графики, изображения и тд. Но для моих целей они пока не нужны, но если вскоре понадобятся, то буду добавлять и публиковать в библиотеку. Так же не стесняйтесь добавлять свои или править существующие! Пулл-реквесты приветствуются.

Стили

Стиль элемента определяет его внешний вид. Cтиль задаёт цвета элемента в определённом состоянии. За это отвечают структуры MakiseStyle и MakiseStyleTheme. MakiseStyle содержит несколько MakiseStyleTheme для определённых состояний, а так же параметры шрифта.

Для кнопки стиль может выглядеть так:

MakiseStyle ts_button = { MC_White, //основной цвет. Не несёт никакого значения &F_Arial24,//Шрифт стиля 0, //межстрочное расстояние //цвет заднего фона | шрифта бортик есть ли двойной бортик {MC_Black, MC_Gray, MC_Gray, 0 }, //когда кнопка не активна {MC_Black, MC_White, MC_White, 0 }, //нормальное состояние {MC_White, MC_Green, MC_White, 0 }, //в фокусе {MC_Green, MC_White, MC_White, 0 }, //когда была кликнута };

Фокус

Фокус определяет к какому элементу пойдёт ввод. Для управления фокусом существуют следующие функции:

MFocusEnum makise_g_focus(MElement *el, MFocusEnum event); //фокусирует или расфокусирует нужный элемент MFocusEnum makise_g_host_focus_next(MHost *host);//переведёт фокус на следующий по очереди элемент MFocusEnum makise_g_host_focus_prev(MHost *host);//на предыдущий

Пример работы на микроконтроллере

Так же был написан пример библиотеки для STM32 микроконтроллеров. Был использован МК STM32f437VGT6 с тактовой частотой 180МГц и 2.2" дисплей 230х320 пикселей на контроллере ILI9341. Управления с компьютерной клавиатуры по UART.

Не так давно пришлось столкнуться с тривиальной задачей - найти решение, которое позволит рендерить рисунки графиков для.NET. Сразу оговорюсь, что меня интересовали только линейные графики. Камнем преткновения, который подтолкнул к переделыванию уже существующего решения (это были графики, встроенные в rdlc отчеты), было быстродействие. В целом, к искомому решению были предъявлены такие требования:

1. Необходимо оставить данную оптимизацию незамеченной для конечного пользователя, следовательно, решение должно быть широко настраиваемым, чтобы, в конечном счете, выглядеть так же, как и предшественник.
2. Работать быстро (ну понятно, пользователи не любят ждать).
3. Желательно, быть бесплатным или с открытым исходным кодом. Покупка не стала бы большой проблемой, найди я отличное платное решение, но начать лучше с open source.

Что было сделано?

Погуглив, выяснилось, что существует достаточно много вариантов для решения данной задачи, и все они достаточно сильно отличаются по многим параметрам (размер сообщества, скорость работы, удобство). В процессе выбора решения было опробовано 8 бесплатных вариантов:


Ещё в самом начале я решил, что надо собрать как можно больше вариантов в одном месте и протестить их на быстродействие, а уже после этого было очень жалко выбрасывать в корзину проделанную работу. Поэтому было решено оформить эту статейку и выложить то, что получилось, на GitHub . Таким образом, если возникла необходимость, Вы можете настроить каждое решение под себя и сразу же его проверить. Лично мне очень не хватало такой статьи в начале. Может быть, исходники вызовут улыбку у гуру, но новичкам, которые только вникают в.NET и ASP, они однозначно будут очень полезны.
Для сравнения скорости работы берутся дефолтные настройки графика, указывается разрешение выходного рисунка и ему скармливается фиксированное количество точек. Каждое решение прогоняется несколько раз, и в качестве реальной скорости берется среднее. Опять же, это достаточно субъективно, и, если Вы можете предложить более красивый подход, я с интересом выслушаю.
На моем ПК (Intel Core I5 3.10 GHz, 8gb ОЗУ, Windows 7 x64) вышло следующее распределение скорости работы:

№	Решение	Количество итераций	Суммарное время (сек)	Среднее время на одну итерацию (сек)
1	Dislin charts	5	1.9071907	0.38143814
2	Zed Graph	5	2.750275	0.550055
3	NPlot	5	3.1833183	0.63666366
4	Web Chart Control	5	5.130513	1.0261026
5	Microsoft Chart Controls	5	6.8456845	1.3691369
6	Oxy Plot	5	7.0067006	1.40134012
7	Open minded plot	5	8.257	1.6514
8	Google Sharp charting	5	9.8049804	1.96099608

Для различных входных параметров (разрешение изображения, количество точек на графике, параметры ПК, скорость интернета, фаза Луны и т.д.) результаты немного отличаются, поэтому Вы можете протестировать быстродействие у себя.
Я специально не делал глубокое сравнения фич и возможностей кастомизации, так как это довольно субъективная информация, которая сильно зависит от конкретной задачи. При необходимости, каждый желающий может провести полчаса, подебажить, посмотреть архитектуру решений, прикинуть, насколько легко их настроить под конкретные требования.
Если кто-то знает ещё бесплатные решения для графиков под.NET, которые пропущены в статье, - пишите в комментариях, и я постараюсь их добавить.

Ниже рассмотрены библиотеки на C/C++, которые могут быть использованы в основе разработки библиотеки для генерации 2D финансовых графиков и индикаторов технического анализа.

Основными требованиями являются:

• Наличие C/C++ API.
• Наличие адекватной документации с примерами.
• Наличие Python-пакета для экспериментов.
• Относительно высокая скорость работы Python-пакета при рисовании >30000 линий.
• Правильная работа со шрифтами, поддержка пиксельных шрифтов и возможность отключения сглаживания.

Итог к рассмотрению:

• Pillow для работы в Python — быстрый, наличие документации.
• gMagick++ или Magick++ для расширения C/C++ — быстрые, хорошо документированы на сайте ImageMagick.
• SKIA или Cairo для работы с векторной графикой.

GraphicsMagic (Magick++)

Расширение для C++ форка GraphicsMagick библиотеки ImageMagick. С помощью библиотеки можно рисовать, обрабатывать картинки и сохранять в различных форматах. В отличии от родителя (IMagick) разработчики делают упор на производительности, оптимизации и безопасности.

Python-пакет PgMagick может работать как с GraphicsMagick, так и с ImageMagick. Библиотека интегрирована в Python с помощью Python-Boost. В отличие от Wand-Py работает в десятки раз быстрее, но при этом имеет худшую документацию для Python (надо все искать в документации C++-расширения Magick++).

ImageMagick (Magick++)

Расширение для C++ популярной библиотеки ImageMagick (IMagick). С помощью библиотеки можно рисовать, обрабатывать картинки и сохранять в различных форматах.

Wand-Py работает крайне медленно по сравнению с Pillow (форк стандартной библиотеки PIL для Python). Не удалось решить проблемы со шрифтами (добавляет сглаживание и размытие).

Cairo

Библиотека написанная на C для рендеринга векторной графики. Содержит функции для рисования двумерных изображений. Преимуществом отмечается (на форумах) хорошая документация. Работает медленнее SKIA (есть сравнение в интернете).

SKIA

Графическая библиотека написанная на C++ для рендеринга векторной графики. Используется в Google Chrome, Chrome OS, Mozilla Firefox, Android. Поддерживается Google. Куцая документация, но есть примеры. По сравнению с Cairo работает быстрее.

AGG (Anti-Grain)

Библиотека растровой графики написанная на C++. Последняя версия выпущена в 2006 году. Есть предположение, что данная библиотека лежит в основе PIL для Python (и Pillow).

C++, как и Python и многие другие языки программирования, поставляются без встроенных инструментов построения графического интерфейса пользователя. Так было и до середины 80-х, когда операционные системы для PC разрабатывались без этого типа интерфейсов, и даже после того, как Windows и различные операционные системы от Apple стали нормой, и событийно-ориентированному программированию потребовалось несколько дополнительных лет, чтобы наверстать упущенное.

Тридцать лет назад весь ввод/вывод был сделан на символьных дисплеях. Так было до начала 90-х, когда появились первые графические библиотеки. С тех пор Mac OS (и в меньшей степени Linux) выросла по важности по сравнению с Windows, что делает более привлекательными инвестиции в создание программного обеспечения, которое может работать на всех трех платформах без необходимости переписывать код

Без кроссплатформенных инструментов, вы должны были бы существенно переписать код для любой другой платформы только лишь для того, чтобы организовать обработку ввода/вывода и взаимодействие с пользователем. В то же время, графика на каждой операционной системе выполняется совершенно по-разному. Кроссплатформенные инструменты до некоторой степени защитят вас от этих различий и странностей.

Вам может никогда не понадобиться портировать ваше Windows приложение на Mac или Linux, но, по крайней мере, вы будете знать, что можете сделать это. В этом списке мы рассмотрим пять кроссплатформенных инструментов разработки GUI, которые написаны на C++ и все еще находятся в стадии активного развития. Пятерка, которую я выбрал, это Qt, wxWidgets, JUCE, CEGUI и CEF (некоторые другие, особенно GTK, MFC и Cocoa, не включены в список, так как они не полностью кроссплатформены).

Qt, один из старейших фреймворков, которому сейчас 21 год. Ранее принадлежал компании Nokia, текущий владелец - финская компания Qt Company. Платформа имеет лицензию, как свободное ПО с открытым исходным кодом, а также доступны версии Indie Mobile, Professional и Enterprise, начиная от $79 в месяц.

Этот старый фреймворк открыл себя заново со своей новой версией, Qt 5, которая используется везде, ото мобильных приложений до автомобилей и медицинского оборудования . Одним из его преимуществ является оконная системя, которая позволяет вам создавать пользовательские интерфейсы и включает в себя дополнительные функции, такие как отображение диаграмм, визуализация данных и карт от сторонних провайдеров. Qt версии 5 теперь обрабатывает прикосновения так же, как и взаимодействие с мышью и клавиатурой, и вы можете добавить виртуальные клавиатуры на X11 и Windows. На KDE Linux Qt является нативной библиотекой GUI, поэтому, если вы разрабатываете для KDE платформ, то вам следует рассмотреть Qt.

Разработчик Джулиан Смарт создал wxWidgets 24 года назад (что делает его старше, даже чем Qt) и остается его главным разработчиком. Эта библиотека во многом похожа на Qt, хотя некоторые разработчики предпочитают ее, так как она использует родные графические элементы операционной системы, на которой запущена программа. Это заставляет приложения выглядеть более «родными»; например, на Windows, она будет использовать Windows графику.

(Для сравнения, Qt отрисовывает свои собственные виджеты на каждой платформе, хотя и старается выглядеть как можно ближе к платформе, используя некоторый низкоуровневый код для отрисовки полос прокрутки и кнопок.)

JUCE

Данная кроссплатформенная библиотека с открытым исходным кодом использует аналогичную лицензию, что и Qt. Она фокусируется на кроссплатформенных аудио, интерактивных, встроенных и графических приложениях.

Первоначально разрабатываемая британским разработчиком Жюлем Сторером, была приобретена компанией Raw Material Software, которая разрабатывает аудиопродукцию. В результате, JUCE обладает большим количеством функциональных возможностей при работе с аудио, поскольку она изначально разрабатывалась для создания аудиоприложений.

Библиотека JUCE также включает в себя множество графических элементов пользовательского интерфейса, графику, аудио, парсинг XML и JSON, работу с сетью, криптографию, многопоточность и встроенный интерпретатор, который работает с синтаксисом, имитирующим ECMAScript. Это уменьшает или устраняет необходимость в сторонних библиотеках и проблемы с зависимостями, которые те могут вызвать. Нет ничего ужаснее, чем обновление сторонних инструментов, которое ломает сборку проекта.

JUCE также включает в себя “introjucer”, инструмент IDE, который может генерировать проекты Xcode, проекты Visual Studio, Linux Makefile, сборки Android Ant и проекты CodeBlocks.

CEGUI

Crazy Eddie GUI (GUI сумасшедшего Эдди) разрабатывается, начиная с 2003 года, и вполне возможно, версия 1.0 выйдет уже к 2020 году, поскольку текущая версия 0.87. Как и другие в этом списке, она работает на Windows, Linux и Mac и поддерживает и 64, и 32-битные системы. В отличие от остальных GUI библиотек в этом списке, она фокусируется на разработке игр, но, как говорилось, дает разработчику пакет виджетов (кнопки, выпадающие списки и т.д.), поэтому вы не ограничены только игровыми приложениями.

Большинство игр требуют графический интерфейс для всех меню и экранов настройки, которые рендерятся на таких платформах, как DirectX или OpenGL. Они поддерживают скины, позволяя выполнять настройку, чтобы соответствовать эстетике игры.

Конфигурация CEGUI также широко использует XML файлы. Они служат не только для настройки скинов (то есть, как выглядят элементы управления, общая цветовая схема и т.д.), для всего остального, такого как анимация, изображения, компоновка и схема управления файлами данных игры. Все они опираются на XML.

CEF

Chromium Embedded Framework - это простой фреймворк для встраивания браузеров на базе Chromium в другие приложения. Это отличает его от других библиотек C++ в списке, которые предназначены для создания автономных приложений. Вы могли не слышать об этом, но согласно документации , существует более 100 миллионов экземпляров CEF, встроенных во множество продуктов. CEF уже 8 лет, и он дорос уже до версии 3.

Интеграция в браузер Chrome позволяет получить доступ к JavaScript, ускорению GPU через WebGL, рендерингу в закадровую память и, в ближайшее время, к речевому вводу

Заключение

Хотя все эти библиотеки написаны на C++, доступно множество привязок языков, поэтому стоит проверить, какие языки программирования вы можете использовать с ними. wxWidgets особенно хорош в этом отношении, как и Qt, который используется в нескольких специализированных операционных системах и автомобильном ПО. Qt кажется более популярным на предприятиях, по-видимому, из-за платной поддержки, в то время как ученые и независимые разработчики предпочитают wxWidgets, поскольку он бесплатен и соответствует Qt.

И Qt, и wxWidgets охватывают много одинаковых областей, и это, возможно, случай для выбора в зависимости от личного предпочтения. Оба фреймворка имеют множество сторонних инструментов для упрощения разработки.

C++ - один из самых мощных и востребованных языков программирования. Ежедневно на нём пишут сотни приложений, зачастую использующих GUI. Однако работа с графикой не всегда удобна программисту - в таком случае применяют готовые графические библиотеки. Они позволят сделать разработку графической части приложений максимально быстрой и удобной.

SFML

Qt

Кроссплатформенная библиотека Cocos2D-X призванна упростить разработку мобильных игр. Поддерживает все те же платформы, что и Qt. Из плюсов стоит отметить доступность, удобство эксплуатации и создание отдельного конструктора игр, основанного на библиотеке Cocos Creator . В списке игр, основанных на движке, есть всемирно известная BADLAND, работающая на всех доступных платформах.

Кое-что ещё

Если при создании игры вам нужно работать с графикой и анимацией в больших объёмах, то лучше использовать Unity вместо Cocos2D-X. В Unity имеется возможность плавной интеграции с такими инструментами, как Photoshop, Maya или Blender. В Cocos2D-X вся графика добавляется извне и на неё ссылаются из кода.

В Рунете нет уроков по этой библиотеке, но на английском языке есть отличный курс от разработчиков.

Juce

Пожалуй, одна из самых известных графических библиотек. GTK+ - графический фреймворк, широко применямый во многих системах. Изначально он задумывался как компонент GIMP, но за 20 лет после выпуска первой стабильной версии он нашёл применение в сотнях других приложений.

Сейчас GTK+ - полноценный графический фреймворк, не уступающий тому же QT. Он поддерживает разные языки программирования и продолжает развиваться.

Кое-что ещё

В своё время библиотека создавалась в качестве альтернативы Qt, которая была платной. GTK+ - один из немногих фреймворков, которые поддерживают язык C. Библиотека кроссплатформенная, но есть мнение , что программы на Linux выглядят более нативно, чем на Windows или Mac (GTK+ хорошо поддерживается даже на KDE). Интересно, что из-за некоторых проблем с кроссплатформенностью Wireshark перешла на Qt.

Пример первой программы можно посмотреть на Википедии .

Другие интересные статьи по C++ можно посмотреть у нас .

Заключение

Выше представлены наиболее популярные технологии для работы с GUI не только на C++, но иногда и на других языках (например, Qt и GTK+). Однако всегда следует учитывать особенности той или иной технологии. Выпишите список функций своего приложения, ещё раз прочитайте описания всех библиотек и фреймворков, и только после этого выбирайте то, что действительно подходит больше всего для проекта.