基于模型的嵌入式C代碼的實現與驗證

徐超坤，朱婷，李威宣

（武漢理工大學 測控技術與儀器系，武漢430070）

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1500萬行，一艘航母的控制代碼超過一億行。［1］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Simulink／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［2－3］，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

◆需求與模型間的雙向跟蹤

◆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

基于模型的設計核心是系統模型。MathWorks公司的Simulink產品系列使設計人員可以在一個圖形化的交互環境中應用基于模型的設計，在該環境中，設計人員還可以利用直觀的模塊圖，對系統模型和子系統設計進行可視化處理。在統一的可視化的開發測試平臺上，從設計概念到實現一氣呵成，減少了不必要的勞動，大大縮短項目的開發周期，減少資金投入，提高代碼的穩健性、一致性，滿足DO－17B航空電子規范的工作流程，使基于模型的設計能夠為那些對安全性、可靠性要求極其嚴格甚至近乎苛刻的設計提供絕好的方案。和基于文本的模型相比，這種圖形化的環境可以使你更容易理解設計和子系統之間的交互。Mathworks公司的Real－Time Workshop Embedded Coder可以將Simulink／Stateflow中的算法模型自動轉化為嵌入式C代碼，大大降低了嵌入式系統的開發門檻。開發人員可以在Simulink／Stateflow中建立系統模型，構思解決方案，然后使用RTW自動生成優化的、可移植的、自定義的產品級C代碼，并根據特定的目標硬件配置自動生成嵌入式系統實時應用程序。

2.2 Matlab中C代碼生成

Matlab中C代碼生成主要有兩種方式。

（1）基于EmbeddedMatlab

支持從概念到實現的編程理念，用戶可以從現存或自編的M－code中直接生成高效、可讀的嵌入式C代碼，使編程效率大為提高。

（2）用戶通過Simulink和有限狀態Stateflow

Simulink是動態和嵌入式等系統的建模與仿真工具，也是基于模型設計的基礎。Simulink自帶了1000多個用戶模塊，可實現與有限狀態機的無縫鏈接，擴展對復雜系統的建模能力。基本上它可以快速地創建基于嵌入式器件的應用模型，完成精確的系統模型描述，可以針對任何能夠用數學來描述的系統進行建模，例如動力學系統、控制制導系統、通信系統、船舶及汽車等。Simulink還提供了豐富的功能塊以及不同的專業模塊集合，利用Simulink幾乎可以做到不書寫一行代碼完成整個動態系統的建模工作。Stateflow狀態機基于有限狀態機的理論使用自然的、便于理解的形式，使復雜的邏輯關系清晰簡單。一些傳統方法很難實現的算法利用其建模非常容易，特別適用于對復雜的事件驅動系統進行建模和仿真［9］。用戶只通過簡單直觀的鼠標操作，就可以輕而易舉地構造出復雜的系統，生成可靠的C代碼。利用RTW－EC等工具為用戶算法自動生成嵌入式代碼。這是一種高效、實用的方法，目前國內外各大公司在進行新產品開發時已廣泛采用。它的核心思想是讓工程師把精力集中于算法的研究上，把枯燥、困難的代碼編寫工作留給計算機去自動完成，這樣可以大大縮短產品的開發周期，同時避免了人為引入的錯誤，降低了風險。

2.3 嵌入式代碼的快速生成

以8051處理器為例，利用 Matlab Plug－in Blockset與Stateflow無縫鏈接，利用RTW－EC工具自動生成C代碼，并完成代碼測試檢驗工作。開發環境：Matlab＋Proteus。

首先構建Stateflow模型并生成代碼。以簡單的流水燈為例，使用Stateflow構建模型Stateflow－model如圖1所示。

圖1 Stateflow－model

模型連接Lightflow model如圖2所示。

模型連接好后，調整模型配置選項卡參數。處理器選擇8051系列，ERT.TLC生成代碼選C，生成SⅠL，生成代碼報告打勾，其他默認。

圖2 Lightflow model

代碼生成后還需要對其硬件接口進行修改，添加頭文件和輸入／輸出端口等。

利用軟件在環技術，工程師們能夠在設計流程中盡早發現并清除錯誤，而非在VHDL行為測試階段。借助基于模型設計，工程師們再也不用在流程最后階段來測試并驗證與需求的一致性。取而代之的是，他們在整個設計流程中都能進行測試和驗證，既節省時間也節約了成本。

2.4 虛擬硬件在環仿真

Proteus是英國Labcenter Electronics公司研發的多功能EDA軟件，是一款集單片機和SPⅠCE分析于一身的電路設計和仿真軟件，能方便地完成單片機系統的硬件設計、軟件設計、單片機源代碼級調試與仿真，功能極其強大。

修改前面生成的代碼端口，在Proteus下搭建電路并利用生成的代碼在Keil－C中編譯，跑馬燈運行正常。如圖3所示，邏輯分析儀顯示波形仿真結果滿足設計要求。經硬件開發板驗證，實驗結果驗證了基于模型設計的仿真系統的有效性。

除經典51系列外，該方法適用于8051、DSP、ARM、FPGA等各種嵌入式芯片應用實現。Matlab支持第三方工具，可與ccs／MPLab進行無縫鏈接，用戶可以利用Matlab腳本和Simulink模型在芯片上調試，驗證自動生成的嵌入式C代碼，并自動下載到目標板執行。

代碼生成后，用戶可以利用Matlab中提供的工具在Model Advisor中進行模型的檢查，在System Test中對模型進行測試，在Design Verifier中進行模型覆蓋度等分析，通過模型覆蓋分析法確保設計缺陷盡早地被發現。MathWorks公司收購的PolySpace已集成到Matlab平臺專門用作C代碼驗證，進一步提高了代碼的穩健性。此外還可以進行處理器在環測試驗證（PⅠL）、代碼執行追綜、代碼優化等，在此不作詳述。

圖3 軟件在環仿真

3 結 論

大量事實表明，RTW生成的代碼在效率和代碼可讀性等方面足以與優秀的手寫代碼媲美。MDB代碼的生成有效地減少了人為引入錯誤的可能，將產品的代碼生成和驗證過程留給計算機去自動完成，軟件的一致性好，軟硬件整合簡單，可靠性高，大大降低解決問題的成本，代表了嵌入式代碼開發的發展方向，具有很好的應用推廣價值。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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［5］趙彥斌，鐘再敏.基于代碼自動生成技術的汽車電子實時控制軟件開發［J］.計算機輔助工程，2008，17（3）：36－40.

［6］胡文華，孫馳，艾勝，等.基于RTW 的2H 橋逆變器SPWM目標代碼自動生成［J］.電力電子技術，2009，43（11）：73－75.

［7］陳永春.從 Matlab／Simulink模型到代碼實現［M］.北京：清華大學出版社，2002.

［8］李真芳，蘇濤，黃小宇.DSP程序開發——Matlab調試及直接目標代碼生成［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2003.

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［10］Jon Friedman.基于模型的設計給飛行器工程師提供幫助［OL］.［2011－06］.http：／／www.designnews.com.cn.

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［12］吳志紅，孫萌，毛明平.基于MATLAB／RTW的車載無刷直流電機調速系統自動代碼生成［J］.沈陽理工大學學報，2005，24（4）：43－45.