浮點(diǎn)模型的定點(diǎn)化到產(chǎn)品級代碼的生成

浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)是嵌入式軟件開發(fā)中的一個重要步驟，這項(xiàng)工作非常繁瑣，需要大量人力并且容易產(chǎn)生錯誤。用浮點(diǎn)數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)的算法表示理想的算法行為，經(jīng)常必須轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)學(xué)，才能用于更加經(jīng)濟(jì)的、只支持整數(shù)的大規(guī)模生產(chǎn)的硬件。轉(zhuǎn)換后，位精確的定點(diǎn)仿真使您在將該設(shè)計(jì)嵌入到硬件之前就能夠研究定點(diǎn)數(shù)據(jù)類型的行為。

本文使用具有容錯能力的燃料系統(tǒng)模型作為示例，描述了將浮點(diǎn)模型定點(diǎn)化并生成產(chǎn)品級代碼的工具和工作流程。涵蓋的主題包括：

* 準(zhǔn)備模型和數(shù)據(jù)

* 分析、改進(jìn)以及優(yōu)化定點(diǎn)定標(biāo)

* 生成優(yōu)化代碼

此處描述的方法采用 Simulink Fixed Point 中的兩種工具：Fixed-Point Advisor 和 Fixed-Point Tool。

準(zhǔn)備模型和數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換

容錯燃料系統(tǒng)模型包含三個主要組件：ECU 控制器、發(fā)動機(jī)氣動力學(xué)設(shè)備以及幾個傳感器。在本文中，我們著重講述 ECU 控制器。

Fixed-Point Advisor 是一個交互式工具，旨在加速模型準(zhǔn)備過程

圖1： 通過 Fixed-Point Advisor 準(zhǔn)備模型。

使用 Fixed-Point Advisor，我們可完成下列步驟（在下面會詳細(xì)討論）：

* 替換不支持的模塊。

* 設(shè)置信號記錄并創(chuàng)建初始參考數(shù)據(jù)。

* 指定目標(biāo)硬件特性。

* 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)類型和定標(biāo)。

* 執(zhí)行初始數(shù)據(jù)類型和定標(biāo)。

* 檢查模型對于產(chǎn)品級代碼部署的適宜性。

替換不支持的模塊

Fixed Point Advisor 會檢查模型里是否有不支持定點(diǎn)數(shù)據(jù)類型的模塊。連續(xù)的模塊將被離散的模塊替換。Simulink 模塊支持的數(shù)據(jù)類型列表表明大多數(shù)模塊支持定點(diǎn)數(shù)據(jù)類型。與成百個嵌入式 MATLAB 函數(shù)（包括嵌入式算法設(shè)計(jì)中通常使用的函數(shù)）一樣，Stateflow 完全支持定點(diǎn)數(shù)據(jù)類型。

設(shè)置信號記錄并創(chuàng)建初始參考數(shù)據(jù)

在仿真過程中，會記錄諸如輸入和輸出信號等感興趣的信號，以用于與浮點(diǎn)模型的等值比較以及代碼生成。我們可以記錄所有信號，或者從模型子系統(tǒng)層級中選擇信號，包括未命名的信號。

指定目標(biāo)硬件特性

Fixed Point Advisor 會提醒我們?yōu)樽址?、整型、長字節(jié)和其他對特定處理器而言獨(dú)特的屬性指定正確的字長，以避免仿真或代碼生成時產(chǎn)生錯誤結(jié)果。

準(zhǔn)備數(shù)據(jù)類型和定標(biāo)

在初始設(shè)計(jì)中，工程師通常使用繼承數(shù)據(jù)類型傳遞，以加速原型設(shè)計(jì)并快速迭代幾個設(shè)計(jì)。當(dāng)項(xiàng)目接近產(chǎn)品化時，他們會調(diào)整并指定每個數(shù)據(jù)類型并定標(biāo)，以優(yōu)化定點(diǎn)結(jié)果。

Fixed-Point Advisor 通過自動執(zhí)行下列步驟，可加速此工作流程：

* 去除輸出數(shù)據(jù)類型的繼承，以幫助避免數(shù)據(jù)類型傳遞沖突。

* 放寬可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)類型傳遞錯誤的輸入數(shù)據(jù)類型的設(shè)置或限制。

* 確定需要我們指定用于定點(diǎn)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)最小值和最大值的模塊。

執(zhí)行初始數(shù)據(jù)類型和定標(biāo)

依據(jù)我們的初始輸入，F(xiàn)ixed-Point Advisor 可為輸入模塊、常數(shù)、參數(shù)以及具有中間數(shù)據(jù)類型的模塊（例如求和模塊）建議數(shù)據(jù)類型和初始定標(biāo)。該工具使用設(shè)計(jì)或仿真浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的最小值和最大值，建議初始定點(diǎn)數(shù)據(jù)定標(biāo)。該工具可報(bào)告定標(biāo)沖突并提出解決沖突的方法。然后，檢查數(shù)值錯誤并分析記錄的信號。

于是生成了初步定標(biāo)的定點(diǎn)模型，以及比較浮點(diǎn)到定點(diǎn)模型結(jié)果的方案。

檢查模型對于產(chǎn)品級代碼部署的適宜性

我們使用 Fixed-Point Advisor 來運(yùn)行最終檢查，以確定該模型對于產(chǎn)品級代碼部署的適宜性。包括：

* 指出可生成昂貴的飽和和舍入代碼的模塊。

* 指出有問題的定點(diǎn)操作，例如確保定點(diǎn)查找表有足夠的空間，以最大化代碼效率。

分析、改進(jìn)以及優(yōu)化定點(diǎn)定標(biāo)

使用 Fixed-Point Tool 可在您的模型中互動地分析、改進(jìn)以及優(yōu)化定點(diǎn)定標(biāo)。該工具首先確定溢出和/或飽和的定點(diǎn)值。然后，通過臨時將所有信號轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)精度并執(zhí)行另一個仿真運(yùn)行，找到定標(biāo)的合適動態(tài)范圍。合適的動態(tài)范圍用于計(jì)算對于每個模塊而言更合適的定點(diǎn)定標(biāo)。然后，我們接受或拒絕每個信號的建議定標(biāo)。我們還可配置該工具，以忽略所選的模塊，使您能夠?qū)为?dú)定標(biāo)的模塊使用自動定標(biāo)。

圖2：利用 Fixed-Point Tool 對容錯燃料系統(tǒng)模型進(jìn)行自動定標(biāo)。

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顯示了用于容錯燃料系統(tǒng)模型的工具及其建議的定標(biāo)。注意，上述步驟可用于相同的模型，使您能夠?qū)τ诟↑c(diǎn)設(shè)計(jì)和定點(diǎn)設(shè)計(jì)使用一個模型，并減少在設(shè)計(jì)迭代過程中維護(hù)獨(dú)立模型的需求。

在整個過程中，比較圖提供快速且簡單的方法，分析和對比定點(diǎn)設(shè)計(jì)和浮點(diǎn)設(shè)計(jì)的行為

圖3：比較當(dāng)前定點(diǎn)結(jié)果與參考浮點(diǎn)結(jié)果，以及這些結(jié)果之間的差別。

生成優(yōu)化代碼

我們可使用 Real-Time Workshop Embedded Coder 生成針對不同目標(biāo)的代碼。如果我們選擇默認(rèn) ANSI/ISO C 代碼選項(xiàng)，可在具有指定字長的任何目標(biāo)上部署可移植代碼。我們還通過使用目標(biāo)函數(shù)庫來利用處理器優(yōu)化的代碼，以將生成的數(shù)學(xué)函數(shù)、數(shù)學(xué)運(yùn)算符以及內(nèi)存分配函數(shù)（例如 memcpy）自動替換為特定于目標(biāo)的形式。圖 4：定點(diǎn) ANSI C 代碼與為 Infineon TriCore 處理器優(yōu)化的使用目標(biāo)函數(shù)庫定點(diǎn)代碼的比較。 比較具有飽和邏輯的 32 位整數(shù)定點(diǎn)相加的 ANSI C 代碼與 Infineon TriCore 優(yōu)化代碼。

圖4：定點(diǎn) ANSI C 代碼與為 Infineon TriCore 處理器優(yōu)化的使用目標(biāo)函數(shù)庫定點(diǎn)代碼的比較。

位精確的定點(diǎn)仿真可幫助您在 Simulink 環(huán)境內(nèi)對設(shè)計(jì)建模。Simulink Fixed Point 提供的工具可讓您自動化定點(diǎn)轉(zhuǎn)換工作流程的耗時部分，并研究設(shè)計(jì)以進(jìn)一步改進(jìn)定點(diǎn)性能。Real-Time Workshop Embedded Coder 對產(chǎn)品級代碼部署提供一種自動化途徑。