Selección de una Plataforma para el Desarrollo de Interfaces Gráficas de Usuario para un Acompañante Digital Móvil José Edinson Aedo Cobo Mónica Ayde Vallejo Velásquez Juan Diego Echeverri Escobar Luis Germán Garcia Morales Cristian Andrei Castro Serna Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia Grupo de Microelectrónica y Control Resumen Recientemente, el uso de interfaces gráficas en dispositivos móviles se ha tornado de gran importancia, no solo porque determinan la forma de interacción entre el usuario y las funcionalidades del sistema, sino también por los recursos de hardware y software que requiere su ejecución. Restricciones técnicas de los dispositivos móviles como el uso de displays pequeños, disponibilidad limitada de memoria, y condiciones relacionadas con el consumo de potencia imponen importantes restricciones en el diseño de interfaces gráficas. En este trabajo se evalúan tres plataformas para el desarrollo de interfaces gráficas soportadas por Linux, con el propósito de seleccionar y adaptar la más adecuada para el Acompañante Digital Móvil que se viene desarrollando en el grupo de Microelectrónica y Control de la Universidad de Antioquia. Se utilizan como parámetros para realizar la selección el desempeño, el consumo de potencia y la utilización del espacio en memoria. 1. Introducción Un gran porcentaje de la energía consumida en un dispositivo móvil se debe generalmente al sistema de despliegue gráfico. Este sistema esta compuesto por un panel LCD, el framebuffer, un controlador de framebuffer, un controlador de LCD y el backligth. En conjunto todo el sistema demanda una cantidad apreciable de energía, la cual puede llegar a ser dominante cuando se ejecutan aplicaciones interactivas. Por lo cual el modelo de interactividad entre el usuario y el dispositivo en las interfaces gráficas implica largos periodos de ociosidad en las que el sistema consume potencia sin hacer procesamiento de ningún tipo [1,]. En este trabajo, se implementaron y evaluaron tres de las plataformas para el desarrollo de interfaces gráficas más populares para dispositivos móviles soportadas por Linux: MicroWindows[3], Minigui[4] y Qt/Embedded[5]. Los criterios de evaluación considerados fueron: el consumo de potencia, el desempeño y el espacio requerido de memoria Este artículo está organizado de la siguiente manera: en la sección, se describen cada una de las plataformas y algunos web browser soportados. En la sección 3 se presenta el procedimiento resumido de compilación e implementación de cada una de las tres plataformas. En la sección 4 se presentan algunos resultados obtenidos en la implementación en el acompañante móvil, evaluando el espacio requerido en memoria, el consumo de potencia y el desempeño. Por último, en la sección 5 se presentan las conclusiones.. Plataformas para el desarrollo de interfaces gráficas Pocas aplicaciones que utilizan una interfaz gráfica para interactuar con el usuario son programadas para manipular directamente el display del dispositivo. Diferentes APIs son usadas para acelerar el desarrollo de estas interfaces y mejorar la independencia del hardware. Proyectos como MicroWindows(Nano-X), Minigui, y Qt/Embedded facilitan la labor de programación de interfaces gráficas para diferentes aplicaciones en dispositivos móviles. Por esta razón estas tres plataformas fueron estudiadas y comparadas para establecer cual presenta mejores características.
.1. Microwindows (Nano-X) El sistema de ventanas Microwindows [6, 7], ahora llamado Nano-X, es un proyecto de código abierto que utiliza el framebuffer del kernel de Linux y tiene soporte para display de hasta 3 bits por píxel. Nano-X en su versión básica ocupa cerca de 100KB en memoria. Nano-X ofrece soporte para diversas aplicaciones las cuales requieren de un servidor de ventanas para ser ejecutadas. ViewML es una de las aplicaciones más importantes, es un navegador desarrollado por Century Software[8], del cual existe una versión libre y una versión comercial. Para la implementación de ViewML es necesario el uso de la librería FLTK (Fast Light Tool Kit) la cual provee funcionalidades gráficas adicionales y de las librerías WWWLIB las cuales manejan las interacciones asíncronas de la red y las funciones http... MiniGui MiniGui[4,9] es un producto de la compañía Feynman[10] que surgió como una propuesta de código abierto para un entorno grafico para sistemas embebidos. En la actualidad se compone de una versión gratuita para fines académicos y de uso personal y una versión comercial. MiniGui es un sistema basado en capas de abstracción: IAL (Input Abstraction Layer) que se ocupa de las operaciones de entrada/salida de bajo nivel y el GAL (Graphics Abstraction Layer) encargado de la gestión de la parte gráfica. Minigui trabaja con el motor gráfico fbcon basado en el framebuffer de Linux y ocupa alrededor de 700KB. Al igual que microwindows, es necesario ejecutar un servidor de ventanas antes de cualquier aplicación. La misma compañía Feymann ofrece tres browser para el MiniGui: Edilo, Monqueror y mspider, este último cuenta con muchas de las principales características de un browser normal: JavaScript, cookies, SSL, etc..3. Qt/Embedded La plataforma Qt/Embedded [11,1] es un producto de TrollTech[5] de código abierto y esta disponible en versión comercial y versión libre la cual posee licencia GNU GPL. Esta plataforma básicamente es un conjunto de librerías C++, que manejan eventos a través de miembros de clases y señales. Qt/Embedded tiene varias opciones de instalación en cuanto tamaño se refiere, con una instalación mínima de 700KB a una máxima de 5MB. Una instalación típica utiliza 3MB. Qt/Embedded soporta diferentes navegadores tales como Konqueror-embedded, Netscape, Lynx y Opera. 3. Implementación Inicialmente como metodología de prueba se realizó la compilación e implementación de las tres plataformas sobre un PC portátil con Mandriva 005 y luego sobre el dispositivo móvil el cual dispone de un kernel Linux.6.11 Una descripción completa de los procedimientos de compilación e instalación pueden obtenerse en [13]. 3.1. Implementación en el PC Microwindows: El procedimiento para compilar e implementar Nano-X para PC es bastante simple ya que se puede compilar con diferentes versiones de gcc. Una situación muy diferente se presenta con la compilación del Web browser ViewML, el cual solo admite GCC-.95.3. La librería freetype-1.3.1 debe estar preinstalado en el PC antes de iniciarse la compilación de Nano-X (Microwindows-0.90). Las librerías jpegsrc.v6b son necesarias por FLNX para la compilación de las librerías de red. Las librerías flnx- 0.18 y w3c-libwww-5..8 son requeridos por el Web browser ViewML para su operación. Figura 1 Web browser ViewML y una aplicación de Qt corriendo en un PC. Minigui: De acuerdo a la documentación, solamente las versiones 1.3 y 1.6. se encuentran disponibles como herramienta de software libre. Las versiones 1.6.8 y.0 no solo presentan restricciones de licencia sino que también están precompiladas únicamente para arquitecturas i386. MiniGui tiene tres modos de configuración, thread que es el modo por defecto, lite y stand alone. En la compilación para la arquitectura i.386, se trabajó con la versión 1.6. de MiniGui configurado en modo thread junto con varios ejemplos de prueba, y los
navegadores, Edillo, Monqueror y mspider. Los navegadores que se probaron eran versiones demo previamente compilados para la arquitectura i386. Qt/Embedded:. Dos versiones de Qt se compilaron para PC: la versión qt-embedded-.3.10 y la versión qtembedded-eval-3.3.6. Del conjunto de navegadores soportados por Qt, se probó el Konqueror-embedded. Adicionalmente a la compilación de algunas aplicaciones de Qt, también se compiló e implementó el navegador Konqueror-embedded. 3.. Implementación en el acompañante móvil En el proceso de compilación para la arquitectura ARM de las tres plataformas surgieron diferentes problemas que en la etapa de compilación para el PC no se presentaron. En algunos casos fue necesario hacer algunos cambios en el código fuente y en los scripts de configuración. 3..1. Nano-X y ViewML. La plataforma Nano-X y las librerías FLNX y Libwww se compilaron para ARM usando una toolchain con GCC-3.4. y han sido probados exitosamente en el Acompañante Digital Móvil. Para el caso de ViewML, se presentaron algunas dificultades tanto en la compilación como en la implementación. Por una parte no fue posible construir una toolchain con la versión de gcc-.95.3, debido a que esta versión no ofrece soporte para la arquitectura ARM90. Por lo tanto, el ViewML se compiló usando la toolchain con GCC-3.4. corrigiendo algunos problemas de sintaxis presentes en el código fuente debido al cambio del compilador. 3... MiniGui. Se compiló la versión 1.6. de MiniGui en modo lite. Sin embargo fue necesario realizar varios cambios en el código fuente para habilitar el touchscreen y realizar cambios en el archivo Minigui.cfg para configurar el display. La opción de configuración elegida implicó obtener librerías de menor tamaño respecto a las generadas por los otros modos de configuración. De acuerdo a la documentación, MiniGui, esta compuesto de tres librerías: libminigui, libmgext y libvcongui. La versión 1.6. es una versión simplificada y solo tiene la librería libminigui. Como consecuencia, la compilación de los navegadores Edilo y Monqueror no fue posible ya que éstos requieren las tres librerías. 3..3. Qt/Embedded y Konqueror-embedded. Las dos versiones de Qt probadas en PC también fueron compiladas para el acompañante. Para lograr esto fue necesario realizar modificaciones en algunos archivos fuente y compilar la librería TSLIB para calibrar y activar el touchscreen. Figura.Aplicaciones de Qt corriendo en el Acompañante Digital Móvil. 4. Resultados Experimentales En esta sección se presentan algunos resultados obtenidos para cada una de las plataformas portadas en el acompañante móvil. Se evaluó el consumo de potencia, el desempeño y la utilización del espacio de memoria. Para las pruebas se utilizó el sistema de desarrollo i.mxllitekit de Freescale [14]. El sistema consta de un procesador MC938MXL con un core ARM90 y dispone de varios recursos: 64MB de memoria SDRAM, 8MB de memoria Flash, LCD TFT con touchscreen, un controlador ethernet de 10Mbps, puerto de expansión de memoria SD/MMC y puerto Compact Flash. Sobre el procesador corre un kernel Linux.6.11.4 y un sistema de archivos reducido ambos desarrollados por Microcross [15]. Todas las librerías y aplicaciones necesarias para la implementación de las plataformas en el sistema i.mxl son ejecutadas desde una memoria SD de 65MB marca Kingston. 4.1. Espacio requerido en memoria Cada una de las plataformas que fueron evaluadas requiere librerías y aplicaciones tipo servidor para ejecutarse sobre el dispositivo móvil. En la Tabla 1 se muestra el espacio requerido en memoria por cada plataforma en su configuración básica. Como se puede observar, Nano-X es la plataforma que menos espacio en memoria utiliza. Es importante destacar, que al adicionar soporte para manejo de diferentes tipos de gráficos como JPEG, PNG, u otros tipos de fuentes, la cantidad y el tamaño de las librerías se incrementa.
Plataforma Espacio Observaciones requerido Nano-X 616KB El tamaño incluye el servidor de ventanas (nano- X) y las librerías MiniGui 6,6MB El tamaño incluye el servidor de ventanas (mginit) y las librerías Qt/Embedded 3MB En el caso del Qt la primera aplicación ejecuta el servidor de ventanas Tabla1.Espacio requerido en memoria por las diferentes plataformas. 4.. Medidas de desempeño Con el propósito de evaluar las plataformas, se diseño una aplicación que consiste en una ventana de fondo gris claro en la que se dibujó 10000 cuadrados de 00x00 pixeles, variando el color desde el blanco hasta el negro pasando por toda la gama de grises. Para medir el desempeño se utilizó la función clock que hace parte de la librería time.h y calcula el tiempo transcurrido desde que comienza la ejecución de la aplicación hasta el momento en que se invoca la función. La Tabla 3 presenta los resultados obtenidos.; de acuerdo a esta información, se concluye que Qt/Embedded es aproximadamente 3 veces más rápida que las otras dos plataformas al ejecutar la aplicación de prueba. Plataforma Tiempo (segundos) Nano-X 43seg MiniGui 47seg Qt/Embedded 15seg Tabla 3.Medidas de desempeño de las plataformas. 4.3. Consumo de potencia El equipo utilizado para medir consumo de potencia promedio fue un multímetro 34401A marca Hewlett Packard conectado a través de la interfaz serial a un PC con Microsoft Windows XP. El software usado para la captura y el procesamiento de los datos es el Intuilink de Agilent. Este instrumento se usó para medir la corriente consumida por el sistema de desarrollo. La fuente proporciona un voltaje de alimentación constante de 1V. La corriente es muestreada a una tasa de Hz. Las gráficas que se muestran en esta sección representa el consumo de potencia a lo largo del tiempo. En la Figura 3 se muestran los resultados parciales obtenidos para Nano-X. Como se puede observar, el consumo promedio de la aplicación de prueba es de 350 mw (Consumo promedio durante la ejecución menos el consumo promedio antes de la ejecución de la aplicación). En la Figura 4 se muestran los resultados parciales obtenidos para MiniGui. El consumo de potencia presentado por la aplicación ejecutada sobre esta plataforma varía notoriamente en un estrecho rango de 300 mw hasta 340 mw. La toma de muestras fue realizada varias veces con el fin de eliminar la posibilidad de que la variación se debiera a causas externas, sin embargo siempre mostró el mismo comportamiento. Es posible que estas variaciones se deban al procesamiento interno que utiliza MiniGui. Potencia (w),,1 Consumo de Potencia (MicroWindows) 0,00 10,00 0,00 30,00 40,00 50,00 Tiempo (s) Figura 3.Consumo de potencia vs tiempo de ejecución de Microwindows (Nano-X). En la Figura 5 se muestran los resultados obtenidos para Qt/Embedded cuando la aplicación es ejecutada. Se puede observar la presencia de un pico de potencia de 90 mw el cual dura un corto tiempo y posiblemente se deba a la carga de las librerías necesarias para la ejecución de la aplicación. Después de este evento, el consumo de potencia presentado por la ejecución de la aplicación permanece constante en 0 mw Potencia(w),15,1,05 5 5 5 Consumo de Potencia (Minigui) 0,00 10,00 0,00 30,00 40,00 50,00 Tiempo(s) Figura 4 Consumo de potencia vs tiempo de ejecución de MiniGui.
Un análisis comparativo de los datos y las gráficas permite concluir que Qt/Embedded es la plataforma con un menor consumo de potencia respecto a las otras dos. En general Qt muestra un consumo del orden de 130 mw menos que el consumo promedio de potencia del Nano-X y entre 80 mw y 10 mw menos que el consumo para MiniGui. Potencia (w),05 5 5 5 Potencia Consumida (QT Embedded) 0,00 5,00 10,00 15,00 0,00 5,00 30,00 Tiempo (s) Figura 5 Consumo de potencia vs tiempo de ejecución de Qt/Embedded. De acuerdo a los resultados obtenidos al evaluar las tres plataformas con relación al consumo de potencia y el desempeño, la mejor es Qt/Embedded a pesar del gran tamaño de las librerías. Por lo tanto queda como trabajo futuro la reducción del espacio utilizado en memoria mediante la configuración small (mínima) y realizar los cambios necesarios en el navegador konqueror-embedded para que trabaje sobre la versión reducida de la plataforma. 7. Referencias [1] L. Zhong and N.K. Jha, Graphical User Interface Energy Characterization for Handheld Computers, Proceedings of the 003 international cinference on compilers, architectures amd synthesis for embedded systems, October 003. [] I. Choi, H. Shim, and N. Chang. Low-power color TFT LCD display for handheld embedded systems. In Proc. Int. Symp. Low Power Electronics & Design, pages 11 117, Aug. 00. [3] Microwindows http://www.microwindows.org [4] MiniGui http://www.minigui.org [5] Qt/Em,bedded http://www.trolltech.com [6] E. Tamminen, Building an international embedded GUI platform from Microwindows /FLNX, Marzo 00 [7] X.D, Yang and C-Hong Chang, Bluetooth Enabled Embedded Linux, Center for High Performance Embedded Systems Nanyang Technological University [8] Century Sofware. http://www.censoft.com/index.html [9] Beijing Feynman Software Technology Co., Ltd. MiniGui User Manual - MiniGUI V1.6.x (Version 1.6.8 and later)" Oct. 005 [10]Feynman Software Technology http://www.minigui.com/ [11] G. Prieto, Metodología para el desarrollo de aplicaciones en la plataforma: Linux PDA, Tesis de Maestría, Universidad Anáhuac, México. Enero 005 [1] J. Mehta, Qt/Embedded Features My Perspective. Jan 0, 00. [13] http://microe.udea.edu.co/~monica [14] Freescale Semiconductor, Inc. MC938MXL i.mx Integrated Portable System Processor Reference Manual, Agosto 004. http://www.freescale.com [15] Microcross. http://www.microcross.com 5. Conclusiones Las diferentes restricciones tecnológicas de los dispositivos móviles implican un cambio de enfoque en el diseño de plataformas y aplicaciones, para interfaces gráficas de usuario; hasta el momento, muchas de ellas se construyen basándose en sus similares para PCs de escritorio, donde los recursos son menos limitados. Por lo tanto el objetivo de las nuevas generaciones de plataformas para el desarrollo de interfaces gráficas es aplicar diferentes técnicas que contribuyan a disminuir consumo de potencia y aumentar el desempeño de dichas aplicaciones. 6. Agradecimientos Los autores agradecen a la Universidad de Antioquia y a COLCIENCIAS bajo convenio 385-004 por el apoyo brindado para llevar a cabo este trabajo.