一種面向可適應(yīng)性的嵌入式設(shè)備HCI方案

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、軟硬件可剪裁的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其工程實(shí)踐正逐漸地引起研究人員的關(guān)注，在實(shí)際工程中有諸多因素需要考慮，比如微處理器的功耗，器件的可靠性，設(shè)備的抗惡劣環(huán)境能力，人機(jī)交互界面(HCI)，現(xiàn)場通信等等問題。其中HCI是嵌入式系統(tǒng)工程中的一個(gè)重要課題。由于某些嵌入式系統(tǒng)研發(fā)的復(fù)雜性和工程實(shí)施中的不確定性，導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)HCI有僵化的趨勢，對(duì)此提出一種可適應(yīng)性的解決思路是必要的。

1 嵌入式工程的HCI
    圖形用戶界面是當(dāng)前用戶界面的主流。HCI是決定嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是否友好的一個(gè)重要因素。嵌入式系統(tǒng)人機(jī)交互功能主要靠輸入輸出的設(shè)備與相應(yīng)的軟件協(xié)同來實(shí)現(xiàn)?？晒┤藱C(jī)交互使用的設(shè)備主要有鍵盤、顯示以及各種模式識(shí)別設(shè)備等。嵌入式系統(tǒng)的人機(jī)交互因其特殊性而與PC有所區(qū)別，多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)都是顯示屏幕與鍵盤，或者帶觸摸屏定位的設(shè)備組成。對(duì)用戶而言，需要用按鍵或觸摸屏的動(dòng)作告知系統(tǒng)如何按照人的意圖去輸出，絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都有個(gè)HCI系統(tǒng)供用戶使用。問題是在工程中交互設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者往往會(huì)把交互界面和系統(tǒng)的資源聯(lián)系起來，使得界面的設(shè)計(jì)不獨(dú)立于系統(tǒng)資源。軟件設(shè)計(jì)勢必在很大程度上受限于硬件資源。實(shí)踐中，通常的做法是根據(jù)現(xiàn)有的硬件條件臨時(shí)組織一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把一系列字符串值“串”起來，之間可以實(shí)現(xiàn)相互跳轉(zhuǎn)。一個(gè)交互節(jié)點(diǎn)的快照描述一般需要幾部分組成：1)狀態(tài)枚舉量；2)顯示常量狀態(tài)值；3)前趨狀態(tài)；4)后繼狀態(tài)。還可能需要包含節(jié)點(diǎn)Id標(biāo)識(shí)等其他的輔助信息。顯然，這是用一種靜態(tài)的方法來生成一個(gè)菜單對(duì)象，代碼易讀性強(qiáng)，但各個(gè)部分相互依賴，編碼和調(diào)試比較繁瑣，需要設(shè)計(jì)者對(duì)各部分都十分清楚。最大的問題是可擴(kuò)展性受限，對(duì)后續(xù)規(guī)模的增加造成一定的影響。工程實(shí)踐中，用戶的需求及隱含需求往往是復(fù)雜和不確定的。
    本文的研究目的是建立一套能夠適應(yīng)應(yīng)用復(fù)雜性和不確定性的實(shí)現(xiàn)方案，為后續(xù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供一個(gè)工程性的解決思路。

2 可適應(yīng)的嵌入式HCI
   可適應(yīng)的HCI是指可根據(jù)系統(tǒng)的計(jì)算環(huán)境或應(yīng)用情境進(jìn)行伴隨調(diào)節(jié)的界面。可以進(jìn)一步區(qū)分為被動(dòng)性適應(yīng)和主動(dòng)性適應(yīng)(或自適應(yīng))。
    可適應(yīng)性HCI在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中有著越來越迫切的要求。通常該需求來源于2個(gè)方面，一個(gè)是用戶需求的變更；另一個(gè)是系統(tǒng)執(zhí)行中的應(yīng)用環(huán)境變化。由這2種因素出發(fā)，依據(jù)可適應(yīng)性的行為模式，嵌入式HCI的可適應(yīng)性從以下2個(gè)方面展開研究：
    所謂靜態(tài)可適應(yīng)性是指與系統(tǒng)靜態(tài)配置相關(guān)的可適應(yīng)性，通常適應(yīng)行為發(fā)生在2次系統(tǒng)啟動(dòng)之間。這種適應(yīng)的需求通常是外來的，比如用戶需求的修改，設(shè)計(jì)方案的變化。在工程中，常常出現(xiàn)迭代式的適應(yīng)性修改，所以靜態(tài)可適應(yīng)性也是一個(gè)很有現(xiàn)實(shí)意義的需求。這種可適應(yīng)性的實(shí)現(xiàn)必須借助非易失性存儲(chǔ)器來進(jìn)行，用來存儲(chǔ)變化后的定義及配置參數(shù)，使得順利完成適應(yīng)行為。
    動(dòng)態(tài)可適應(yīng)性是指在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以依據(jù)環(huán)境的變化進(jìn)行在線自適應(yīng)修改，即普適環(huán)境下的修改。通常普適設(shè)備在使用環(huán)境中遷移，引起了環(huán)境參數(shù)的強(qiáng)制性變化，系統(tǒng)的HCI與環(huán)境就會(huì)產(chǎn)生矛盾，因此普適策略下的自適應(yīng)調(diào)整是很有必要的。依據(jù)收集到的系統(tǒng)狀態(tài)信息，判斷是否HCI與系統(tǒng)配置同步，依靠算法實(shí)時(shí)糾正系統(tǒng)配置來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)。普適環(huán)境下的自適應(yīng)特點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)性，只有在出現(xiàn)矛盾的時(shí)候才做普適調(diào)整，在設(shè)計(jì)中必須對(duì)匹配性進(jìn)行考慮。

3 基于多重鏈表的嵌入式HCI
3．1 模型建立
    多重鏈表在組織順序型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)時(shí)具有較快的搜索速度，下面給出一個(gè)基于多重鏈表的模型，每個(gè)節(jié)點(diǎn)扇出為4，分別指向上層節(jié)點(diǎn)、下層節(jié)點(diǎn)及左、右的鄰居節(jié)點(diǎn)，扇入不限。每個(gè)節(jié)點(diǎn)與相鄰的節(jié)點(diǎn)之間都有雙向連接，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可帶子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。
    模型從功能上講是個(gè)層次結(jié)構(gòu)，從數(shù)據(jù)模型上看是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，允許有一個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)無雙親，并且一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有多于一個(gè)的雙親。每層節(jié)點(diǎn)的數(shù)目不固定，可視實(shí)際情況而變化。每層都是一個(gè)閉環(huán)的雙向回路，可進(jìn)行水平雙向遍歷。層與層之間由父節(jié)點(diǎn)與長子節(jié)點(diǎn)雙向連接。父層節(jié)點(diǎn)對(duì)子層節(jié)點(diǎn)是一對(duì)一聯(lián)系，由父節(jié)點(diǎn)進(jìn)入子層時(shí)在長子節(jié)點(diǎn)駐足；子層節(jié)點(diǎn)對(duì)父節(jié)點(diǎn)是多對(duì)一聯(lián)系，意味著由每個(gè)子節(jié)點(diǎn)都可回溯至父節(jié)點(diǎn)。由父層切換至子層的每次遍歷必須經(jīng)過長子節(jié)點(diǎn)，然后可由長子節(jié)點(diǎn)依次進(jìn)行水平循環(huán)遍歷，子層切換至父層則比較靈活，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)均可到達(dá)其父節(jié)點(diǎn)。
3．2 方案實(shí)現(xiàn)
3．2．1 內(nèi)存結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具備4個(gè)域，除了標(biāo)示身份外還至少應(yīng)該具備指向上層父節(jié)點(diǎn)的指針域、指向下層子節(jié)點(diǎn)的指針域以及指向同層左、右兄弟的指針域。
    圖1是一個(gè)簡單的HCI結(jié)構(gòu)圖，從功能上看，它分為5層，第一層有5個(gè)節(jié)點(diǎn)項(xiàng)形成一個(gè)閉環(huán)，第二層閉環(huán)是第一層第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)組，該子節(jié)點(diǎn)組的第二項(xiàng)又有子節(jié)點(diǎn)組。如此下去共有5層，處在最高位置的節(jié)點(diǎn)其父指針為空，最低位置的節(jié)點(diǎn)的兒子指針為空。

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3．2．2 類設(shè)計(jì)
    依據(jù)模型定義如圖2所示的類對(duì)象。左邊所示是個(gè)基本的菜單節(jié)點(diǎn)類，除了模型中提到的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)指針，還增加了幾個(gè)相關(guān)的屬性域，Id用來標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)身份，displayValue用來存儲(chǔ)菜單的顯示標(biāo)題，布爾成員editable指明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否可編輯，另外還增加一個(gè)ptr_function域，用來指向一個(gè)功能函數(shù)，該函數(shù)完成節(jié)點(diǎn)在接受確定消息后要做的工作。

    在節(jié)點(diǎn)類中還定義了幾個(gè)成員方法，與私有屬性相關(guān)的命名符合OOP的命名規(guī)定，均使用Get—Set前綴規(guī)則。除針對(duì)幾個(gè)成員屬性的方法外，還引入了另外幾個(gè)成員方法，CoUp執(zhí)行向父節(jié)點(diǎn)的跳轉(zhuǎn)，CoDown執(zhí)行向長子節(jié)點(diǎn)的跳轉(zhuǎn)，CoLeft和GoRight負(fù)責(zé)向左右鄰居的跳轉(zhuǎn)。
    從軟件設(shè)計(jì)獨(dú)立與資源來考慮，提出一個(gè)界面代理的概念，界面代理就是基于事件驅(qū)動(dòng)，處在界面與環(huán)境之間一個(gè)中間對(duì)象。外界事件的消息均由代理來接收識(shí)別，并由它調(diào)用界面元素，對(duì)界面做出改變。圖2右邊上部所示的定義的是菜單代理類MenuManageAgent。該類對(duì)象用來作為菜單體系與外界交互的媒介物，它用來記錄菜單的頭指針，菜單體系的規(guī)模以及菜單的總體狀態(tài)；初始化菜單結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建菜單系統(tǒng)并代表菜單接受外來的消息，并對(duì)消息加以識(shí)別和做出合理的響應(yīng)。圖2右下是對(duì)外部消息的定義。消息的列表可以依據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展和修正。

4 嵌入式HCI的可適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)
    靜態(tài)可適應(yīng)的實(shí)現(xiàn)是基于用戶主觀意圖進(jìn)行的。這個(gè)過程強(qiáng)調(diào)人機(jī)交互，因此用戶的工作內(nèi)容很重要，一般也作為靜態(tài)可適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)的輸入?yún)?shù)。而實(shí)現(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)相對(duì)簡單。在算法設(shè)計(jì)上，該種可適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)工作重點(diǎn)仍然放在用戶交互內(nèi)容的管理上，由用戶的“交互內(nèi)容”綜合系統(tǒng)功能可以得到界面的“變更差”，進(jìn)而推導(dǎo)出系統(tǒng)HCI的具體參數(shù)集的變化。
    如圖3所示，設(shè)備在使用環(huán)境中的動(dòng)態(tài)可適應(yīng)以系統(tǒng)狀態(tài)檢測開始，這是一個(gè)周期性的行為，頻率依據(jù)系統(tǒng)在HCI上的實(shí)時(shí)性要求而定。系統(tǒng)狀態(tài)檢測應(yīng)該包含幾部分的工作：1)應(yīng)該有監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的手段，比如傳感器、接入信號(hào)等；2)要依據(jù)特定的算法來測定這個(gè)矛盾，其中包括差異的獲取，尺度的制定。狀態(tài)檢測的結(jié)果是，是否有矛盾輸出，如果有矛盾出現(xiàn)的情況下，還需要做決策分析，其主要任務(wù)是基于系統(tǒng)現(xiàn)有條件是否可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可適應(yīng)，比如已經(jīng)達(dá)到了臨界狀態(tài)時(shí)，就喪失了這種可能性。所以這里涉及到對(duì)系統(tǒng)資源的管理調(diào)度。下一步就是在動(dòng)態(tài)適應(yīng)的情況下，采用動(dòng)態(tài)適應(yīng)策略對(duì)系統(tǒng)HCI給出合適的調(diào)整，從而達(dá)到普適環(huán)境下可動(dòng)態(tài)適應(yīng)的目的。

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5 工程應(yīng)用
5．1 工程介紹
    我們?cè)谝粋€(gè)系列工程中采用了以下方案構(gòu)造HCI的菜單體系。某公司研發(fā)一款嵌入式的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，該產(chǎn)品的代碼與數(shù)據(jù)獨(dú)立存儲(chǔ)在兩個(gè)Flash芯片，通過采集外界的模擬量和數(shù)字量對(duì)其處理后進(jìn)行輸出。產(chǎn)品的人機(jī)交互界面采用按鍵、LED數(shù)碼管，計(jì)算控制單元采用飛思卡爾半導(dǎo)體的微處理器Coldfire V2系列，該CPU基于變長RISC處理器核心，具有32位地址線和數(shù)據(jù)線以及集成的調(diào)試模塊，MAC／eMAC單元能提供高性能的品質(zhì)。
    嵌入式操作系統(tǒng)采用Nucleus PLUS，Nucleus PLUS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是Accelerated Technology公司開發(fā)的嵌入式RTOS產(chǎn)品，只需一次性購買Licenses，就可以獲得操作系統(tǒng)的源碼。最終是以C庫的形式提供給用戶，可以選擇所需要的部分鏈入到應(yīng)用程序中。具有如下特性：
    1)快速響應(yīng)時(shí)間：對(duì)臨界資源的檢測時(shí)間不依賴于占有該臨界資源的線程執(zhí)行時(shí)間長短，一旦低優(yōu)先級(jí)線程釋放掉臨界資源(不管其是否執(zhí)行完)，高優(yōu)先級(jí)線程就會(huì)搶占運(yùn)行。
    2)模塊相互獨(dú)立：每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間和其他任務(wù)的處理時(shí)間無關(guān)。
    3)較高吞吐量：隨著任務(wù)數(shù)目的增多，任務(wù)的調(diào)度時(shí)間為常數(shù)。
    4)具有可擴(kuò)展性：利用現(xiàn)有系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)合可得到新的系統(tǒng)調(diào)用。
5．2 驗(yàn)證過程
    我們擬在這個(gè)項(xiàng)目開發(fā)中實(shí)現(xiàn)普適設(shè)備的嵌入式人機(jī)交互界面，在其中應(yīng)用可適應(yīng)性的思想。
    首先是硬件設(shè)計(jì)，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)了8個(gè)Ied數(shù)碼管，8個(gè)按鍵Key1～Key8。這部分設(shè)計(jì)的功用體現(xiàn)在兩個(gè)方面：
    1)數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過LED顯示采集的數(shù)據(jù)和處理結(jié)果；
    2)用戶通過按鍵可以查看和設(shè)置設(shè)備的參數(shù)。
    其次是一些必要的定義，對(duì)按鍵的功能通過項(xiàng)目組討論做了如表1的定義。

    表1的定義給消息定義提供一個(gè)依據(jù)。按功能鍵送入一個(gè)OK消息，按取消鍵則發(fā)送了一個(gè)CANCEL消息，其他按鍵事件以此類推。于是我們便得到一個(gè)消息枚舉量的定義。
    界面狀態(tài)定義。把人機(jī)交互工作分為工作、驗(yàn)證和設(shè)置狀態(tài)。每種狀態(tài)用一個(gè)MenuStatus枚舉常量表示，NORMAL表示工作狀態(tài)，CHECKI-NG表示驗(yàn)證狀態(tài)，SETHNG表示設(shè)置狀態(tài)。正常工作時(shí)處于NORMAL狀態(tài)，一旦按下功能鍵會(huì)進(jìn)入菜單成為驗(yàn)證或設(shè)置態(tài)。
    交互行為定義如下：
    1)常態(tài)時(shí)默認(rèn)為各通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)循環(huán)顯示，有報(bào)警時(shí)，可顯示報(bào)警標(biāo)識(shí)；
    2)默認(rèn)常態(tài)下按功能鍵進(jìn)入1層菜單，按上翻鍵、下翻鍵顯示1-、2-、3-、…、14-Reset；
    3)狀態(tài)2-和狀態(tài)4-可用作擴(kuò)展；
    4)狀態(tài)3-時(shí)，按功能鍵進(jìn)入日期時(shí)間設(shè)置菜單，按上翻鍵、下翻鍵顯示日期、時(shí)間，設(shè)置好后，按功能鍵確定退出；
    5)狀態(tài)4-時(shí)，按功能鍵進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置菜單，按上翻鍵、下翻鍵顯示4-1、4-2、4-3……、4-19，表示通道選擇；
    狀態(tài)4-x時(shí)，按功能鍵進(jìn)入x通道的參數(shù)設(shè)置菜單，按上翻鍵、下翻鍵顯示4-x-O、4-x-2、4-x-3、…、4-x-8時(shí)，按功能鍵進(jìn)入x通道的y(0≤y≤8)參數(shù)設(shè)置菜單，按加1鍵、減1鍵和移位可以進(jìn)行參數(shù)修改操作；修改好參數(shù)按功能鍵確定退出；
    6)在任一狀態(tài)時(shí)，按Key7則返回上層；
    7)在任一狀態(tài)時(shí)，按取消鍵可返回常態(tài)。
    然后按照上面定義的交互行為，定義菜單節(jié)點(diǎn)的功能函數(shù)。在菜單的創(chuàng)建時(shí)把函數(shù)的指針賦值給節(jié)點(diǎn)。該模型同樣可以用于實(shí)現(xiàn)通過通信進(jìn)行的交互。
    上述HCI的實(shí)例，不但實(shí)現(xiàn)簡潔，開發(fā)效率高，而且是結(jié)構(gòu)開放性的，便于界面規(guī)模的控制。

6 結(jié)束語
    通過工程實(shí)踐驗(yàn)證，該基于可適應(yīng)性考慮的嵌入式HCI方案有如下特點(diǎn)：
    1)易于維護(hù)，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的情況下，隨按鍵或輸入的不同，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)易于加以修改。菜單節(jié)點(diǎn)可以隨實(shí)際項(xiàng)目需求增減成員，代理類也可隨實(shí)際需求修改。
    2)開放性好，便于擴(kuò)展。只要內(nèi)存容量允許，菜單規(guī)模理論上不受限，并且增刪節(jié)點(diǎn)容易實(shí)現(xiàn)。菜單結(jié)構(gòu)可以靜態(tài)聲明，也可以使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。
    3)通用性強(qiáng)，不但適應(yīng)于Led數(shù)碼管與按鍵的組合，而且適應(yīng)于LCD屏幕與按鍵或觸摸屏。只要是用戶與系統(tǒng)交互，能產(chǎn)生消息驅(qū)動(dòng)的地方都可以使用。
    4)效率高，從根節(jié)點(diǎn)到任一節(jié)點(diǎn)的路由不需要軟件實(shí)現(xiàn)，由用戶交互決定。雖然是網(wǎng)狀模型，但對(duì)用戶而言，從功能上仍是個(gè)層狀結(jié)構(gòu)，脈絡(luò)比較清楚，容易被開發(fā)人員掌握。
    另外，在具體應(yīng)用中，可適應(yīng)性的實(shí)現(xiàn)還可能以混合的模式出現(xiàn)。
    未來的研究是考察在宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)交互的情況下，如何實(shí)現(xiàn)HCI方案到目標(biāo)機(jī)的遷移，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)HCI動(dòng)態(tài)配置。