嵌入式系統(tǒng)的人機(jī)界面原型設(shè)計(jì)策略

時間：2020-01-05作者：西安森瑟斯傳感器有限責(zé)任公司瀏覽：1064

在目標(biāo)硬件完成之前實(shí)現(xiàn)對人機(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。本文針對構(gòu)建人機(jī)界面原型時所采用的工具語言和代碼編寫風(fēng)格，以及不同語言編寫的文件之間的接口問題進(jìn)行了分析，對仿真設(shè)計(jì)人員有較好的指導(dǎo)作用。

構(gòu)建一個人機(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，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. 使同一個設(shè)計(jì)組中的其他成員能夠看到該設(shè)備的工作過程。當(dāng)我們在紙上設(shè)計(jì)一臺交互式設(shè)備時，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)建一個工作原型，就會使情況清晰許多，并且允許更多的旁觀者來評論正在計(jì)劃中的接口設(shè)計(jì)得怎樣。很多時候，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)硬件沒有工作時，利用接口原型來為人機(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發(fā)的語言來控制。對于其它部分，則可以假設(shè)C是用于較終目標(biāo)硬件的語言。

然后大概考慮一下需要仿真的是哪部分軟件。在較簡單的情況下，軟件可用來打開或關(guān)閉一個LED，或者向一個小型字符顯示器輸出一個字符串?？刂迫藱C(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_關(guān)一個LED可能只需要一行代碼，在一個LCD文本顯示器上顯示一個文本字符串也只需要調(diào)用一個10行或20行的函數(shù)。

真正困難的是如何編寫軟件來決定究竟是打開LED還是關(guān)閉LED，以及決定顯示什么字符串。例如，當(dāng)一個被測傳感器的值持續(xù)**過警戒線一段時間，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LED。再如，當(dāng)用戶按下一個按鈕來選擇菜單中的下一項(xiàng)時，軟件也許應(yīng)查閱一個描述該菜單的字符串表和操作表，以決定下一個顯示的應(yīng)該是哪一項(xiàng)。這種控制菜單之類的軟件，其代碼長度就會**過底層軟件。

在本例中，我們的目的是編寫一個文本顯示和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)之類并沒有自己的開發(fā)環(huán)境的目標(biāo)設(shè)備上編寫軟件時，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，就會顯得十分麻煩。

如今有許多針對嵌入式開發(fā)的原型編寫工具，用這些工具往往會迫使設(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，但它們并不是對所有平臺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++不會將設(shè)計(jì)束縛在任何一個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)并非針對嵌入式項(xiàng)目，而是針對桌面應(yīng)用(類似下拉菜單)。但還是有一個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仿真。

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

按鈕、滑動塊、標(biāo)簽和其它UI元素均可通過drag-and-drop環(huán)境插入一個表格(一個簡單的對話窗口)中去。產(chǎn)生一個這樣的表格就會生成一個C++類的框架。例如，每當(dāng)用戶點(diǎn)擊一個圖像或移動一個滑動塊時，都會產(chǎn)生一組事件，而該表格中的每個元素都有這樣一組事件與其對應(yīng)。究竟需要對哪些事件作出反映則由程序員來選擇。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**板是由一個工業(yè)設(shè)計(jì)小組設(shè)計(jì)的，那么就會有整個顯示圖像可供利用?；蛘呷绻锢碓鸵呀?jīng)存在，那么一幅該物理原型的數(shù)字相片就可以用來作為背景。

我采用圖像目標(biāo)(在CPB內(nèi)也叫作Timage)來顯示大多數(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。例如可以引入一個發(fā)光二極管的圖像。在該應(yīng)用中，顯示了一個包含5個按鈕和4個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LED應(yīng)打開，那么這個發(fā)光LED圖像的可見屬性就被設(shè)為真，于是點(diǎn)亮的LED的圖像就覆蓋了不亮的LED圖像。

有了這種簡單的重疊多幅圖像的訣竅，我們就可以仿真一個物理顯示屏的其它部分。例如，假設(shè)我們采用CPB IDE來創(chuàng)建一個包含單詞“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函數(shù)來控制它：

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

面板表格中包含了我們仿真時所用到的所有圖形對象。Alarm-Indicator就是我們將一個標(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)簽通過拖拽到表格窗口中的方式加入該表格時，它就成為了該表格的一個數(shù)據(jù)成員。

在CPB中，顯示屏上的一個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)行一個簡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中通過該狀態(tài)改變屬性。**可以點(diǎn)擊一個標(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類似的方法改變。

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

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

有時，編程的風(fēng)格會導(dǎo)致一些小函數(shù)造成函數(shù)調(diào)用開銷。在較小的系統(tǒng)中這一問題較受關(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)編寫了兩個版本的setAlarm-State()函數(shù)，那么我們****一次只編譯其中的一個。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，那么在我們開始目標(biāo)硬件的開發(fā)工作之后，就無法再運(yùn)行仿真了。讀者可能認(rèn)為這不是什么問題，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，相對而言，PC仿真還是有其它優(yōu)勢。**可以將.exe文件通過電子郵件發(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**決定要在整個項(xiàng)目的開發(fā)周期中同時保留兩個版本的函數(shù)，那么分隔它們就很*。在CPB中的Project/Options下，可以定義宏。我通常會定義USING_CPB，然后在我的源代碼中，利用一個#ifdef來區(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，**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)并沒有想象中的困難。解決該問題的方法之一就是針對嵌入式目標(biāo)來編譯代碼，即使當(dāng)前并沒有硬件可以運(yùn)行這些代碼。這時那些在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。例如，有些較小型的處理器就不支持遞歸。同時，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)覺這種方法在跟蹤軟件的大小時非常有用，因?yàn)?/span>CPB庫過于龐大，會*扭曲程序的大小，所以PC機(jī)中進(jìn)行編譯時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)平臺上運(yùn)行，也能在目標(biāo)平臺上運(yùn)行。在理想情況下，每個源文件應(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)行文件時需要包含哪些文件。

建議在命名文件時，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，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)境中編譯時還會遇到一個問題。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)從一個文件到另一個文件發(fā)生調(diào)用時，將會因 C++產(chǎn)生破損函數(shù)名的方式不同而產(chǎn)生鏈接錯誤。我們可以通過采用“extern C”構(gòu)造來回避這個問題。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。可以為Borland編譯器設(shè)置一個標(biāo)志，告訴它，不論文件名的后綴是什么，均將其作為C++文件來編譯。遺憾的是IDE中沒有這樣的標(biāo)志。于是我們只能手工編輯項(xiàng)目配置文件來實(shí)現(xiàn)這一功能。

代碼舉例

讀者可以在/cpb 處找到一個可執(zhí)行文件five.exe，文件中包含一行5個按鈕和一組LED。按下前4個按鈕中的任何一個都會打開相應(yīng)的一個LED。*5個按鈕是RESET(復(fù)位)按鈕，按下該按鈕會關(guān)斷所有LED。 當(dāng)然，在構(gòu)造這樣一個項(xiàng)目時，并不需要進(jìn)行仿真。但該例旨在說明，只要具備初始的接口界面圖象，那么仿真時，只需稍作努力就可得到與真實(shí)設(shè)備看起來相似的運(yùn)行結(jié)果。同時，該例還說明，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，而且該代碼不會因目標(biāo)環(huán)境和仿真環(huán)境這兩種平臺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，學(xué)習(xí)CPB開發(fā)環(huán)境也需要一定的過程，當(dāng)設(shè)計(jì)工程師**用過這種面向?qū)ο蟮氖录?qū)動環(huán)境時尤其如此。然而只要建立起一個仿真，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基于PC的程序，而且程序中用到了GUI，那么這一經(jīng)驗(yàn)會有助于對CPB的學(xué)習(xí)。我過去就曾利用這樣一個程序來完成過一個簡單的下載應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)與嵌入式目標(biāo)的串行通信。

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