姚曉平 ，王 強(qiáng)

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 南京 211135；2.中科院計算所 北京 100190）

現(xiàn)代電子技術(shù)如智能儀表、實(shí)時控制、通信、汽車電子等等，對技術(shù)人員的要求越來越高，特別是軟硬件集成能力。以上應(yīng)用經(jīng)常要用到單片機(jī)和可編程器件，這些器件的應(yīng)用需要除了硬件知識還要具有軟件技術(shù)。但要掌握軟件編程是非常困難的。編程技術(shù)的繁瑣、拼寫容易出錯、語法難于理解、而且不能實(shí)時反映現(xiàn)狀。如果要與時俱進(jìn)就要不斷地在學(xué)習(xí)硬件和軟件技術(shù)，時常讓人顧此失彼。經(jīng)過我們的探索，通過LinkBoy軟硬件集成的圖形化電子積木創(chuàng)意設(shè)計平臺，實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)的簡單化，設(shè)計的原創(chuàng)性。

1 圖形化語言編程

眾所周知，計算機(jī)只能識別布爾量T或F，用數(shù)字表示就是1或0。所謂計算機(jī)語言即是1或0構(gòu)成的特定序列，這就是程序。但是人對這些序列，常常是無法理解和記憶，使人頭痛。程序是由機(jī)器認(rèn)識的語言描述的現(xiàn)實(shí)世界，而空間解析則是由程序代碼表示的計算機(jī)應(yīng)用。由于兩者所對應(yīng)問題及表達(dá)方式不同，使程序開發(fā)變的復(fù)雜。在工程中圖形化設(shè)計分析方法如流程圖、框圖、表格、文字等方式，沒有語法及語義定義，屬于非形式化方法。與具有精確語法及語義定義的編程語言很難對應(yīng)。主要因為編程語言只有“一維”特性，由一系列字符組成；而圖形化設(shè)計分析，具有“二維”特性。要解決這一問題基本上有二種方法，一是將圖形化設(shè)計分析轉(zhuǎn)換成線性表示，使設(shè)計方法形式化；二是使編程語言具有“二 維”特性，簡化與設(shè)計結(jié)果之間的對應(yīng)。實(shí)際上，圖形化編程語言就采用了這種編程方式。圖形化的程序代碼，包括圖標(biāo)和連線，圖標(biāo)是相當(dāng)于文本語言中的編碼，編碼間的相互傳輸是由連線完成。圖形化程序設(shè)計像一個由圖標(biāo)和連線構(gòu)成的流程圖或網(wǎng)絡(luò)圖，而不再是一個順序指令文件，所以具有二維特征。圖形化編程軟件具有可視化界面，有封裝的可視化控件。流程圖或網(wǎng)絡(luò)圖描述的是系統(tǒng)的運(yùn)行過程，并且每個部分在運(yùn)行中會執(zhí)行一定的操作；流程圖中的圖標(biāo)可以設(shè)定參數(shù)或變量值，動態(tài)修改程序的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的流程。

設(shè)計工程師的習(xí)慣，要找到非常適合自己理解和觀察的圖形化代碼。這些圖形化代碼本身隱含著需要計算機(jī)專業(yè)知識支持的概念或一個特定的編程語言的語法。這樣就減少了程序設(shè)計的復(fù)雜性，提高了程序設(shè)計的效率。也就是說圖形代碼，將由控制和管理的計算機(jī)軟件處理，對于非計算機(jī)專業(yè)人員非常重要。圖形可以被視為一種視覺語言，可以直接對某些事物的表達(dá)。同時，因為圖像的特征更加生動和形象，因此更容易記住和理解。用戶可以自由增加不同類型的程序模塊和圖標(biāo)，對其進(jìn)行參數(shù)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，而這也是對象編程（OOP）的核心思想之一。用圖標(biāo)代替編碼，編程者只要調(diào)用圖標(biāo),按規(guī)定連線。就可實(shí)現(xiàn)編程，整個過程就象把設(shè)計思路寫在紙上，在畫程序框圖，直觀、簡捷而有趣，可以立刻把你的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

2 圖形化編程原理

目前，最普遍使用的編程范式還是馮諾依曼機(jī)的操作機(jī)制，對于圖形化語言編程主要還是純數(shù)據(jù)流的動態(tài)模型。由于圖形化程序具有二維特性，在執(zhí)行程序時，只有當(dāng)模塊的入口數(shù)據(jù)全部到達(dá)時，該模塊才被執(zhí)行，不能很好地與事件驅(qū)動的操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)。因此系統(tǒng)的響應(yīng)速度和運(yùn)行效率不高。LinkBoy圖形化編程平臺是一個協(xié)作式調(diào)度內(nèi)核、觸發(fā)事件的面向?qū)ο竽Ｐ?，軟件和硬件集成環(huán)境的電子元件形成的積木模塊，利用定義的函數(shù)庫和圖形化語法，完成產(chǎn)品項目的調(diào)試和運(yùn)行。

和其他編程語言不同，平臺中的程序不是從“main()”開始，用戶編程的過程，就是編寫各個事件的響應(yīng)代碼，而每個事件都是由系統(tǒng)后臺自動檢測觸發(fā)的，如紅外線接收器，用家里的彩電遙控器對著它按下按鍵會觸發(fā) “紅外線接收事件”；開關(guān)，當(dāng)被人按下的時候就會觸發(fā)“打開事件”等等。在后臺有一個專用的嵌入式操作系統(tǒng)，既執(zhí)行各個組件的底層驅(qū)動程序，又對各個組件觸發(fā)的事件進(jìn)行分發(fā)。用戶只要做補(bǔ)全事件的處理代碼即可[1-3]。

3 圖形化編程特點(diǎn)

LinkBoy創(chuàng)意平臺，是一個軟硬件集成的開發(fā)環(huán)境。用戶的設(shè)計界面非常簡潔如圖一所示，設(shè)計完成后程序代碼、電路連接和機(jī)械布局等全部保存在記事本文件中，直接打開記事本文件可以看到類C語言等內(nèi)容；用編程軟件打開后會自動解析出圖形，并且以圖形化的方式顯示，可以看到電路模塊及電路連接關(guān)系等。只要你確定程序所要執(zhí)行的任務(wù)，然后選擇所需的圖標(biāo)就可以實(shí)現(xiàn)圖形化程序設(shè)計。圖標(biāo)就象電子元件，連線板就向原理圖中的元件間的連線，同時又是程序中數(shù)據(jù)流進(jìn)、流出的路徑。創(chuàng)意平臺具有以下特點(diǎn)[4]：

1)它是一個交互式的窗體。多視圖的主子程序結(jié)構(gòu)，可以同時觀察主程序與子程序，使得語言具有直觀與可讀性。以事件觸發(fā)為模型的圖形化語言，經(jīng)過編譯器的編譯、可以生成計算機(jī)可執(zhí)行的代碼。

2)純協(xié)作式調(diào)度內(nèi)核。你寫入的各個事件響應(yīng)代碼，都是相互獨(dú)立的，由內(nèi)部嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。內(nèi)置的OS是純協(xié)作式的，不需要考慮該資源是否有人訪問，不會發(fā)生沖突問題。

圖1 LinkBoy用戶設(shè)計界面Fig.1 LinkBoy User interface design

3)加入運(yùn)算、數(shù)據(jù)組合、組件功能、控制結(jié)構(gòu)、接口函數(shù)、模塊封裝等各方面的功能?？梢酝瓿蓷l件轉(zhuǎn)移、循環(huán)等復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算。

4)支持硬件驅(qū)動程序，支持在線燒錄?？梢詫⑿碌某绦蛲ㄟ^串口或者USB口燒入到單片機(jī)芯片內(nèi)，也可依需求自己修改各參數(shù)。與多種程序兼容?？珊唵蔚嘏c傳感器，各種電子元件：熱敏電阻，遙控器，伺服馬達(dá)等連接，實(shí)現(xiàn)你的創(chuàng)意。可以方便的使用鼠標(biāo)、鍵盤等輸入裝置的互動。

5)對編程思想的培養(yǎng)和程序設(shè)計能力的提高有著極大的好處。利用創(chuàng)意平臺，給學(xué)習(xí)程序設(shè)計帶來了便利，不必要再面對繁瑣的程序語句。通過接入插件，可以直接生成C程序代碼，保存C程序文件，直觀生動。圖形化編程方式使得編程的可視化和交互性大大增強(qiáng)，達(dá)到了編程訓(xùn)練的重點(diǎn)放在專業(yè)應(yīng)用問題的程序化思維方法和編程技能的訓(xùn)練的目的[5]。

4 圖形化編程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.1 編程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LinkBoy是集軟件、電子、機(jī)械等部分為一體的平臺，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在用戶界面設(shè)計好軟件后，通過下載線將程序燒錄到控制板上，并控制外圍的電子插件，形成最終的產(chǎn)品。

圖2 LinkBoy系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 LinkBoy The structure of the system

4.2 圖形化編譯器

編譯系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將圖形化程序轉(zhuǎn)換成，能被控制器識別的圖形化指令代碼，即類C語言代碼。編譯器將圖形化程序翻譯成圖形化程序由二維空間的圖片對象組成，圖片對象之間按照一定的邏輯順序連接。一個圖片對象包括圖片屬性信息、語法屬性信息和語義屬性信息三種信息。其中圖片屬性信息定義圖片固有的屬性，如:空間位置、大小形狀等；語法屬性信息定義圖片與圖片之間的邏輯關(guān)系，例如選擇、循環(huán)等控制結(jié)構(gòu)的圖片對象；語義屬性信息定義圖片對象的含義，例如獲取采樣值、設(shè)置傳輸關(guān)系等。編譯過程為選擇編譯事件；從該事件所對應(yīng)程序的類C代碼中讀取字符；產(chǎn)生對應(yīng)的目標(biāo)代碼；保存、編譯完成[4,6-8]。

4.3 圖形化流程控制

流程控制包括條件判斷和循環(huán)操作兩種，如下流程圖：

1)如果表達(dá)式，語句序列否則語句序列

2)反復(fù)執(zhí)行（n次）（首先語句 A）（每次語句 B）（直到語句C）語句序列

圖3 圖形化流程圖Fig.3 Graphical flow chart

對于“反復(fù)執(zhí)行”流程而言，在“反復(fù)執(zhí)行”后邊可以有“n次”“首先”“每次”“直到”這幾個輔助詞。當(dāng)計算機(jī)開始執(zhí)行一個“反復(fù)執(zhí)行”流程時，先執(zhí)行“首先”語句，然后執(zhí)行用戶自己的語句列表部分，最后執(zhí)行“每次”語句；然后開始判斷“直到”語句的條件是否成立，如果成立了就會終止流程，走向C點(diǎn)；如果不成立再進(jìn)一步判斷“n次”語句，看看是否到了指定的次數(shù)，如果到了也是終止流程，走向C點(diǎn)；如果次數(shù)沒到的話，會走向A點(diǎn)，開始一次新的循環(huán)。我們看到上邊的流程圖中有3個點(diǎn)：A、B和C。要想直接到達(dá)這3個點(diǎn)，我們可以用3個特別語句：“重做”“跳過”“終止”，這3個語句是寫在圖中的“用戶語句列表”里的，當(dāng)程序在“用戶語句列表”中順序執(zhí)行時，只要遇到“重做”語句，就會立刻跳轉(zhuǎn)到A點(diǎn)重新來；只要遇到 “跳過”語句就會跳過剩下的語句部分，直接到達(dá)B點(diǎn)；要是遇到“終止”語句，那就什么都不做，直接跳到C點(diǎn)，結(jié)束“反復(fù)執(zhí)行”流程。

4.4 圖形化編程模塊

LinkBoy每個模塊可以看作是硬件對應(yīng)的圖標(biāo)，可以直接使用。每個電子模塊被放入圖形用戶界面后，系統(tǒng)會自動導(dǎo)入相應(yīng)的驅(qū)動，甚至每個模塊的初始化將被系統(tǒng)自動執(zhí)行，用戶可以直接對各模塊進(jìn)行操作，可以拖動模塊，改變電路連接關(guān)系；添加、刪除模塊。各電子模塊按照功能可分為硬件模塊類、軟件模塊類、數(shù)據(jù)類3種大類，每個大類中包括一系列具體模塊，如輸入類中包括單個按鈕、雙按鈕、游戲手柄等；通信類包括串口通信組件、485通信組件、USB通信組件、無線通信組件等。使用連線將各模塊連接，系統(tǒng)會將連接端口自動配置生成代碼。

5 LinkBoy平臺應(yīng)用

使用LinkBoy電子積木創(chuàng)意平臺編寫、執(zhí)行程序的流程：

1）編寫圖形化程序，保存在記事本；

2）通過USB接口將主控制板與計算計連接；

3）清除原有程序，上傳新程序；

4）LinkBoy板按照程序工作。

下面是液晶屏計時顯示的實(shí)例。

圖4 液晶屏計時顯示項目的記事本部分內(nèi)容Fig.4 LCD timer display Notepad portions of content items

圖5 液晶屏計時顯示項目的圖形化編程界面Fig.5 LCD timer display graphical programming interface project

圖液晶屏計時顯示項目實(shí)物圖形顯示界面Fig.6 LCD timer display project real graphic display interface

6 結(jié)論

通過對電子積木平臺的運(yùn)行機(jī)制的分析,提出了事件觸發(fā)、協(xié)作式調(diào)度內(nèi)核的模型,給出了開發(fā)圖形化語言環(huán)境的一種實(shí)現(xiàn)方法。圖形化程序的二維特性,為保證軟件開發(fā)中分析、設(shè)計、編程各階段信息的一致性提供了極好的解決契機(jī)。除了將圖形化分析設(shè)計結(jié)果線性化、形式化外,還可將面向?qū)ο蠹夹g(shù)引入其中。通過代碼的圖形化，讓學(xué)習(xí)者進(jìn)入了工程思維方式，讓編程就像拼圖一樣形象的表示出來，真正地讓工程師專心進(jìn)入到設(shè)計狀態(tài)。

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[3]齊大彬.智能教育機(jī)器人圖形化編程系統(tǒng)原理及實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2014,31（3）：79-81.

[4]王強(qiáng).LinkBoy創(chuàng)意展示平臺簡介[EB/OL].[2013-04-25]http://blog.sina.com.cn/s/blog_694e0ad70101acvj.html.

[5]張曉盼.引入圖形化方法改革非計算機(jī)專業(yè)程序開發(fā)教學(xué)模式[J].計算機(jī)教育，2011(7):57-62.

[6]徐小良.圖形化編程平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計及實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2001(4):4-8.

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