linux GUI 如何在最低级别工作？

Question

我基本上是想弄清楚如何从头开始制作一个 GUI，除了 linux 内核和 C 编程之外什么都没有。

我不打算从头开始创建 GUI 桌面环境，但我想创建一些桌面应用程序，并且在我搜索知识的过程中，我能找到的所有信息都是关于 GUI API 和工具包的。我想知道，至少我对 Linux GUI 是如何制作的基本原理的理解，如何在不使用任何 API 或工具包的情况下制作 GUI 环境或 GUI 应用程序。

我想知道例如：

1. 现有的 API 和工具包通过对内核的系统调用工作（内核负责在最低级别以像素或其他方式构建 GUI 图像）

2. 这些工具包执行简单地将信息传递给屏幕驱动程序的系统调用（是否有发送所有屏幕驱动程序都遵守的信息的标准格式，或者 GUI API 是否需要能够根据特定的屏幕/驱动程序以多种格式输出此信息？ ) 并且如果这大致正确，原始的 linux 内核是否通常只以 8 位字符的形式将信息发送到屏幕？

我真的很想了解 linux 内核之间发生了什么，以及我在屏幕上看到的内容（通过软件和硬件的控制/信息流，如果您知道，信息采用什么格式等）。我非常感谢详细的解释，我知道这可能很难解释得足够详细，但我认为这样的解释对于其他好奇和学习的人来说将是一个很好的资源。对于上下文，我是一名 3 年级的 Comp sci 学生，他最近开始在我的系统编程课程中使用 C 进行编程，并且我对 linux 和编程有中级（或者我会描述它）的理解。再次感谢所有帮助我的人！！！

Answer 1

工作原理 (Gnu/Linux + X11)

概述

它看起来像这样（不按比例绘制）

?????????????????????????????????????????????????
?                       User                    ?
?     ???????????????????????????????????????????
?     ?             Application                 ?
?     ?            ??????????????????????????????
?     ?            ?      ... ? SDL ? GTK ? QT  ?
?     ?            ??????????????????????????????
?     ?            ?            xLib            ?
?     ?            ??????????????????????????????
???????????????????????         X11             ?
?   Gnu   ? Libraries ?        Server           ?
?   Tools ?           ?                         ?
???????????           ?                         ? 
???????????????????????                         ?
?   Linux (kernel)    ?                         ?
?????????????????????????????????????????????????
?                    Hardware                   ?
?????????????????????????????????????????????????

我们从图中可以看出 X11 主要与硬件对话。然而，它需要通过内核进行通信，以最初访问该硬件。

我对细节有点模糊（我认为自从我上次调查以来它发生了变化）。有一个设备/dev/mem可以访问整个内存（我认为是物理内存），因为大多数图形硬件都是内存映射的，这个文件（见一切都是文件）可以用来访问它。X11 会打开文件（内核使用文件权限来查看它是否可以这样做），然后 X11 使用mmap将文件映射到虚拟内存（使其看起来像内存），现在内存看起来像内存。之后mmap，不涉及内核。

X11 需要了解各种图形硬件，因为它通过内存直接访问它。

（这可能会发生变化，特别是安全模型，可能不再允许访问所有内存。）

Linux

底层是 Linux（内核）：系统的一小部分。它提供对硬件的访问，并实现安全性。

牛牛

然后是 Gnu（库；bash；工具：ls 等；C 编译器等）。大多数操作系统。

X11 服务器（egxorg）

然后是 X11（或 Wayland，或 ...），基本 GUI 子系统。这运行在用户空间（内核之外）：它只是另一个进程，具有一些特权。内核不参与，除了提供对硬件的访问。并提供进程间通信，让其他进程可以与X11服务器进行对话。

X11库

允许您为 X11 编写代码的简单抽象。

图形用户界面库

下一个是诸如 qt、gtk、sdl 之类的库——它们使 X11 的使用更容易，并且可以在其他系统上工作，例如 Wayland、Microsoft 的 Windows 或 MacOS。

应用

应用程序位于库之上。

一些低级入口点，用于编程

库

使用 xlib 是了解 X11 的好方法。但是，请先阅读有关 X11 的一些信息。

SDL

SDL 将为您提供低级访问权限，直接访问位平面供您直接绘制。

走低

如果你想降低，那么我不确定当前有哪些好的选择，但这里有一些想法。

• 获得一个旧的 Amiga 或模拟器。还有一些很好的文档。例如https://archive.org/details/Amiga_System_Programmers_Guide_1988_Abacus/mode/2up（我有 2 本书，这本和类似的）。
• 看看在树莓派上可以做什么。我没有研究过这个。

链接

X11

https://en.wikipedia.org/wiki/X_Window_System

现代方式

写这个引起了我的兴趣，所以我看看现代快速的方法是什么。以下是一些链接：

https://blogs.igalia.com/itoral/2014/07/29/a-brief-introduction-to-the-linux-graphics-stack/

Answer 2

ctrl-alt-delor 的回答为您提供了总体架构的良好概述。对于更实际的方法，我给你一个关于“除了 linux 内核和 C 编程”的答案。

我喜欢时不时地直接写入帧缓冲区。帧缓冲设备驱动程序将为您完成所有乏味的接近硬件的“这将如何最终出现在屏幕上”的事情。您可以立即使用 root shell 执行此操作：

echo -n -e '\x00\x00\xFF' > /dev/fb0

它将我的 32 位帧缓冲区上的第一个（左上角）像素设置为红色：

您可以通过打开 /dev/fb0 并写入字节从 C 中完全做到这一点。内存映射可以成为你的朋友。这仅适用于没有 X 服务器或在虚拟控制台中的情况。按 Ctrl+Alt+F1 访问它。

PS：将鼠标移动等随机数据可视化也很有趣：

cat /dev/input/mouse0 > /dev/fb0

PPS：还请注意，几乎所有真实世界的桌面应用程序都希望更直接地访问硬件以获取一些奇特的东西，例如绘图、3D 和视频渲染的硬件加速。简单的帧缓冲设备不能很好地完成这些工作。

Answer 3

我强烈建议从ncurses开始。

与更复杂的图形系统不同，它完全基于文本，因此无需陷入屏幕驱动程序和图形库的细节中。然而，将窗口放在屏幕上、在窗口之间移动焦点等基本原则仍然适用。而且您仍然可以在单个字符块和 ASCII 艺术级别进行一些绘图。

当然，您仍然在库之上构建它，但它是一个您可以轻松理解的库。更重要的是，它是一个库，其中的源代码是免费提供的，文档相当齐全，如果您想阅读它也不会太难理解。如果你愿意，你甚至可以自己修改它。或者您可以查看其中的所有库函数以找到 API 需要的内容，然后根据该设计自己从头开始编写。