基于模型的嵌入式C代碼的實(shí)現與驗證

摘要：以51芯片為例，講述了模型的建立、調試與驗證，以及基于模型的嵌入式C代碼的自動(dòng)生成及軟硬件在環(huán)測試。實(shí)踐表明，該基于模型的設計方法可顯著(zhù)提高工作效率、縮短研發(fā)周期、降低開(kāi)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(kāi)發(fā)的風(fēng)險。
關(guān)鍵詞：Matlab／Stateflow；RTW；MBD；軟件在環(huán)仿真；自動(dòng)代碼生成；快速原型

引言
伴隨著(zhù)嵌入式系統的復雜性越來(lái)越高，系統的開(kāi)發(fā)周期不斷延長(cháng)。但開(kāi)發(fā)周期與系統的安全性、可靠性又有一定的沖突。目前，一臺中高檔汽車(chē)的軟件控制代碼就超過(guò)了500萬(wàn)行，F-35的控制軟件更是高達1 500萬(wàn)行，一艘航母的控制代碼超過(guò)一億行。與此同時(shí)，設計本身也變得更加復雜。嵌入式系統設計師必須面對以下挑戰：更快地向市場(chǎng)交付產(chǎn)品，更低的成本，保證復雜系統的協(xié)調一致，高質(zhì)量的代碼，具有足夠的靈活性以適應最后一分鐘的變化修改。為了在日趨激烈的市場(chǎng)競爭中占據有利地位，開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，同時(shí)縮短開(kāi)發(fā)周期，手工編寫(xiě)的代碼已很難滿(mǎn)足應用要求，必須改變傳統的項目開(kāi)發(fā)方式。通常，編程人員花費大量的時(shí)間來(lái)編制程序、查錯、調試和驗證，增加了工作量，延長(cháng)了研制周期。此外，手工編制的代碼良莠不齊，降低了軟件運行的可靠度，增加了代碼錯誤的可能性和系統出錯的風(fēng)險。為了迎接這些挑戰，工程師必須找到以更快速有效開(kāi)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模型設計和使用RTW生成目標代碼的軟件設計方案便是這一大背景的產(chǎn)物。基于模型的設計就是解決該問(wèn)題的一種方法。Matlab MBD解決方案可以使用戶(hù)方便地穿梭于建模、仿真、驗證與實(shí)施之間，而無(wú)需重寫(xiě)代碼或改變軟件環(huán)境。經(jīng)過(guò)近幾年的不斷完善，這種方法已經(jīng)從概念演變成實(shí)際應用中重要的開(kāi)發(fā)模式。洛克希德·馬丁、波音、空中客車(chē)、通用汽車(chē)、奔馳、西門(mén)子、摩托羅拉等公司都有應用MBD技術(shù)開(kāi)發(fā)的成功經(jīng)驗。

1 基于模型的設計優(yōu)點(diǎn)
傳統開(kāi)發(fā)模式利用手工編寫(xiě)代碼，即把控制策略翻譯成高級語(yǔ)言代碼，然后用斷點(diǎn)調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(xiě)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(cháng)編寫(xiě)MCU的底層代碼。這迫使軟件工程師花費大量精力去仔細閱讀MCU相關(guān)說(shuō)明書(shū)。
②控制算法的翻譯和驗證困難。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成本較高。
③硬件平臺依賴(lài)。軟件開(kāi)發(fā)過(guò)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。
而在基于模型的設計中通過(guò)自動(dòng)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(dòng)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，美國直升飛機制造商基于模型設計為T(mén)iltrotor飛機開(kāi)發(fā)了飛行控制程序，比原來(lái)的方法縮短了40％的軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。采用傳統的設計流程，一個(gè)有多年VHDL編碼經(jīng)驗的工程師，一般要花費645小時(shí)對全功能SDR波形進(jìn)行手動(dòng)編碼，而另外一個(gè)沒(méi)有多少經(jīng)驗的工程師采用基于模型設計技術(shù)，只用了不超過(guò)46個(gè)小時(shí)就完成了相同的工作。通過(guò)采用基于模型設計技術(shù)，英國國防和航天公司的軟件無(wú)線(xiàn)電系統(SDR)工程師們能夠減少10％的重復工作以及
整體開(kāi)發(fā)時(shí)間。
基于模型的設計與傳統設計相比有以下優(yōu)點(diǎn)：
①開(kāi)發(fā)人員具有統一的開(kāi)發(fā)平臺，模型的理解具有非歧義性。使用一種公共設計環(huán)境，在開(kāi)發(fā)的早期就避免了需求分析錯誤。
②模型復用性好，便于維護、組裝。
③RTW技術(shù)將程序員從代碼的海洋中解放出來(lái)，使其專(zhuān)注于核心技術(shù)的研究上。
④基于模型的設計在效率和代碼的安全性方面具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢。
⑤可顯著(zhù)降低系統開(kāi)發(fā)周期與研發(fā)成本。
⑥通過(guò)多范疇的仿真改進(jìn)算法。
⑦降低了對物理原型的依賴(lài)。
⑧設計集成了測試，不斷地發(fā)現和糾正錯誤。
在大系統開(kāi)發(fā)中廣泛采用MBD技術(shù)。從美國的F-35、GM的混合動(dòng)力車(chē)，到X系列空天飛機以及歐洲的空客A380，再到G4的開(kāi)發(fā)都采用了基于模型設計。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計專(zhuān)著(zhù)《Model-Based Design for Embedded Systems》。而國內基于模型的設計應用才剛剛起步，在此方面遠遠落后于國外技術(shù)發(fā)展，相關(guān)文獻很少。在設計中的應用主要還是停留在模型的早期仿真測試上，DSP開(kāi)發(fā)多停留在M文件測試無(wú)誤后再改編C代碼的階段，代碼自動(dòng)生成和模型檢驗的例子較少，沒(méi)有真正體現基于模型設計的精髓。更多地關(guān)注Simulink，對更適于嵌入式系統建模的Stateflow應用相對較少，硬件描述語(yǔ)言很少應用。相比而言，MBD方法在自動(dòng)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 基于模型的設計流程
2．1 DO-17B標準下基于模型的設計
一個(gè)完整的基于模型的設計應該符合DO-17B標準，它通常要包含以下幾個(gè)部分：
◆建立需求文檔與可執行的技術(shù)規范
◆需求與模型問(wèn)的雙向跟蹤
◆模型檢查
◆模型的驗證
◆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
◆內存用量檢查
◆硬件在環(huán)測試
◆生成產(chǎn)品代碼