基于模型的嵌入式C代碼的實現與驗證

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代碼的自動生成及軟硬件在環測試。實踐表明，該基于模型的設計方法可顯著提高工作效率、縮短研發周期、降低開發成本，并且增加了代碼的安全性與魯棒性，有效降低了產品軟件開發的風險。
關鍵詞：Matlab／Stateflow；RTW；MBD；軟件在環仿真；自動代碼生成；快速原型

引言
伴隨著嵌入式系統的復雜性越來越高，系統的開發周期不斷延長。但開發周期與系統的安全性、可靠性又有一定的沖突。目前，一臺中高檔汽車的軟件控制代碼就超過了500萬行，F-35的控制軟件更是高達1 500萬行，一艘航母的控制代碼超過一億行。與此同時，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：更快地向市場交付產品，更低的成本，保證復雜系統的協調一致，高質量的代碼，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競爭中占據有利地位，開發出高質量的產品，同時縮短開發周期，手工編寫的代碼已很難滿足應用要求，必須改變傳統的項目開發方式。通常，編程人員花費大量的時間來編制程序、查錯、調試和驗證，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，降低了軟件運行的可靠度，增加了代碼錯誤的可能性和系統出錯的風險。為了迎接這些挑戰，工程師必須找到以更快速有效開發軟件和硬件的方法。鑒于軟件工程化思想的引入和盛行，軟件業發展潮流逐漸趨于工程化、流水化。Matlab環境下集成的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物。基于模型的設計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、驗證與實施之間，而無需重寫代碼或改變軟件環境。經過近幾年的不斷完善，這種方法已經從概念演變成實際應用中重要的開發模式。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用MBD技術開發的成功經驗。

1 基于模型的設計優點
傳統開發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，然后用斷點調試的方式測試和修改控制程序。其存在很多弊病：
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大量精力去仔細閱讀MCU相關說明書。
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。軟件開發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。
而在基于模型的設計中通過自動編碼生成技術以及循環硬件測試，工程師們可以消除由于手動操作以及縮短通往產品出貨的路徑時所產生的錯誤，生成測試、驗證以及最終使用產品的編碼，大大提高效率。例如，美國直升飛機制造商基于模型設計為Tiltrotor飛機開發了飛行控制程序，比原來的方法縮短了40％的軟件開發時間。采用傳統的設計流程，一個有多年VHDL編碼經驗的工程師，一般要花費645小時對全功能SDR波形進行手動編碼，而另外一個沒有多少經驗的工程師采用基于模型設計技術，只用了不超過46個小時就完成了相同的工作。通過采用基于模型設計技術，英國國防和航天公司的軟件無線電系統(SDR)工程師們能夠減少10％的重復工作以及
整體開發時間。
基于模型的設計與傳統設計相比有以下優點：
①開發人員具有統一的開發平臺，模型的理解具有非歧義性。使用一種公共設計環境，在開發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技術將程序員從代碼的海洋中解放出來，使其專注于核心技術的研究上。
④基于模型的設計在效率和代碼的安全性方面具有無與倫比的優勢。
⑤可顯著降低系統開發周期與研發成本。
⑥通過多范疇的仿真改進算法。
⑦降低了對物理原型的依賴。
⑧設計集成了測試，不斷地發現和糾正錯誤。
在大系統開發中廣泛采用MBD技術。從美國的F-35、GM的混合動力車，到X系列空天飛機以及歐洲的空客A380，再到G4的開發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著《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發展，相關文獻很少。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開發多停留在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的例子較少，沒有真正體現基于模型設計的精髓。更多地關注Simulink，對更適于嵌入式系統建模的Stateflow應用相對較少，硬件描述語言很少應用。相比而言，MBD方法在自動代碼生成領域的研究較多，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部分：
◆建立需求文檔與可執行的技術規范
◆需求與模型問的雙向跟蹤
◆模型檢查
◆模型的驗證
◆軟件在環測試
◆處理器在環測試
◆代碼優化
◆代碼有效性檢查
◆代碼效率剖析
◆內存用量檢查
◆硬件在環測試
◆生成產品代碼