モノによって異なります。組み込みだからといってXが使われないわけではありません。
- 通常のX+ウィンドウマネージャの構成だが、アプリケーション自体またはウィンドウマネージャのキオスクモード的な機能により1ウインドウに見せかけているもの
- Xで動くが、ウィンドウマネージャを使わないもの
- Xを使わずに、Linuxのフレームバッファのような、OSのグラフィックス抽象レイヤを操作するもの
- グラフィクスハードウェアを直接または専用のライブラリ経由などで操作するもの
上の方が高機能でできることは増えますが要求するリソース(プロセッサのパフォーマンス、消費電力、メモリ、フットプリント、その他)は大きくなります。逆の見方をすると、リソースに余裕があるなら上の方のやり方を選択するほうが(一般には)簡単です。
リソースが限られている場合(または、リソースをギリギリまで使うためにオーバーヘッドを排したい場合)は必然的に下の方を選択せざるを得ないことになります。
また、Qtのように、2.3.の違いをある程度隠蔽してくれるGUIツールキットを使うことで、開発段階ではXで動かし、実機ではXなしということもあります。
あと、
起動時にGNOMEやMATE、XFCEのようなX Windowデスクトップは見えないですが、Xウィンドウマネージャー上に描画しているのでしょうか?
ここは若干誤解があるように思います。
Xのウィンドウマネージャは、アプリケーションに対しては(すごく大雑把に言うと)枠をつけているだけです。アプリケーションの中身の描画はウインドウマネージャではなくXのレイヤで行われています。なので、ウインドウマネージャをすげ替えても動くわけです。
それともXlibの上、もしくはX.org上に直接描画しているのでしょうか。
組み込みかどうかは関係なく、X.orgを直接操作する(=自前でXプロトコルをしゃべる)アプリケーションというのはほぼなく、Xlibやさらに上位のライブラリ経由です。