基于模型的嵌入式C代碼的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

摘要：以51芯片為例，講述了模型的建立、調(diào)試與驗(yàn)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(cè)試。實(shí)踐表明，該基于模型的設(shè)計(jì)方法可顯著提高工作效率、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(xiǎn)。
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
伴隨著嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性越來(lái)越高，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期不斷延長(zhǎng)。但開(kāi)發(fā)周期與系統(tǒng)的安全性、可靠性又有一定的沖突。目前，一臺(tái)中高檔汽車的軟件控制代碼就超過(guò)了500萬(wàn)行，F(xiàn)-35的控制軟件更是高達(dá)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(shè)計(jì)本身也變得更加復(fù)雜。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須面對(duì)以下挑戰(zhàn)：更快地向市場(chǎng)交付產(chǎn)品，更低的成本，保證復(fù)雜系統(tǒng)的協(xié)調(diào)一致，高質(zhì)量的代碼，具有足夠的靈活性以適應(yīng)最后一分鐘的變化修改。為了在日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)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，手工編寫的代碼已很難滿足應(yīng)用要求，必須改變傳統(tǒng)的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)方式。通常，編程人員花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)編制程序、查錯(cuò)、調(diào)試和驗(yàn)證，增加了工作量，延長(zhǎng)了研制周期。此外，手工編制的代碼良莠不齊，降低了軟件運(yùn)行的可靠度，增加了代碼錯(cuò)誤的可能性和系統(tǒng)出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。為了迎接這些挑戰(zhàn)，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(shè)計(jì)和使用RTW生成目標(biāo)代碼的軟件設(shè)計(jì)方案便是這一大背景的產(chǎn)物。基于模型的設(shè)計(jì)就是解決該問(wèn)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(yàn)證與實(shí)施之間，而無(wú)需重寫代碼或改變軟件環(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(yīng)用中重要的開(kāi)發(fā)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(yīng)用MBD技術(shù)開(kāi)發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)。

1 基于模型的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)
傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式利用手工編寫代碼，即把控制策略翻譯成高級(jí)語(yǔ)言代碼，然后用斷點(diǎn)調(diào)試的方式測(cè)試和修改控制程序。其存在很多弊病：
①對(duì)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(duì)被控對(duì)象的特性和控制方法有深入了解，但往往并不擅長(zhǎng)編寫MCU的底層代碼。這迫使軟件工程師花費(fèi)大量精力去仔細(xì)閱讀MCU相關(guān)說(shuō)明書(shū)。
②控制算法的翻譯和驗(yàn)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(hù)成本較高。
③硬件平臺(tái)依賴。軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程與硬件平臺(tái)緊密相連，可移植能力往往較差。硬件平臺(tái)一旦更換，代碼移植成本很高。
而在基于模型的設(shè)計(jì)中通過(guò)自動(dòng)編碼生成技術(shù)以及循環(huán)硬件測(cè)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(cuò)誤，生成測(cè)試、驗(yàn)證以及最終使用產(chǎn)品的編碼，大大提高效率。例如，美國(guó)直升飛機(jī)制造商基于模型設(shè)計(jì)為Tiltrotor飛機(jī)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(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，一個(gè)有多年VHDL編碼經(jīng)驗(yàn)的工程師，一般要花費(fèi)645小時(shí)對(duì)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(yàn)的工程師采用基于模型設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)技術(shù)，英國(guó)國(guó)防和航天公司的軟件無(wú)線電系統(tǒng)(SDR)工程師們能夠減少10％的重復(fù)工作以及
整體開(kāi)發(fā)時(shí)間。
基于模型的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：
①開(kāi)發(fā)人員具有統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，模型的理解具有非歧義性。使用一種公共設(shè)計(jì)環(huán)境，在開(kāi)發(fā)的早期就避免了需求分析錯(cuò)誤。
②模型復(fù)用性好，便于維護(hù)、組裝。
③RTW技術(shù)將程序員從代碼的海洋中解放出來(lái)，使其專注于核心技術(shù)的研究上。
④基于模型的設(shè)計(jì)在效率和代碼的安全性方面具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。
⑤可顯著降低系統(tǒng)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(duì)物理原型的依賴。
⑧設(shè)計(jì)集成了測(cè)試，不斷地發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤。
在大系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中廣泛采用MBD技術(shù)。從美國(guó)的F-35、GM的混合動(dòng)力車，到X系列空天飛機(jī)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(shè)計(jì)。美國(guó)CRC出版社于2009年11月出版了第一本基于模型的嵌入式設(shè)計(jì)專著《Model-Based Design for Embedded Systems》。而國(guó)內(nèi)基于模型的設(shè)計(jì)應(yīng)用才剛剛起步，在此方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外技術(shù)發(fā)展，相關(guān)文獻(xiàn)很少。在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要還是停留在模型的早期仿真測(cè)試上，DSP開(kāi)發(fā)多停留在M文件測(cè)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(yàn)的例子較少，沒(méi)有真正體現(xiàn)基于模型設(shè)計(jì)的精髓。更多地關(guān)注Simulink，對(duì)更適于嵌入式系統(tǒng)建模的Stateflow應(yīng)用相對(duì)較少，硬件描述語(yǔ)言很少應(yīng)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(duì)軟件在回路仿真方面的研究極少。

2 基于模型的設(shè)計(jì)流程
2．1 DO-17B標(biāo)準(zhǔn)下基于模型的設(shè)計(jì)
一個(gè)完整的基于模型的設(shè)計(jì)應(yīng)該符合DO-17B標(biāo)準(zhǔn)，它通常要包含以下幾個(gè)部分：
◆建立需求文檔與可執(zhí)行的技術(shù)規(guī)范
◆需求與模型問(wèn)的雙向跟蹤
◆模型檢查
◆模型的驗(yàn)證
◆軟件在環(huán)測(cè)試
◆處理器在環(huán)測(cè)試
◆代碼優(yōu)化
◆代碼有效性檢查
◆代碼效率剖析
◆內(nèi)存用量檢查
◆硬件在環(huán)測(cè)試
◆生成產(chǎn)品代碼