基于模型的嵌入式C代碼的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

摘要：以51芯片為例，講述了模型的建立、調(diào)試與驗(yàn)證，以及基于模型的嵌入式C代碼的自動生成及軟硬件在環(huán)測試。實(shí)踐表明，該基于模型的設(shè)計(jì)方法可顯著提高工作效率、縮短研發(fā)周期、降低開發(fā)成本，并且增加了代碼的安全性與魯棒性，有效降低了產(chǎn)品軟件開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。
關(guān)鍵詞：Matlab／Stateflow；RTW；MBD；軟件在環(huán)仿真；自動代碼生成；快速原型

引言
    伴隨著嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性越來越高，系統(tǒng)的開發(fā)周期不斷延長。但開發(fā)周期與系統(tǒng)的安全性、可靠性又有一定的沖突。目前，一臺中高檔汽車的軟件控制代碼就超過了500萬行，F(xiàn)-35的控制軟件更是高達(dá)1 500萬行，一艘航母的控制代碼超過一億行。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)本身也變得更加復(fù)雜。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須面對以下挑戰(zhàn)：更快地向市場交付產(chǎn)品，更低的成本，保證復(fù)雜系統(tǒng)的協(xié)調(diào)一致，高質(zhì)量的代碼，具有足夠的靈活性以適應(yīng)最后一分鐘的變化修改。為了在日趨激烈的市場競爭中占據(jù)有利地位，開發(fā)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，同時(shí)縮短開發(fā)周期，手工編寫的代碼已很難滿足應(yīng)用要求，必須改變傳統(tǒng)的項(xiàng)目開發(fā)方式。通常，編程人員花費(fèi)大量的時(shí)間來編制程序、查錯、調(diào)試和驗(yàn)證，增加了工作量，延長了研制周期。此外，手工編制的代碼良莠不齊，降低了軟件運(yùn)行的可靠度，增加了代碼錯誤的可能性和系統(tǒng)出錯的風(fēng)險(xiǎn)。為了迎接這些挑戰(zhàn)，工程師必須找到以更快速有效開發(fā)軟件和硬件的方法。鑒于軟件工程化思想的引入和盛行，軟件業(yè)發(fā)展潮流逐漸趨于工程化、流水化。Matlab環(huán)境下集成的Sireulink／Stateflow模型設(shè)計(jì)和使用RTW生成目標(biāo)代碼的軟件設(shè)計(jì)方案便是這一大背景的產(chǎn)物?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)就是解決該問題的一種方法。Matlab MBD解決方案可以使用戶方便地穿梭于建模、仿真、驗(yàn)證與實(shí)施之間，而無需重寫代碼或改變軟件環(huán)境。經(jīng)過近幾年的不斷完善，這種方法已經(jīng)從概念演變成實(shí)際應(yīng)用中重要的開發(fā)模式。洛克希德·馬丁、波音、空中客車、通用汽車、奔馳、西門子、摩托羅拉等公司都有應(yīng)用MBD技術(shù)開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)。

1 基于模型的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)
    傳統(tǒng)開發(fā)模式利用手工編寫代碼，即把控制策略翻譯成高級語言代碼，然后用斷點(diǎn)調(diào)試的方式測試和修改控制程序。其存在很多弊?。?br />     ①對軟件工程師在嵌入式軟件代碼編寫方面要求較高，雖然軟件工程師對被控對象的特性和控制方法有深入了解，但往往并不擅長編寫MCU的底層代碼。這迫使軟件工程師花費(fèi)大量精力去仔細(xì)閱讀MCU相關(guān)說明書。
    ②控制算法的翻譯和驗(yàn)證困難。最初的控制策略和算法必須手工翻譯成MCU上的程序代碼，控制策略的修改將伴隨大量原始代碼的修改，致使代碼的人工維護(hù)成本較高。
    ③硬件平臺依賴。軟件開發(fā)過程與硬件平臺緊密相連，可移植能力往往較差。硬件平臺一旦更換，代碼移植成本很高。
    而在基于模型的設(shè)計(jì)中通過自動編碼生成技術(shù)以及循環(huán)硬件測試，工程師們可以消除由于手動操作以及縮短通往產(chǎn)品出貨的路徑時(shí)所產(chǎn)生的錯誤，生成測試、驗(yàn)證以及最終使用產(chǎn)品的編碼，大大提高效率。例如，美國直升飛機(jī)制造商基于模型設(shè)計(jì)為Tiltrotor飛機(jī)開發(fā)了飛行控制程序，比原來的方法縮短了40％的軟件開發(fā)時(shí)間。采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，一個(gè)有多年VHDL編碼經(jīng)驗(yàn)的工程師，一般要花費(fèi)645小時(shí)對全功能SDR波形進(jìn)行手動編碼，而另外一個(gè)沒有多少經(jīng)驗(yàn)的工程師采用基于模型設(shè)計(jì)技術(shù)，只用了不超過46個(gè)小時(shí)就完成了相同的工作。通過采用基于模型設(shè)計(jì)技術(shù)，英國國防和航天公司的軟件無線電系統(tǒng)(SDR)工程師們能夠減少10％的重復(fù)工作以及
整體開發(fā)時(shí)間。
    基于模型的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：
    ①開發(fā)人員具有統(tǒng)一的開發(fā)平臺，模型的理解具有非歧義性。使用一種公共設(shè)計(jì)環(huán)境，在開發(fā)的早期就避免了需求分析錯誤。
    ②模型復(fù)用性好，便于維護(hù)、組裝。
    ③RTW技術(shù)將程序員從代碼的海洋中解放出來，使其專注于核心技術(shù)的研究上。
    ④基于模型的設(shè)計(jì)在效率和代碼的安全性方面具有無與倫比的優(yōu)勢。
    ⑤可顯著降低系統(tǒng)開發(fā)周期與研發(fā)成本。
    ⑥通過多范疇的仿真改進(jìn)算法。
    ⑦降低了對物理原型的依賴。
    ⑧設(shè)計(jì)集成了測試，不斷地發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤。
    在大系統(tǒng)開發(fā)中廣泛采用MBD技術(shù)。從美國的F-35、GM的混合動力車，到X系列空天飛機(jī)以及歐洲的空客A380，再到G4的開發(fā)都采用了基于模型設(shè)計(jì)。美國CRC出版社于2009年11月出版了第一本基于模型的嵌入式設(shè)計(jì)專著《Model-Based Design for Embedded Systems》。而國內(nèi)基于模型的設(shè)計(jì)應(yīng)用才剛剛起步，在此方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外技術(shù)發(fā)展，相關(guān)文獻(xiàn)很少。在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要還是停留在模型的早期仿真測試上，DSP開發(fā)多停留在M文件測試無誤后再改編C代碼的階段，代碼自動生成和模型檢驗(yàn)的例子較少，沒有真正體現(xiàn)基于模型設(shè)計(jì)的精髓。更多地關(guān)注Simulink，對更適于嵌入式系統(tǒng)建模的Stateflow應(yīng)用相對較少，硬件描述語言很少應(yīng)用。相比而言，MBD方法在自動代碼生成領(lǐng)域的研究較多，而對軟件在回路仿真方面的研究極少。

2 基于模型的設(shè)計(jì)流程
2．1 DO-17B標(biāo)準(zhǔn)下基于模型的設(shè)計(jì)
    一個(gè)完整的基于模型的設(shè)計(jì)應(yīng)該符合DO-17B標(biāo)準(zhǔn)，它通常要包含以下幾個(gè)部分：
    ◆建立需求文檔與可執(zhí)行的技術(shù)規(guī)范
    ◆需求與模型問的雙向跟蹤
    ◆模型檢查
    ◆模型的驗(yàn)證
    ◆軟件在環(huán)測試
    ◆處理器在環(huán)測試
    ◆代碼優(yōu)化
    ◆代碼有效性檢查
    ◆代碼效率剖析
    ◆內(nèi)存用量檢查
    ◆硬件在環(huán)測試
    ◆生成產(chǎn)品代碼[!--empirenews.page--]
    基于模型的設(shè)計(jì)核心是系統(tǒng)模型。MathWorks公司的Simulink產(chǎn)品系列使設(shè)計(jì)人員可以在一個(gè)圖形化的交互環(huán)境中應(yīng)用基于模型的設(shè)計(jì)，在該環(huán)境中，設(shè)計(jì)人員還可以利用直觀的模塊圖，對系統(tǒng)模型和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行可視化處理。在統(tǒng)一的可視化的開發(fā)測試平臺上，從設(shè)計(jì)概念到實(shí)現(xiàn)一氣呵成，減少了不必要的勞動，大大縮短項(xiàng)目的開發(fā)周期，減少資金投入，提高代碼的穩(wěn)健性、一致性，滿足DO-17B航空電子規(guī)范的工作流程，使基于模型的設(shè)計(jì)能夠?yàn)槟切Π踩?、可靠性要求極其嚴(yán)格甚至近乎苛刻的設(shè)計(jì)提供絕好的方案。和基于文本的模型相比，這種圖形化的環(huán)境可以使你更容易理解設(shè)計(jì)和子系統(tǒng)之間的交互。Mathworks公司的Real-Time Workshop Embedded Coder可以將Simuli nk／   Stateflow中的算法模型自動轉(zhuǎn)化為嵌入式C代碼，大大降低了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)門檻。開發(fā)人員可以在Simulink／Stateflow中建立系統(tǒng)模型，構(gòu)思解決方案，然后使用RTW自動生成優(yōu)化的、可移植的、自定義的產(chǎn)品級C代碼，并根據(jù)特定的目標(biāo)硬件配置自動生成嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。
2．2 Matlab中C代碼生成
    Matlab中C代碼生成主要有兩種方式。
    (1)基于Embedded Matlab
    支持從概念到實(shí)現(xiàn)的編程理念，用戶可以從現(xiàn)存或自編的M-code中直接生成高效、可讀的嵌入式C代碼，使編程效率大為提高。
    (2)用戶通過Simulink和有限狀態(tài)Stateflow
    Simulink是動態(tài)和嵌入式等系統(tǒng)的建模與仿真工具，也是基于模型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。Simulink自帶了1000多個(gè)用戶模塊，可實(shí)現(xiàn)與有限狀態(tài)機(jī)的無縫鏈接，擴(kuò)展對復(fù)雜系統(tǒng)的建模能力。基本上它可以快速地創(chuàng)建基于嵌入式器件的應(yīng)用模型，完成精確的系統(tǒng)模型描述，可以針對任何能夠用數(shù)學(xué)來描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模，例如動力學(xué)系統(tǒng)、控制制導(dǎo)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、船舶及汽車等。Simulink還提供了豐富的功能塊以及不同的專業(yè)模塊集合，利用Sireulink幾乎可以做到不書寫一行代碼完成整個(gè)動態(tài)系統(tǒng)的建模工作。Stateflow狀態(tài)機(jī)基于有限狀態(tài)機(jī)的理論使用自然的、便于理解的形式，使復(fù)雜的邏輯關(guān)系清晰簡單。一些傳統(tǒng)方法很難實(shí)現(xiàn)的算法利用其建模非常容易，特別適用于對復(fù)雜的事件驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。用戶只通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可以輕而易舉地構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)，生成可靠的C代碼。利用RTW-EC等工具為用戶算法自動生成嵌入式代碼。這是一種高效、實(shí)用的方法，目前國內(nèi)外各大公司在進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)已廣泛采用。它的核心思想是讓工程師把精力集中于算法的研究上，把枯燥、困難的代碼編寫工作留給計(jì)算機(jī)去自動完成，這樣可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時(shí)避免了人為引入的錯誤，降低了風(fēng)險(xiǎn)。
2．3 嵌入式代碼的快速生成
    以8051處理器為例，利用Matlab Plug-in Blockset與Stateflow無縫鏈接，利用RTW-EC工具自動生成C代碼，并完成代碼測試檢驗(yàn)工作。開發(fā)環(huán)境：Matlab+Proteus。
    首先構(gòu)建stateflow模型并生成代碼。以簡單的流水燈為例，使用Stateflow構(gòu)建模型Stateflow-model如圖1所示。

    模型連接Lightflow model如圖2所示。

    模型連接好后，調(diào)整模型配置選項(xiàng)卡參數(shù)。處理器選擇8051系列，ERT．TLC生成代碼選C，生成SIL，生成代碼報(bào)告打勾，其他默認(rèn)。
    保存模型，單擊幽按鈕，Matlab將自動生成模型代碼。[!--empirenews.page--]
    代碼生成后還需要對其硬件接口進(jìn)行修改，添加頭文件和輸入／輸出端口等。
   
    利用軟件在環(huán)技術(shù)，工程師們能夠在設(shè)計(jì)流程中盡早發(fā)現(xiàn)并清除錯誤，而非在VHDL行為測試階段。借助基于模型設(shè)計(jì)，工程師們再也不用在流程最后階段來測試并驗(yàn)證與需求的一致性。取而代之的是，他們在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中都能進(jìn)行測試和驗(yàn)證，既節(jié)省時(shí)間也節(jié)約了成本。
2．4 虛擬硬件在環(huán)仿真
    Proteus是英國Labcenter Electronics公司研發(fā)的多功能EDA軟件，是一款集單片機(jī)和SPICE分析于一身的電路設(shè)計(jì)和仿真軟件，能方便地完成單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、單片機(jī)源代碼級調(diào)試與仿真，功能極其強(qiáng)大。
    修改前面生成的代碼端口，在Proteus下搭建電路并利用生成的代碼在Keil-C中編譯，跑馬燈運(yùn)行正常。如圖3所示，邏輯分析儀顯示波形仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)硬件開發(fā)板驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于模型設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)的有效性。

    除經(jīng)典51系列外，該方法適用于8051、DSP、ARM、FPGA等各種嵌入式芯片應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。Matlab支持第三方工具，可與ccs／MPLab進(jìn)行無縫鏈接，用戶可以利用Matlab腳本和Simulink模型在芯片上調(diào)試，驗(yàn)證自動生成的嵌入式C代碼，并自動下載到目標(biāo)板執(zhí)行。
    代碼生成后，用戶可以利用Matlab中提供的工具在Model Advisor中進(jìn)行模型的檢查，在System Test中對模型進(jìn)行測試，在Design Veri tier中進(jìn)行模型覆蓋度等分析，通過模型覆蓋分析法確保設(shè)計(jì)缺陷盡早地被發(fā)現(xiàn)。MathWorks公司收購的PolySpace已集成到Matlab平臺專門用作C代碼驗(yàn)證，進(jìn)一步提高了代碼的穩(wěn)健性。此外還可以進(jìn)行處理器在環(huán)測試驗(yàn)證(PIL)、代碼執(zhí)行追綜、代碼優(yōu)化等，在此不作詳述。

3 結(jié)論
    大量事實(shí)表明，RTW生成的代碼在效率和代碼可讀性等方面足以與優(yōu)秀的手寫代碼媲美。MDB代碼的生成有效地減少了人為引入錯誤的可能，將產(chǎn)品的代碼生成和驗(yàn)證過程留給計(jì)算機(jī)去自動完成，軟件的一致性好，軟硬件整合簡單，可靠性高，大大降低解決問題的成本，代表了嵌入式代碼開發(fā)的發(fā)展方向，具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。