使用基于模型的設計進行早期驗證和確認

此過程使所有驗證和測試都位于 V 型圖右側(cè)，即完成設計和實現(xiàn)之后。對于基于 C 代碼的傳統(tǒng)嵌入式控制開發(fā)流程，集成測試通常在其他形式且級別逐漸提高的測試（例如硬件在環(huán)測試以及全系統(tǒng)測試）之前。雖然此開發(fā)順序有助于組織復雜的系統(tǒng)設計，但還是有一些缺點：該順序直到開發(fā)末期才考慮驗證和測試，而此時修復所找到的任何錯誤都要付出最高代價且最耗時；用戶必須實現(xiàn)所有組件后才能測試系統(tǒng)；并且該順序未能考慮開發(fā)過程中的迭代。

通過基于模型的設計，可以將驗證作為并行活動，貫穿整個開發(fā)流程（圖 3）。

圖3：通過基于模型的設計，可以將驗證作為并行活動，貫穿整個開發(fā)流程。

在開發(fā)流程的每一步進行測試和驗證，意味著可在引入錯誤之處發(fā)現(xiàn)這些錯誤。與傳統(tǒng)的 V 型圖流程相比，可以更快地重復、修復和驗證設計。那么該如何著手實現(xiàn)早期驗證，從而減少在開發(fā)末期花費在測試和調(diào)試設計上的時間呢？下文概述了一些最佳做法。

模型驗證和確認

基于模型的設計實現(xiàn)驗證和確認的主要方式是通過在仿真的過程中進行測試。雖然許多組織都進行某種形式的建模，但是大多是以專門的方式應用仿真，因此無法在最大程度上實現(xiàn)潛在的驗證好處。單靠仿真無法發(fā)現(xiàn)所有錯誤；但這是一個巨大的進步，您幾乎在開始設計模型時就可以進行仿真。建模環(huán)境中的迭代快速且方便。

對各個組件進行建模非常有用，可能是完成復雜設計所必需的；然而，不要因為這種優(yōu)勢，就不再對將在其中運行組件的系統(tǒng)或環(huán)境進行建模。通過在單一環(huán)境中對整個系統(tǒng)進行建模，您可以快速了解組件功能與其他組件的交互方式，以及集成組件在已部署的系統(tǒng)或環(huán)境中的行為方式?？赡軙l(fā)現(xiàn)對組件或其他方面的遺漏需求。通過使系統(tǒng)模型還原為迭代一個組件時的狀態(tài)，可以評估設計迭代對系統(tǒng)功能的影響。

與設計和開發(fā)同時進行測試有助于檢測出潛在問題，并可顯著減少修復這些問題的成本和時間。通過在開發(fā)模型期間考慮測試，可使設計更適合于進行測試，從而確?？蓪υO計進行完整測試。此原則的應用范圍遠不止嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，但是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員卻常常忽視了此原則。原因是用戶以為可以在軟件中完成任何事情，也可能是文檔化的開發(fā)流程忽視了此原則。然而，與新型靈活的軟件開發(fā)流程一樣，在設計模型之前或與設計模型并行開發(fā)測試是最佳做法。

幾乎每種測試方案都涉及到某些變數(shù)：輸入、對象參數(shù)、環(huán)境因素或其他要素。時間和開支通常限制了測試方案的靈活度；然而，通過在仿真環(huán)境中進行測試，您可以更加快速且并行（如果處理能力夠用）地仿真測試案例。在仿真中探查整個參數(shù)空間還可以縮小要實時運行的關(guān)鍵測試的范圍。

每個組織都有針對設計和實現(xiàn)的標準或最佳做法。這其中有許多標準并未形成文檔，但是卻被關(guān)鍵人員銘記在心。使標準書面化并將標準檢查加入模型開發(fā)流程是很簡單的做法，但卻可以產(chǎn)生巨大的影響，因為這樣做可盡早減少“愚蠢”錯誤的數(shù)量，確保模型在團隊成員之間共享時更具可讀性，并且更加容易在將來進行維護。對標準進行建?？梢苑浅：唵危ㄈ珧炞C所有輸入和輸出是否已連接），也可以非常復雜（如是否滿足行業(yè)標準）。關(guān)鍵在于開發(fā)一致的檢查，然后在整個組織中推動對這些檢查的遵從性。

確定測試組件何時能夠滿足需要通常不僅是一門科學，更是一門藝術(shù)，因為您通常要根據(jù)設計或測試工程師的判斷來確定。對于軟件組件，許多團隊使用代碼覆蓋率作為更客觀的標準來衡量測試的完整性。您同樣可以將模型覆蓋率用于模型測試。覆蓋率用于衡量您在測試過程中測試了模型中（或源代碼中）的多少邏輯。修改的條件/決策覆蓋率是一種針對覆蓋率的嚴格衡量標準，得到廣泛接受。

大多數(shù)質(zhì)量標準的核心原則是進行文檔化。把需求，流程。結(jié)果記錄下來。如果不進行記錄，則不可能跟蹤做過的事情；不可能向別人（如客戶）證明您滿足了他們的需求；也不可能重復您的結(jié)果。雖然記錄通常很單調(diào)乏味，但是有許多工具可通過生成標準報告，來幫助自動記錄活動。在您以后發(fā)現(xiàn)問題或希望重復使用設計時，良好的記錄可幫助您節(jié)省時間，這也是非常重要的。

代碼驗證

這些做法是在模型級別開始早期驗證的良好起點。最后，需要實現(xiàn)并部署到產(chǎn)品化硬件上。此時，代碼驗證成為重點?；谀Ｐ偷脑O計可以提供哪些幫助呢？

自動代碼生成是一種非常有用的方法。通過在模型級別驗證您的設計，然后直接從模型生成代碼，您只需要驗證模型和代碼是否等效。這是一種理想狀態(tài)的工作流程。在實際情況中，有時不可能從模型生成需要的所有代碼。您可能使用傳統(tǒng)流程開發(fā)了一些中間件和設備驅(qū)動程序代碼，或是可能將舊有代碼用于某些功能。對于這些情況，可通過一些其他的最佳做法來驗證代碼。

用戶幾乎可以在任何位置測試硬件；然而，硬件通常沒有與仿真中的測試有連接。許多因素都可能導致這種沒有聯(lián)系的情況：在硬件上運行測試的小組與對設計建模的小組不是同一批人，在實驗室中運行的軟件與設計中的軟件也不相同。然而，當您在模型上運行的測試與在實驗室中運行的測試相同時，您就可以確切地了解設計在實驗室中的執(zhí)行情況。若要驗證代碼是否等效于設計模型，您可以將相同的測試工具用于模型測試，來測試已編譯并在嵌入式目標上運行的模型軟件實現(xiàn)。同時對組件設計模型和嵌入式目標上的代碼運行測試是一種協(xié)同仿真步驟，稱為 PIL（處理器在環(huán)）測試。現(xiàn)在，可以使用一些工具在軟件上執(zhí)行測試（開發(fā)人員在主機（如 PC）上創(chuàng)建的測試），同時也在嵌入式處理器上運行測試。將嵌入式代碼與原始模型的測試結(jié)果進行比較，可幫助您確保組件的行為在編譯和下載后保持不變，并確保代碼可正確運行。

嵌入式代碼中的運行時錯誤特別難以發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)現(xiàn)后，又難以進行調(diào)試。這類例子包括溢出和下溢、被零除和其他算術(shù)錯誤、超出范圍的數(shù)組訪問、非法取消引用的指針、對非初始化數(shù)據(jù)的只讀訪問以及危險的類型轉(zhuǎn)換等。直到最近，基本上只有三種選擇可用于檢測嵌入式軟件中的運行時錯誤：代碼檢查、靜態(tài)分析器和試錯法動態(tài)測試。代碼檢查所需的人工工作量很大，通常不適用于大型的復雜應用程序。靜態(tài)分析器可發(fā)現(xiàn)的問題相對較少，更重要的是，無法診斷大多數(shù)源代碼。動態(tài)（或“白盒”）測試要求您編寫并執(zhí)行大量測試用例。如果測試失敗，可能難以調(diào)試問題?；谛问津炞C的代碼驗證工具可以證明不存在運行時錯誤，并可為代碼的可靠性提供強有力的保證。當在開發(fā)流程中使用代碼驗證工具進行測試時，這些工具還可提供其他技術(shù)，用于發(fā)現(xiàn)在后期測試階段中難以發(fā)現(xiàn)并需要花費很高代價進行更正的設計和實現(xiàn)錯誤。

系統(tǒng)建模和仿真工具（如 Simulink）可幫助優(yōu)化設計和驗證復雜算法的任務，而無需昂貴的硬件。摒棄手工編碼、難以維護的仿真后，控制設計人員可以快速開發(fā)復雜算法和系統(tǒng)模型，并在將算法應用到硬件上之前測試這些算法。經(jīng)過多年經(jīng)驗的積累，現(xiàn)在已形成了可提供自動代碼生成的方法，以支持原型系統(tǒng)中的實時測試并在以后用于可部署的嵌入式代碼?，F(xiàn)在，基于模型的設計已廣泛應用于各種領(lǐng)域，包括控制、圖像處理、音頻、通信和信號處理。

基于模型的設計的一個主要好處在于，我們有機會隨所有其他開發(fā)步驟（尤其是在開發(fā)流程早期）一起，并行地進行嚴格驗證和確認?；谀Ｐ偷脑O計的采用者通過不懈的實踐已發(fā)現(xiàn)了一系列最佳做法，使用這些最佳做法可以在最大程度上獲得這種設計帶來的好處。這些做法（特別是隨模型一起開發(fā)測試并在代碼和硬件上重復使用模型測試）可以顯著降低開發(fā)項目由于在流程后期發(fā)現(xiàn)錯誤而導致未能達到質(zhì)量或交付目標的風險。