從工業(yè)自動(dòng)化到醫(yī)療設(shè)備，從家用電器到車載娛樂信息系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)對(duì)于日益增多的現(xiàn)代產(chǎn)品的運(yùn)行和功能而言至關(guān)重要。在這個(gè)充滿變幻不定的期望以及幾乎所有公司都在盡力追求浮華“酷炫”的用戶界面的世界中，此類嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)員面臨著重重壓力，不僅要不斷滿足適用性要求，還要打造出令人驚嘆的用戶體驗(yàn)。盡管編碼很明顯是建造嵌入式系統(tǒng)界面的關(guān)鍵元素，但僅憑優(yōu)秀的編碼本身已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，理解用戶和選擇合適的開發(fā)工具已成為兩項(xiàng)至關(guān)重要的成功因素。
圖1.車載人機(jī)交互界面示例 嵌入式系統(tǒng)用戶界面的演變 以前，許多嵌入式系統(tǒng)很少需要或不需要與終端用戶直接關(guān)聯(lián)，因此僅具有基本的用戶界面要求（如有）。但隨著嵌入式裝置的性能逐漸增強(qiáng)并成為幾乎所有電子系統(tǒng)的核心組件，它們的功能也應(yīng)更便于用戶操作。但自相矛盾的是，這會(huì)使它們的使用難度變得更高，進(jìn)而導(dǎo)致更高的工作量用于避免用戶面對(duì)復(fù)雜的操作。增添了諸如觸屏控制、動(dòng)態(tài)內(nèi)容管理和網(wǎng)絡(luò)訪問等功能，用戶界面設(shè)計(jì)（一般通過圖形用戶界面進(jìn)行）目前很明顯已成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)至關(guān)重要的元素。 但由于我們都已習(xí)慣了手機(jī)和平板電腦的易于使用性，即使是最基本的非消費(fèi)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)也要滿足直觀、清楚、全面、快速和可靠的圖形用戶界面預(yù)期。這就為項(xiàng)目開發(fā)團(tuán)隊(duì)帶來了壓力，不僅是因?yàn)閳D形用戶界面的開發(fā)在編碼層面變得更復(fù)雜（并非始終有合適的“建造板塊”可供許多嵌入式操作系統(tǒng)使用），還由于盡管任何具有優(yōu)質(zhì)顯示器和充分處理能力的系統(tǒng)均可部署美觀誘人的圖形界面，但如果沒有合適的功能工具，要?jiǎng)?chuàng)建互動(dòng)式動(dòng)態(tài)圖形用戶界面卻十分困難。然而另一個(gè)未被充分認(rèn)識(shí)的問題是，除合適的工具外，開發(fā)最佳的圖形用戶界面還需要額外的設(shè)計(jì)技能，這一點(diǎn)軟件工程團(tuán)隊(duì)并非隨時(shí)都具備。 當(dāng)然，盡管功能是核心要素，但真正將最佳圖形用戶界面與基本可用的界面區(qū)別開來的還是“適用性”。軟件工程師一般能實(shí)施滿足功能規(guī)格的用戶界面，但最佳的用戶體驗(yàn)卻只能源自更高級(jí)別的思考和理解，即該界面怎樣才能有助于用戶更出色地完成工作，或者以最簡(jiǎn)單或最快捷或最直觀的方式取得預(yù)期結(jié)果。這正是界面編碼與界面設(shè)計(jì)有所區(qū)別的原因，以及在這個(gè)不再使用難學(xué)或難用的設(shè)備和系統(tǒng)的世界中，開始編碼前要進(jìn)行大量工作的原因。 預(yù)編碼考慮事項(xiàng) 任何優(yōu)秀用戶界面設(shè)計(jì)的第一階段都應(yīng)明確用戶要求，并分析用戶會(huì)執(zhí)行必要任務(wù)的方式。因此至關(guān)重要的是要理解用戶應(yīng)完成的任務(wù)，以及他們會(huì)如何按優(yōu)先順序處理關(guān)鍵任務(wù)。從本質(zhì)上講，這一點(diǎn)適用于所有設(shè)計(jì)工作，但在醫(yī)療或航天系統(tǒng)等任務(wù)和安全關(guān)鍵型應(yīng)用中尤其顯得重要，因?yàn)槠渲械挠脩艚缑媪己们闆r的確事關(guān)生死。有鑒于此，觀察或記錄用戶處理類似任務(wù)的方式十分重要，而且考慮他們?cè)诂F(xiàn)有系統(tǒng)中可能會(huì)遇到的問題和失敗也往往大有裨益。 一旦他們了解了用戶需要什么功能，設(shè)計(jì)員就能接著考慮界面的外觀和體驗(yàn)，以及隨后的工作流程。應(yīng)與用戶一起創(chuàng)建和討論腳本及界面原型，并基于其反饋創(chuàng)建新的迭代次數(shù)。現(xiàn)代工具可對(duì)此提供幫助，不僅可協(xié)助實(shí)現(xiàn)原型的快速開發(fā)，還能讓該作品用于成品而非一切從頭開始。在整個(gè)過程中，設(shè)計(jì)員應(yīng)努力創(chuàng)建一種直觀、樣式和功能一致且避免凌亂的界面。 除用戶要求和任務(wù)分析以外，會(huì)影響用戶界面設(shè)計(jì)的其他因素從操作環(huán)境（高強(qiáng)度環(huán)境光或像在許多醫(yī)療或工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，例如需要戴手套使用觸摸屏以免影響圖標(biāo)尺寸、顏色和位置），到硬件和軟件平臺(tái)中的可移植性需要等不一而足。在此階段還應(yīng)考慮有必要使用多種語(yǔ)言版本的全球部署要求或網(wǎng)絡(luò)功能整合需求。
圖2.VIBXPERT II雙通道FFT數(shù)據(jù)收集器和信號(hào)分析器采用圖形用戶界面并有效運(yùn)用色彩。 設(shè)計(jì)環(huán)境和工具 設(shè)計(jì)員確定嵌入式用戶界面的“大圖片”要求后，接下來就需要軟件工程師將該界面轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實(shí)。此時(shí)的設(shè)計(jì)環(huán)境及相關(guān)工具的選擇會(huì)導(dǎo)致十分不同的結(jié)果，不僅對(duì)于成品，而且在項(xiàng)目開發(fā)成本和速度方面均會(huì)產(chǎn)生重大差別。 對(duì)于圖形用戶界面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)環(huán)境必須是分開的；其中圖形在一側(cè)，源代碼在另一側(cè)。將此兩者聯(lián)系到一起可成功架接圖形用戶界面創(chuàng)建中設(shè)計(jì)與開發(fā)的工作，從上述的預(yù)編碼問題開始推進(jìn)。支持設(shè)計(jì)（美學(xué)）和開發(fā)（編碼）圖形策略的圖形用戶界面設(shè)計(jì)環(huán)境在此方面特別有利。在此類環(huán)境中，以圖形方式表示的用戶控制項(xiàng)同樣會(huì)理想的以內(nèi)在方式在目標(biāo)平臺(tái)包含所有所需代碼以激活它們。在工程方面，這意味著面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)策略；通過選擇元素，其固有的全部特征都將被激活，并且通過此“內(nèi)在特征”，使用這些元素建造的任何內(nèi)容都將確切無疑地可以訪問單獨(dú)元素的特征和功能。從表面上看，此類策略并不僅限于視覺元素；使用面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)的任何“組件”都可毫無疑問地繼承其組件的特征，并將這些特征按照等級(jí)方式傳遞給使用它的任何其他組件。 這會(huì)對(duì)面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言（例如C++）架構(gòu)起到支撐作用，并可從概念上擴(kuò)展至支持面向?qū)ο蟮木幊痰膱D形設(shè)計(jì)環(huán)境。重要的是，面向?qū)ο蟮能浖哂泄逃械目梢浦残裕驗(yàn)椤敖M件”包含（通過遺傳）為確定其功能所需的全部特征，從而降低了面向?qū)ο蟮拇a對(duì)硬件的依賴。在大多數(shù)情況下，移植面向?qū)ο蟮能浖皇且环N針對(duì)不同架構(gòu)的簡(jiǎn)單重新編譯，至少無需使用針對(duì)具體功能的任何硬件或操作系統(tǒng)。在提供真正的交叉平臺(tái)支持的現(xiàn)代框架中（例如Qt），該流程得到了進(jìn)一步簡(jiǎn)化。此類可移植性可將新設(shè)計(jì)的開發(fā)開支降至最低，并在為嵌入式開發(fā)人員提供針對(duì)不同硅片價(jià)格點(diǎn)的不同路徑的同時(shí)，使遷移現(xiàn)有設(shè)計(jì)變得更簡(jiǎn)單。例如，Qt可用于為采用低功耗和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠型處理器的便攜醫(yī)療裝置創(chuàng)建界面，相同的代碼可充分運(yùn)用于較此更大型的器械，例如采用更高功率處理器的CAT或MRI掃描儀。 當(dāng)今使用的一種處于領(lǐng)先地位的面向?qū)ο蟮某绦蛘Z(yǔ)言是C++。在普遍應(yīng)用的C語(yǔ)言基礎(chǔ)上，C++ 是許多希望采用面向?qū)ο蟮姆椒ǖ墓こ處煹淖匀贿M(jìn)展。通過采用面向?qū)ο蟮牟呗裕瑢⒖蓜?chuàng)建一種開發(fā)“框架”，其中的模塊庫(kù)包含圖形用戶界面向?qū)А敖M件”（或稱為“類”），例如按鈕、滑動(dòng)條、窗口或標(biāo)度盤以及嵌入式設(shè)備需要的其他功能性元素，包括聯(lián)網(wǎng)、多媒體支持（視頻編解碼器）和國(guó)際化（語(yǔ)言）。這種解釋型語(yǔ)言（例如Java）的優(yōu)勢(shì)可造成卓越或中等用戶體驗(yàn)之間的差別。 框架功能 對(duì)設(shè)計(jì)師和工程師均特別有利的是，所選的環(huán)境是否能為用戶界面提供豐富的預(yù)制（及自定義）組件，以及從操作系統(tǒng)中提取常用功能的類和模塊。理想情況下，這些類提供的益處并不僅限于圖形用戶界面。例如，通過向XML、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、進(jìn)程間通信 (IPC)、帶硬件加速的2D和3D 圖形、線程、SQL、國(guó)際化和多媒體提供類，工程師還可高效訪問應(yīng)用框架，以幫助他們加快關(guān)鍵功能的部署速度，同時(shí)使其得以關(guān)注可為成品增加競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的核心能力。 以Qt應(yīng)用和用戶界面框架為例，它已經(jīng)在桌面應(yīng)用環(huán)境中得到充分運(yùn)用，并已被用于向嵌入式系統(tǒng)提供相同的益處。這種框架包括開發(fā)工具和類庫(kù)，可讓設(shè)計(jì)師和程序員共同采用可輕松自定義的組件生成圖形用戶界面，從所用的調(diào)色板到事件的處理方式均可進(jìn)行自定義。 除編寫代碼以外，Qt設(shè)計(jì)環(huán)境還可使用拖放擁護(hù)界面創(chuàng)作等工具，實(shí)現(xiàn)圖形元素的快速創(chuàng)作。高性能文本渲染及預(yù)渲染字體有助于降低進(jìn)程開支，而除圖形外，專用網(wǎng)絡(luò)工具可使設(shè)計(jì)師建造融合實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容和服務(wù)的先進(jìn)用戶界面，從而滿足連接性要求。對(duì)于全球部署而言，一款專用的語(yǔ)言家工具可使工程師翻譯和調(diào)整應(yīng)用程序，以適應(yīng)不同的世界語(yǔ)言，包括支持亞洲語(yǔ)言字符和從右至左閱讀的腳本。
圖3.醫(yī)療用戶界面示例 便攜性 Qt獨(dú)具特色的重要優(yōu)勢(shì)之一是其平臺(tái)的建造方式，即用于提供一流的交叉平臺(tái)應(yīng)用程序編程接口(API)，可有助于以最小的額外工作量在多個(gè)軟件環(huán)境中部署圖形用戶界面設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序。例如，無需任何重新寫入即可將來自一個(gè)目標(biāo)裝置（例如，臺(tái)式計(jì)算機(jī)環(huán)境）的源代碼部署到嵌入式操作系統(tǒng)上。這不僅允許從單個(gè)部署項(xiàng)目中進(jìn)行多個(gè)部署，還可進(jìn)一步針對(duì)未來平臺(tái)本身的變化驗(yàn)證代碼，這在當(dāng)今操作系統(tǒng)本身不斷修正且產(chǎn)品生命周期以月而非年計(jì)算的世界中的確是一項(xiàng)重要益處。 |
