浮點(diǎn)模型的定點(diǎn)化到產(chǎn)品級代碼的生成

浮點(diǎn)轉換為定點(diǎn)是嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中的一個(gè)重要步驟，這項工作非常繁瑣，需要大量人力并且容易產(chǎn)生錯誤。用浮點(diǎn)數學(xué)設計的算法表示理想的算法行為，經(jīng)常必須轉換為定點(diǎn)數學(xué)，才能用于更加經(jīng)濟的、只支持整數的大規模生產(chǎn)的硬件。轉換后，位精確的定點(diǎn)仿真使您在將該設計嵌入到硬件之前就能夠研究定點(diǎn)數據類(lèi)型的行為。

本文使用具有容錯能力的燃料系統模型作為示例，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：

* 準備模型和數據

* 分析、改進(jìn)以及優(yōu)化定點(diǎn)定標

* 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。

準備模型和數據進(jìn)行轉換

容錯燃料系統模型包含三個(gè)主要組件：ECU 控制器、發(fā)動(dòng)機氣動(dòng)力學(xué)設備以及幾個(gè)傳感器。在本文中，我們著(zhù)重講述 ECU 控制器。

Fixed-Point Advisor 是一個(gè)交互式工具，旨在加速模型準備過(guò)程

圖1： 通過(guò) Fixed-Point Advisor 準備模型。

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

* 替換不支持的模塊。

* 設置信號記錄并創(chuàng )建初始參考數據。

* 指定目標硬件特性。

* 準備數據類(lèi)型和定標。

* 執行初始數據類(lèi)型和定標。

* 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(huì )檢查模型里是否有不支持定點(diǎn)數據類(lèi)型的模塊。連續的模塊將被離散的模塊替換。Simulink 模塊支持的數據類(lèi)型列表表明大多數模塊支持定點(diǎn)數據類(lèi)型。與成百個(gè)嵌入式 MATLAB 函數（包括嵌入式算法設計中通常使用的函數）一樣，Stateflow 完全支持定點(diǎn)數據類(lèi)型。

設置信號記錄并創(chuàng )建初始參考數據

在仿真過(guò)程中，會(huì )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，或者從模型子系統層級中選擇信號，包括未命名的信號。

指定目標硬件特性

Fixed Point Advisor 會(huì )提醒我們?yōu)樽址?、整型、長(cháng)字節和其他對特定處理器而言獨特的屬性指定正確的字長(cháng)，以避免仿真或代碼生成時(shí)產(chǎn)生錯誤結果。

準備數據類(lèi)型和定標

在初始設計中，工程師通常使用繼承數據類(lèi)型傳遞，以加速原型設計并快速迭代幾個(gè)設計。當項目接近產(chǎn)品化時(shí)，他們會(huì )調整并指定每個(gè)數據類(lèi)型并定標，以?xún)?yōu)化定點(diǎn)結果。

Fixed-Point Advisor 通過(guò)自動(dòng)執行下列步驟，可加速此工作流程：

* 去除輸出數據類(lèi)型的繼承，以幫助避免數據類(lèi)型傳遞沖突。

* 放寬可能導致數據類(lèi)型傳遞錯誤的輸入數據類(lèi)型的設置或限制。

* 確定需要我們指定用于定點(diǎn)轉換的設計最小值和最大值的模塊。

執行初始數據類(lèi)型和定標

依據我們的初始輸入，Fixed-Point Advisor 可為輸入模塊、常數、參數以及具有中間數據類(lèi)型的模塊（例如求和模塊）建議數據類(lèi)型和初始定標。該工具使用設計或仿真浮點(diǎn)數據的最小值和最大值，建議初始定點(diǎn)數據定標。該工具可報告定標沖突并提出解決沖突的方法。然后，檢查數值錯誤并分析記錄的信號。

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

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(lái)運行最終檢查，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(wèn)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

使用 Fixed-Point Tool 可在您的模型中互動(dòng)地分析、改進(jìn)以及優(yōu)化定點(diǎn)定標。該工具首先確定溢出和/或飽和的定點(diǎn)值。然后，通過(guò)臨時(shí)將所有信號轉換為浮點(diǎn)精度并執行另一個(gè)仿真運行，找到定標的合適動(dòng)態(tài)范圍。合適的動(dòng)態(tài)范圍用于計算對于每個(gè)模塊而言更合適的定點(diǎn)定標。然后，我們接受或拒絕每個(gè)信號的建議定標。我們還可配置該工具，以忽略所選的模塊，使您能夠對單獨定標的模塊使用自動(dòng)定標。

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