嵌入式系統(tǒng)的人機(jī)界面原型設(shè)計(jì)策略

時(shí)間：2020-01-05作者：西安森瑟斯傳感器有限責(zé)任公司瀏覽：1068

在目標(biāo)硬件完成之前實(shí)現(xiàn)對(duì)人機(jī)界面的仿真，需要設(shè)計(jì)工程師在PC機(jī)上用軟件構(gòu)建人機(jī)界面原型。本文針對(duì)構(gòu)建人機(jī)界面原型時(shí)所采用的工具語(yǔ)言和代碼編寫風(fēng)格，以及不同語(yǔ)言編寫的文件之間的接口問(wèn)題進(jìn)行了分析，對(duì)仿真設(shè)計(jì)人員有較好的指導(dǎo)作用。

構(gòu)建一個(gè)人機(jī)界面原型能夠幫助設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)早期理解接口對(duì)設(shè)計(jì)的要求和接口的可用性。下面將探討一種當(dāng)目標(biāo)硬件還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)時(shí)，在PC機(jī)上構(gòu)建人機(jī)界面原型的方法。構(gòu)建這類原型的主要目的有二。

1. 使同一個(gè)設(shè)計(jì)組中的其他成員能夠看到該設(shè)備的工作過(guò)程。當(dāng)我們?cè)诩埳显O(shè)計(jì)一臺(tái)交互式設(shè)備時(shí)，要判斷設(shè)計(jì)中所描述的交互性能否實(shí)際實(shí)現(xiàn)，需要很大的想象力。而如果構(gòu)建一個(gè)工作原型，就會(huì)使情況清晰許多，并且允許更多的旁觀者來(lái)評(píng)論正在計(jì)劃中的接口設(shè)計(jì)得怎樣。很多時(shí)候，用接口原型進(jìn)行試驗(yàn)，還能幫助設(shè)計(jì)工程師決定真正設(shè)計(jì)出的硬件需要多少按鈕、多少LED、多少數(shù)字顯示器或文本顯示器。

2. 當(dāng)硬件沒(méi)有工作時(shí)，利用接口原型來(lái)為人機(jī)界面編寫軟件。為達(dá)到這一目的，出現(xiàn)在PC顯示器上的接口原型**采用C、C++或者其它適用于嵌入式開(kāi)發(fā)的語(yǔ)言來(lái)控制。對(duì)于其它部分，則可以假設(shè)C是用于較終目標(biāo)硬件的語(yǔ)言。

然后大概考慮一下需要仿真的是哪部分軟件。在較簡(jiǎn)單的情況下，軟件可用來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉一個(gè)LED，或者向一個(gè)小型字符顯示器輸出一個(gè)字符串。控制人機(jī)界面上的物理元件只是一項(xiàng)很普通的功能，所以能夠在PC機(jī)上編寫這種軟件的優(yōu)點(diǎn)是微不足道的。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)一個(gè)LED可能只需要一行代碼，在一個(gè)LCD文本顯示器上顯示一個(gè)文本字符串也只需要調(diào)用一個(gè)10行或20行的函數(shù)。

真正困難的是如何編寫軟件來(lái)決定究竟是打開(kāi)LED還是關(guān)閉LED，以及決定顯示什么字符串。例如，當(dāng)一個(gè)被測(cè)傳感器的值持續(xù)**過(guò)警戒線一段時(shí)間，而一組使警戒有效的條件也滿足了之后，軟件也許應(yīng)選擇打開(kāi)LED。再如，當(dāng)用戶按下一個(gè)按鈕來(lái)選擇菜單中的下一項(xiàng)時(shí)，軟件也許應(yīng)查閱一個(gè)描述該菜單的字符串表和操作表，以決定下一個(gè)顯示的應(yīng)該是哪一項(xiàng)。這種控制菜單之類的軟件，其代碼長(zhǎng)度就會(huì)**過(guò)底層軟件。

在本例中，我們的目的是編寫一個(gè)文本顯示和LED控制的仿真軟件，以表示PC機(jī)屏幕的變化。我們可以編寫警戒檢查代碼和菜單控制代碼，使其既能運(yùn)行在PC機(jī)上，又能運(yùn)行在目標(biāo)設(shè)備上。

這種仿真的方法并不新穎。但在為諸如PDA和游戲機(jī)之類并沒(méi)有自己的開(kāi)發(fā)環(huán)境的目標(biāo)設(shè)備上編寫軟件時(shí)，通常需要用到這種方法。

編寫仿真軟件所需的工具

用Visual Basic在PC機(jī)上顯示幾個(gè)按鈕和兩行文本并不困難，但當(dāng)將該原型與C代碼接口時(shí)，就會(huì)顯得十分麻煩。

如今有許多針對(duì)嵌入式開(kāi)發(fā)的原型編寫工具，用這些工具往往會(huì)迫使設(shè)計(jì)工程師依賴于它們的事件模型，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)多地依賴這些工具。如果設(shè)計(jì)工程師遵從它們的接口設(shè)計(jì)風(fēng)格，那么這些工具確實(shí)可以產(chǎn)生代碼，但它們并不是對(duì)所有平臺(tái)都具備足夠的靈活度，而且它們產(chǎn)生的代碼可能并不適合小型的微控制器。

我所采用的工具是Borland C++(后面將簡(jiǎn)寫為CPB)。Borland C++并不是專門配合嵌入式系統(tǒng)的軟件編寫工具，但我發(fā)現(xiàn)它非常適合設(shè)計(jì)的需要，而且采用Borland C++不會(huì)將設(shè)計(jì)束縛在任何一個(gè)處理器或者任何一種軟件結(jié)構(gòu)上。

CPB中有一組預(yù)定義的圖形組件，其*多數(shù)并非針對(duì)嵌入式項(xiàng)目，而是針對(duì)桌面應(yīng)用(類似下拉菜單)。但還是有一個(gè)小的子組件可用于我們本文所述的目的。象LED這樣的UI元素就可以用圖像來(lái)仿真。

CPB有三種版本：標(biāo)準(zhǔn)版、**版和企業(yè)版。對(duì)于我們將要討論的接口而言，標(biāo)準(zhǔn)版已經(jīng)足夠。

按鈕、滑動(dòng)塊、標(biāo)簽和其它UI元素均可通過(guò)drag-and-drop環(huán)境插入一個(gè)表格(一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)話窗口)中去。產(chǎn)生一個(gè)這樣的表格就會(huì)生成一個(gè)C++類的框架。例如，每當(dāng)用戶點(diǎn)擊一個(gè)圖像或移動(dòng)一個(gè)滑動(dòng)塊時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一組事件，而該表格中的每個(gè)元素都有這樣一組事件與其對(duì)應(yīng)。究竟需要對(duì)哪些事件作出反映則由程序員來(lái)選擇。這些響應(yīng)就被寫成該表格所產(chǎn)生的類的成員函數(shù)。

如果**板是由一個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)小組設(shè)計(jì)的，那么就會(huì)有整個(gè)顯示圖像可供利用。或者如果物理原型已經(jīng)存在，那么一幅該物理原型的數(shù)字相片就可以用來(lái)作為背景。

我采用圖像目標(biāo)(在CPB內(nèi)也叫作Timage)來(lái)顯示大多數(shù)物理元件。因?yàn)椴捎昧藞D像目標(biāo)就可以引入位圖，然后進(jìn)行顯示。例如可以引入一個(gè)發(fā)光二極管的圖像。在該應(yīng)用中，顯示了一個(gè)包含5個(gè)按鈕和4個(gè)LED的接口原圖，如圖1所示。背景圖像中LED處于關(guān)斷狀態(tài)。一旦軟件決定其中的一個(gè)LED應(yīng)打開(kāi)，那么這個(gè)發(fā)光LED圖像的可見(jiàn)屬性就被設(shè)為真，于是點(diǎn)亮的LED的圖像就覆蓋了不亮的LED圖像。

有了這種簡(jiǎn)單的重疊多幅圖像的訣竅，我們就可以仿真一個(gè)物理顯示屏的其它部分。例如，假設(shè)我們采用CPB IDE來(lái)創(chuàng)建一個(gè)包含單詞“ALARM”的標(biāo)注，并將這一元素命名為AlarmIndicator，那么我們就可以編寫一個(gè)函數(shù)來(lái)控制它：

void setAlarmState(Boolean state)
{
PanelForm->AlarmIndicator
->Visible = state;
}

面板表格中包含了我們仿真時(shí)所用到的所有圖形對(duì)象。Alarm-Indicator就是我們將一個(gè)標(biāo)簽放到面板表格上之后為其分配的名字。當(dāng)我們將該標(biāo)簽通過(guò)拖拽到表格窗口中的方式加入該表格時(shí)，它就成為了該表格的一個(gè)數(shù)據(jù)成員。

在CPB中，顯示屏上的一個(gè)元素的所有屬性都可以作為表征該元素的類的公共數(shù)據(jù)成員。因此，Visible屬性只需進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的分配操作就能改變。公共數(shù)據(jù)成員可以在程序中的任何地方通過(guò)分配而改變。在CPB中，各屬性也有其特殊狀態(tài)，允許在IDE中通過(guò)該狀態(tài)改變屬性。**可以點(diǎn)擊一個(gè)標(biāo)注，并在屬性窗口設(shè)置Visible屬性。顯示的顏色和字體也可以通過(guò)類似的方法改變。

現(xiàn)在來(lái)看一個(gè)setAlarmState()程序，該程序用于驅(qū)動(dòng)基于CPB的仿真。以下代碼為CPB**代碼，在較終的目標(biāo)上無(wú)法運(yùn)行。不用多久，我們將不得不為目標(biāo)接口編寫該函數(shù)的另一個(gè)版本，形式如下：

void setAlarmState(Boolean state)
{
if (state)
{
ledRegister |= 0x02;
}
else
{
ledRegister &= ~0x02;
}
}

有時(shí)，編程的風(fēng)格會(huì)導(dǎo)致一些小函數(shù)造成函數(shù)調(diào)用開(kāi)銷。在較小的系統(tǒng)中這一問(wèn)題較受關(guān)注，而這些函數(shù)中有一些可以寫成宏或者內(nèi)聯(lián)(inline)函數(shù)。我通常只在項(xiàng)目的最后階段才開(kāi)始進(jìn)行這類優(yōu)化。

代碼的組織

如果我們已經(jīng)編寫了兩個(gè)版本的setAlarm-State()函數(shù)，那么我們****一次只編譯其中的一個(gè)。要達(dá)到這一目的，一種方法是一直采用CPB代碼，直到目標(biāo)硬件設(shè)計(jì)好之后，再用目標(biāo)**的代碼代替其中所有CPB**的代碼。如果我們這樣做，那么在我們開(kāi)始目標(biāo)硬件的開(kāi)發(fā)工作之后，就無(wú)法再運(yùn)行仿真了。讀者可能認(rèn)為這不是什么問(wèn)題，但事實(shí)上，即使硬件設(shè)計(jì)好之后，仿真也是有用的。

例如，仿真中基于PC的調(diào)試環(huán)境往往就比目標(biāo)硬件的開(kāi)發(fā)環(huán)境要好。因?yàn)槟繕?biāo)硬件的下載速度可能較慢，或者每次修改軟件都**重新燒錄一塊一次性可編程芯片。而且目標(biāo)硬件的調(diào)試環(huán)境中可能也不支持單步調(diào)試和斷點(diǎn)調(diào)試。即使目標(biāo)硬件的調(diào)試環(huán)境較好，相對(duì)而言，PC仿真還是有其它優(yōu)勢(shì)。**可以將.exe文件通過(guò)電子郵件發(fā)送給不在同一工作地點(diǎn)的工作伙伴，以獲得他們的反饋信息。

一旦**決定要在整個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)周期中同時(shí)保留兩個(gè)版本的函數(shù)，那么分隔它們就很*。在CPB中的Project/Options下，可以定義宏。我通常會(huì)定義USING_CPB，然后在我的源代碼中，利用一個(gè)#ifdef來(lái)區(qū)分不同的函數(shù)版本。另一種區(qū)分函數(shù)版本的方法就是將目標(biāo)代碼和仿真代碼存放在不同的文件中，但讓二者共享同一個(gè)頭文件，以**二者采用同樣一組函數(shù)標(biāo)記。

CPB環(huán)境是基于C++的一種環(huán)境，但許多嵌入式目標(biāo)幾乎都不支持C。這時(shí)，**只能采用共享代碼中由交叉編譯器所支持的C++子集，這其實(shí)并沒(méi)有想象中的困難。解決該問(wèn)題的方法之一就是針對(duì)嵌入式目標(biāo)來(lái)編譯代碼，即使當(dāng)前并沒(méi)有硬件可以運(yùn)行這些代碼。這時(shí)那些在PC機(jī)上可用的而在目標(biāo)硬件上則可能屬于非法的特性就顯得**起來(lái)。例如，有些較小型的處理器就不支持遞歸。同時(shí)，在嵌入式編譯器上檢查軟件，還能**地在程序中標(biāo)出那些偶然被包含進(jìn)目標(biāo)可執(zhí)行文件中的CPB**代碼。我本人就發(fā)覺(jué)這種方法在跟蹤軟件的大小時(shí)非常有用，因?yàn)?/span>CPB庫(kù)過(guò)于龐大，會(huì)*扭曲程序的大小，所以PC機(jī)中進(jìn)行編譯時(shí)給出的軟件大小并不真實(shí)。

這里采用了三種類型的代碼。其中有些屬于CPB**代碼，只能在PC機(jī)上編譯；有些屬于目標(biāo)**代碼，只能在目標(biāo)上編譯；而其它的則屬于公共代碼，應(yīng)該既能在PC機(jī)平臺(tái)上運(yùn)行，也能在目標(biāo)平臺(tái)上運(yùn)行。在理想情況下，每個(gè)源文件應(yīng)該都只包含一種類型的代碼。設(shè)計(jì)工程師的IDE或makefile應(yīng)允許其選擇在每次創(chuàng)建可執(zhí)行文件時(shí)需要包含哪些文件。

建議在命名文件時(shí)，將所有CPB**的文件命名為.cpp文件，所有目標(biāo)**的文件和共享文件均取.c為擴(kuò)展名。那么在目標(biāo)環(huán)境中編譯時(shí)，就只需編譯擴(kuò)展名為.c的文件，而不編譯擴(kuò)展名為.cpp的文件。

如果設(shè)計(jì)工程師遵循以上風(fēng)格，那么在CPB環(huán)境中編譯時(shí)還會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題。CPB環(huán)境將.c文件假設(shè)為C代碼編寫的文件，而將.cpp文件假設(shè)為C++代碼編寫的文件。當(dāng)從一個(gè)文件到另一個(gè)文件發(fā)生調(diào)用時(shí)，將會(huì)因 C++產(chǎn)生破損函數(shù)名的方式不同而產(chǎn)生鏈接錯(cuò)誤。我們可以通過(guò)采用“extern C”構(gòu)造來(lái)回避這個(gè)問(wèn)題。但這樣有點(diǎn)麻煩，尤其當(dāng)調(diào)用發(fā)生在從C到C++或從C++到C時(shí)?？梢詾?/span>Borland編譯器設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，告訴它，不論文件名的后綴是什么，均將其作為C++文件來(lái)編譯。遺憾的是IDE中沒(méi)有這樣的標(biāo)志。于是我們只能手工編輯項(xiàng)目配置文件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。

代碼舉例

讀者可以在/cpb 處找到一個(gè)可執(zhí)行文件five.exe，文件中包含一行5個(gè)按鈕和一組LED。按下前4個(gè)按鈕中的任何一個(gè)都會(huì)打開(kāi)相應(yīng)的一個(gè)LED。*5個(gè)按鈕是RESET(復(fù)位)按鈕，按下該按鈕會(huì)關(guān)斷所有LED。 當(dāng)然，在構(gòu)造這樣一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，并不需要進(jìn)行仿真。但該例旨在說(shuō)明，只要具備初始的接口界面圖象，那么仿真時(shí)，只需稍作努力就可得到與真實(shí)設(shè)備看起來(lái)相似的運(yùn)行結(jié)果。同時(shí)，該例還說(shuō)明，key.c模塊中包含的代碼既可在目標(biāo)環(huán)境中運(yùn)行，也可在仿真環(huán)境中運(yùn)行，而且該代碼不會(huì)因目標(biāo)環(huán)境和仿真環(huán)境這兩種平臺(tái)之間的差異而需要任何條件代碼才能運(yùn)行。用于構(gòu)造該應(yīng)用的所有源代碼和初始位圖均可從該站點(diǎn)下載。

建立類似的仿真需要設(shè)計(jì)工程師具備一定的C++知識(shí)，學(xué)習(xí)CPB開(kāi)發(fā)環(huán)境也需要一定的過(guò)程，當(dāng)設(shè)計(jì)工程師**用過(guò)這種面向?qū)ο蟮氖录?qū)動(dòng)環(huán)境時(shí)尤其如此。然而只要建立起一個(gè)仿真，那么其它工作只需按相同的步驟進(jìn)行即可。設(shè)計(jì)工程師如果曾編寫過(guò)基于PC的程序，而且程序中用到了GUI，那么這一經(jīng)驗(yàn)會(huì)有助于對(duì)CPB的學(xué)習(xí)。我過(guò)去就曾利用這樣一個(gè)程序來(lái)完成過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的下載應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)與嵌入式目標(biāo)的串行通信。

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