基于模型和產(chǎn)品代碼生成的汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

    由于有了基于模型的設(shè)計，使得開發(fā)大量的汽車嵌入式系統(tǒng)時，可以由模型自動生成最終編譯的軟件。不過，這項工作需要一個軟件工程框架的支持。本文使用線控駕駛系統(tǒng)(steer-by-wire system)作為實例，給出了設(shè)計汽車嵌入式系統(tǒng)的過程、方法和測試工具的一個框架。

    近來，有報道稱包括Denso、Motorola和Toyota在內(nèi)的不同行業(yè)的多家公司都在產(chǎn)品代碼方面取得了成功。這項技術(shù)正日益成為軟件下一波演進(jìn)發(fā)展中的一個重要組成部分。雖然總體而言，它對軟件工程化過程的影響已為業(yè)界所了解，但卻并沒有十分清楚地確立起來。對于早前類似演進(jìn)發(fā)展(包括從機(jī)器代碼發(fā)展到匯編代碼，再發(fā)展到源代碼)的參與者而言，這一點(diǎn)尤為明顯。

    隨著抽象與自動化程度的日益提高，新的過程、方法和工具接踵而來。瀑布式過程已讓位于螺旋式方法和迭代方法。實時方法已經(jīng)出現(xiàn)并正在取代靜態(tài)流程設(shè)計。新的工具也出現(xiàn)了，如包含有調(diào)試器、優(yōu)化編譯器和自動測試工具的IDE(集成開發(fā)環(huán)境)。

圖1：查看一個軟件過程的普通方法是借助于V形圖。

    不過，由于難以使用、缺乏了解或是工具支持不足的原因，并非每一種好的思想都能開花結(jié)果。有跡象表明，這些方法和工具對于主流產(chǎn)品應(yīng)用并非總是實用。例如，用驗證來確保軟件正確性的正規(guī)方法是使用一種全世界只有極少數(shù)專家才真正懂得的語言編寫的。此外，1980年代的實時用例工具可以輔助設(shè)計，但并未提供一條產(chǎn)生最終代碼的簡便途徑。

    在早期應(yīng)用階段，產(chǎn)品代碼生成的效果相當(dāng)不錯，這主要是由于其實用性。不過，其進(jìn)一步的發(fā)展還需要依靠集成過程、方法和工具的支持。一種新的過程只有在具備了所需支持方法和工具的條件下才會成功。如果這些條件有所欠缺，那么對一個公司成熟的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計的努力就不會是可行和實用的。

圖2：用控制系統(tǒng)方框圖來表示反饋控制。

    本文給出了主要面向產(chǎn)品代碼生成的這樣一個框架：
* 基于模型的設(shè)計
* 建模、仿真、快速原型、產(chǎn)品代碼生成、模型測試和覆蓋、在環(huán)測試
* 開發(fā)工具、驗證與生效(V&V)工具、集成工具

模型的設(shè)計過程

圖3：創(chuàng)建一個系統(tǒng)模型來表示所需的行為特性。

    通過提供一個共同的圖形規(guī)范和分析環(huán)境，基于模型的設(shè)計可以支持控制/DSP系統(tǒng)工程師和軟件開發(fā)人員的需要。在這個過程中，模型被創(chuàng)建并用來規(guī)定系統(tǒng)數(shù)據(jù)、接口、反饋控制邏輯、離散/狀態(tài)邏輯和實時行為。

    基于模型的設(shè)計被應(yīng)用在幾乎每個需要嵌入式控制系統(tǒng)的行業(yè)之中。而在大型汽車電子控制單元(ECU)等嵌入式應(yīng)用的開發(fā)過程中，其應(yīng)用更為廣泛。DSP和通信應(yīng)用也采用這種方法，但它們更強(qiáng)調(diào)建模和原型，而不是產(chǎn)品代碼生成。

    為了滿足這些不同的應(yīng)用，基于模型的設(shè)計過程必須解決線控駕駛系統(tǒng)等安全關(guān)鍵系統(tǒng)的需求。它還必須產(chǎn)生最終的、可執(zhí)行的代碼，而且必須特別緊湊、快速和能夠追蹤。這是由于在大批量生產(chǎn)的ECU中，必須使用低成本的定點(diǎn)微控制器部件和DSP。

    基于模型的設(shè)計適合任何過程框架環(huán)境，包括那些在IEEE軟件工程化標(biāo)準(zhǔn)中描述過的過程框架。

    IEEE Std. 730適用于任何通用軟件項目。為了很好地理解它的過程框架，有必要回顧一下它對“關(guān)鍵性”項目文檔所列出的需求。

    IEEE Std. 730需求包括：

圖4：線控駕駛系統(tǒng)。

* 軟件需求規(guī)范(SRS)

* 軟件設(shè)計描述(SDD)

* 軟件驗證與生效計劃(SVVP)

* 軟件驗證與生效報告(SVVR)

* 用戶文檔

* 軟件配置管理計劃(SCMP)

* 包括軟件項目管理計劃(SPMP)在內(nèi)的其他文檔

    查看一個軟件過程的普通方法是借助于圖1所示的V形圖。這個圖對應(yīng)著大部分工程化過程，不過在開發(fā)生命周期中，這個過程是迭代性的，有許多反復(fù)的步驟。圖中的軟件過程包括以下幾個組成部分：

* 開發(fā) (需求、設(shè)計、編碼和集成)

圖4B：對線控駕駛系統(tǒng)的建模與仿真。

* 驗證和生效(V&V)

* 集成 (軟件配置管理、需求可追蹤性和文檔)

    基于模型的設(shè)計非常注重過程迭代、早期測試和開發(fā)過程中的重用，這使得它既獨(dú)特而又功能強(qiáng)大。這一過程的內(nèi)在實用性體現(xiàn)在V形圖的底部，產(chǎn)品代碼生成是來自設(shè)計的一種自動過渡。

    在基于模型的設(shè)計中，方框圖或狀態(tài)圖模型可以用作系統(tǒng)和軟件需求、軟件設(shè)計，或者在稍作假設(shè)變換之后，用作源代碼。這個過程的另外一個獨(dú)特之處是，它在最終編譯之前要進(jìn)行廣泛的驗證和生效操作。早期驗證和生效的好處很明顯：它將大大減少在最終系統(tǒng)集成和測試期間發(fā)現(xiàn)的bug數(shù)目，返工次數(shù)也會更少。

開發(fā)方法與工具

    在軟件工程化過程中，采用了基于模型的設(shè)計方法。

圖5：故障模式效應(yīng)分析用來確保線控駕駛的救生操作。

 

 

 

 

 

 

 

    開發(fā)方法包括：1. 行為建模；2. 詳細(xì)軟件設(shè)計；3. 分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計；4. 產(chǎn)品代碼生成；5. 嵌入式目標(biāo)集成。驗證與生效方法包括：1. 仿真與分析；2. 快速原型；3. 模型測試與覆蓋；4. 代碼追蹤與檢查；5. 硬件在環(huán)(HIL，Hardware-In-the-Loop)測試。集成方法包括：1. 源控制接口；2. 需求管理接口；3. 報告生成。

    下面給出了對各種開發(fā)方法的簡潔描述，并提供有例子和工具支持信息。注意這里給出的所有工具都是商業(yè)上可以獲得的。其后的部分討論了開發(fā)行為，并包含有關(guān)鍵的驗證與生效方法。最后，本文將通過集成組件來進(jìn)行總結(jié)。

1. 行為建模

    模型用來為單個子系統(tǒng)(如線控駕駛)的各個方面規(guī)定需求和設(shè)計。

    一個典型的系統(tǒng)包括：

* 輸入(如方向盤傳感器)

* 控制器或DSP模型

* 設(shè)備模型(直流馬達(dá)、齒條和小齒輪、車輪)

* 輸出(方向的改變)

    在圖2和圖3中，通過使用控制系統(tǒng)方框圖來表示反饋控制、使用狀態(tài)圖來表示離散事件和條件邏輯，以及使用DSP模塊來表示濾波器，可以創(chuàng)建一個系統(tǒng)模型來表示所需的行為特性。

2. 仿真與分析

圖6：圖3中電源管理設(shè)計的測試覆蓋。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    然后，通過使用基于時間或基于事件的仿真以及頻域分析等方法，可以執(zhí)行和分析模型，以確保其滿足需求。例如，一個線控駕駛系統(tǒng)必須對傳感器故障進(jìn)行響應(yīng)，并“將高頻響應(yīng)衰減到3db以下，同時指令傳輸速率不能低于1.5Mbps”。

    圖4A和B*中對線控駕駛系統(tǒng)的建模與仿真,可以確定這些需求是相互沖突的還是有效的。仿真是一個核心驗證行為，它確?？梢詫崿F(xiàn)一個系統(tǒng)來滿足這些需求。

3. 快速原型

    要在產(chǎn)品的芯片上實現(xiàn)一個可以工作的解決方案，設(shè)備模型還不夠精確，處理能力也不滿足要求，因此建模本身并不能提供完整的解決方案。

    快速原型對于克服這些缺陷非常有用，因為它用物理設(shè)備來代替設(shè)備模型。在線控駕駛的例子中，設(shè)備有可能是一輛汽車，這時就使用一輛實際的汽車。不過，因為系統(tǒng)并未建立起來，一個實時或嵌入式平臺將負(fù)責(zé)運(yùn)行控制器軟件并與設(shè)備進(jìn)行交互作用。

    有兩種形式的快速原型：功能性快速原型和目標(biāo)性快速原型。功能性原型使用一臺功能強(qiáng)大的實時計算機(jī)，如多處理器浮點(diǎn)PowerPC或DSP系統(tǒng)，目的在于確定系統(tǒng)對物理汽車的控制是否如對模型汽車的控制一樣好。如果真的是這樣，則設(shè)備模型的不精確性就顯得無關(guān)緊要，并且控制策略也得到了驗證。

圖7：代碼回放。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    目標(biāo)性快速原型在相同或相似的產(chǎn)品MCU或DSP，而不是高端PowerPC內(nèi)核或其他專用高端快速原型硬件中執(zhí)行軟件。目的是將代碼下載到實際產(chǎn)品目標(biāo)之中，以便用物理設(shè)備進(jìn)行快速測試。如果執(zhí)行良好，則控制器不僅看似有效，而且可以在產(chǎn)品中加以實現(xiàn)。

    軟件設(shè)計行為包括定點(diǎn)數(shù)據(jù)規(guī)范、實時任務(wù)、數(shù)據(jù)輸入、內(nèi)建測試和診斷。通過基于模型的設(shè)計，用于算法規(guī)范和驗證的同一模型被軟件工程師加以改進(jìn)和約束，作為產(chǎn)品代碼生成過程的一部分。

4. 模型測試

    與將模型部署到硬件上去編譯和集成相比，在桌面計算機(jī)上測試模型具有更大的優(yōu)勢?；谠创a的測試已經(jīng)存在許多年了，但是最近的方法允許進(jìn)行模型測試和結(jié)構(gòu)覆蓋。使用的場景假定是開發(fā)人員對控制器施加滿負(fù)荷壓力，以便用仿真和覆蓋來驗證其設(shè)計完備性。另一種測試類型是故障模式效應(yīng)分析(Failure Mode Effect Analysis)，用來確保故障情況下線控駕駛的救生操作，參見圖5*。

    設(shè)計完備性不佳的例子是數(shù)值溢出和死碼(dead code)。使用最小或最大數(shù)值的模型壓力測試可以確保不發(fā)生溢出情況。使用仿真很容易進(jìn)行這種測試，但死碼就沒有這么容易檢測出來了，因為檢測需要結(jié)構(gòu)覆蓋。死碼與失效代碼不同，其區(qū)別在于后者是開發(fā)人員已知，并且出于某種原因而使其失效的。實際情況中的死碼意味著在確定規(guī)范期間遺漏了什么。

圖8：器件驅(qū)動模塊庫。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    模型覆蓋用來評估一個測試件的累積結(jié)果，以確定哪些功能模塊未被執(zhí)行，或者哪些狀態(tài)未被到達(dá)。源代碼語言(如C和C++)中建立了某些類型的覆蓋，但現(xiàn)在模型也可以進(jìn)行覆蓋了。這項工作要求C語言所不需要(或不可能有)的新理論和新工具，因為這些語言沒有功能模塊或狀態(tài)這樣的構(gòu)造。

    修改條件/決策覆蓋(MC/DC)被FAA(美國聯(lián)邦航空管理局)認(rèn)為是滿足安全關(guān)鍵系統(tǒng)所必需的最嚴(yán)格的覆蓋水平。現(xiàn)在，這種覆蓋在一種基于模型的設(shè)計框架和許多需要線控設(shè)計的場合中已經(jīng)得到了實現(xiàn)。

5. 分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計

    現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)包含一些分布式ECU，它們相互間通過一個象FlexRay這樣的容錯通信系統(tǒng)進(jìn)行實時通信。寶馬(BMW)最新的DSC(動態(tài)穩(wěn)定性控制) 包含ABS作為其15個子功能之一。通過從DECOMSYS向單個子系統(tǒng)增加主機(jī)、任務(wù)和信號等網(wǎng)絡(luò)部件，嵌入式功能可以連接和映射到一個ECU結(jié)構(gòu)之上。此外，它方便了OSEKtime/OS等時間觸發(fā)操作系統(tǒng)的任務(wù)激活時間行為的仿真。集群、主機(jī)、任務(wù)和連接是在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計和仿真的。最后，整個設(shè)計與DECOMSYS::DESIGNER產(chǎn)品實現(xiàn)了無縫集成，可以與FlexRay xCDEF設(shè)計數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行互動。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Vector 公司和Cadence公司提供的分布式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計解決方案(分別為DaVinci和SysDesign)集成了Simulink/Stateflow的 Real-Time Workshop/Real-Time Workshop Embedded Coder，由子系統(tǒng)產(chǎn)生代碼，并將它們映射到結(jié)構(gòu)上進(jìn)行驗證。

產(chǎn)品代碼生成

    模型經(jīng)過驗證并且生效之后，就該產(chǎn)生代碼了。使用編譯器時，這個過程是簡單的。這里存在著各種不同的優(yōu)化設(shè)置和用戶配置選項。關(guān)鍵之處在于保持代碼的高效、精確并與原有的代碼或其他工具進(jìn)行集成。另一個要點(diǎn)是保持代碼相對框圖的可追蹤性，以便進(jìn)行檢查和驗證。

1. 代碼追蹤和檢查

    圖7顯示了一個自動鏈接的HTML報告。當(dāng)開發(fā)人員選擇代碼中的求和模塊時，它將把該模塊在框圖中進(jìn)行高亮顯示。

2. 嵌入式目標(biāo)集成

    圖6*中的應(yīng)用使用了速率轉(zhuǎn)換模塊。不過，它與商用RTOS之間也存在著直接的聯(lián)系，包括VxWorks 和各種OSEK產(chǎn)品。如圖7*所示，還需要集成設(shè)備驅(qū)動程序。

3. 硬件在環(huán)測試

    控制器建立起來之后，就可以在環(huán)路中使用實時設(shè)備模型來執(zhí)行一系列開環(huán)和閉環(huán)測試了。有一種測試僅涉及處理器，稱作“處理器在環(huán)”測試。另一種測試使用實際建立的ECU硬件，叫做“硬件在環(huán)”測試。在這兩種測試中，都使用設(shè)備模型來對物理控制器進(jìn)行測試。通過這一系列測試(或許與需求驗證中所用的是同種測試)，控制器必須看來對于消費(fèi)者是可以接受的。

4. 集成組件

    在開發(fā)過程中，大部分軟件標(biāo)準(zhǔn)都要求需求追蹤能力，這或許源于其他需求工具。此外，還需要軟件配置管理(SCM)來對開發(fā)過程中的各種工件(artifact)進(jìn)行存儲、版本維護(hù)和查找。由報告生成工具產(chǎn)生的文檔將確保管理者、消費(fèi)者和供應(yīng)商能夠看到模型。SCM的接口如圖8*所示。

本文小結(jié)

    當(dāng)整個軟件工程化過程行為得到支持時，將會推動軟件的進(jìn)步。但是，僅僅進(jìn)行局部的、支離破碎的改進(jìn)是不足夠。本文介紹了基于模型的設(shè)計和產(chǎn)品代碼生成的一個完整的軟件工程化框架，并且還給出了具體的方法和工具，意在表明它并非僅僅是一種理論，而是既實用又有效。

參考文獻(xiàn)

[1]www.mathworks.com
[2] www.ieee.org
[3] B. Aldrich, "Using model coverage analysis to improve the controls development process," AIAA 2002
[4] "Software considerations in airborne systems and equipment certification," RTCA/DO-178B, RTCA Inc., Dec. 1992
[5] Dr. Michael von der Beeck, ARTIST Industrial Seminar, Paris, 23.4.2002 http://www.artistembedded.org/PastEvents/Kickoffs/BMW.pdf
[6] www.decomsys.com
[7] Paul Yih, Jihan Ryu, J. Christian Gerdes, Modification of Vehicle Handling Characteristics via Steer-by-Wire, Dept. of Mechanical Engineering, Stanford University