MBD下的软件开发模式资料
MBD模式下的软件开发流程介绍王淳（联创汽车电子有限公司，上海 浦东 201203）【摘要】以模型为基础的软件开发，我们称之为MBD（Model-Based Design）。和传统的嵌入式软件开发模式相比，MBD模式无疑是一个巨大的进步，肯定会在今后几年内普及，并完全代替现有嵌入式软件的开发模式。【主题词】MBD，软件开发流程及工具，MIL，SIL，PIL，HIL一、变革的力量：上次的变革：90年代，国内嵌入式软件开发还停留在汇编语言的层次，汇编语言虽然灵活、效率高，但是在处理浮点计算、复杂逻辑运算等问题上，软件开发的工作量相当大。而同期国外已经大面积普及了以C语言为基础的嵌入式系统开发流程。当年很多程序员对于C编译器的正确性、可靠性、效率还都抱有过怀疑的态度，但是随着keil、tasking等公司不断推出的优质的C编译器，这种疑虑很快被打消。C代码不需要程序员关心浮点算法；对复杂逻辑的设计也很方便；而且针对于嵌入系统硬件资源有限的情况，很多专用的C编译器都提供各种优化选项；通过对堆栈的灵活运用，解决了RAM空间不足的问题；代码的可移植性、可继承性也远强于汇编语言。短短几年时间，C语言编程在国内嵌入式系统的开发中已经普及。先进工具可以大大提高劳动生产率，这一点在这次变革中体现的非常明显。现在的革命：而基于模型进行嵌入式系统开发流程，其优越性以及对传统开发方式的颠覆，一点也不比当年的变革小。对于嵌入式系统开发而言，存在以下一些具体的问题：l 现在嵌入式系统的复杂程度，比起几年前又上了一个台阶，传统C语言开发采用流程图的辅助设计方式，已经很难表达复杂的程序逻辑；l 以手工编写C代码，还是会出现很多低级错误；l 现在的系统开发周期越来越短，再沿用过去那种硬件设计->软件设计->集成调试的流程，无法开展硬件和软件的并行开发；l 随着系统复杂性的增加，用户对最终功能的确定也越来越模糊，很多情况下，用户都需要在得到样机后，才能开展测试，并提出修改意见，从而导致开发的反复，大大增加了开发成本和时间。l 虽然C代码已经在各个嵌入平台上普及，但是因为代码设计者设计思路的局限，加之传统流程图的单线设计思路，软件模块的可继承性还是比较差。国外的企业已经从90年代后期，逐步开始采用MBD开发流程，使用建模工具对复杂嵌入式系统进行分析设计。随着建模工具及配套设备的完善，使得自动代码生成的工具链也逐渐清晰。现在已经有很多极复杂系统，如电喷控制器等等，全部采用了MBD的设计流程。MBD工具链的可靠性、稳定性已经无需怀疑。l 以建模工具对复杂逻辑进行设计、分析、仿真，使得系统需求分析和软硬件开发结合得更加紧密，系统分析不再仅仅停留在文档阶段，而是直接和设计挂钩。l 采用了MBD的设计流程后，在硬件设计的同时，软件设计即可全面展开，大大缩短了开发周期。l 从软件开发的第一步开始，工程师就可以观察结果，调试逻辑，大大加快调试进度。l 采用成熟工具，可以实现代码自动生成，完全避免了手工编码的低级错误。并且在设计修改后，极短时间内即可重建系统软件，而无需进行多次反复测试。l 采用建模工具及辅助设备，可以在模型建立后，立即实现快速原型仿真，用户马上可以看到设计运行的结果，工具可以协助用户及时修改需求，在最短的时间内完善需求设计。l 模型的可移植性，远强于C代码，可以方便的建立公司内的系统设计模型库，节约开发成本。二、MBD开发流程的环节和作用：2.1 系统设计定义阶段系统设计定义阶段的目的是：针对用户提出的初步需求，逐步细分，将功能需求拆解为可实现功能定义，并且建立系统级模型，包括控制器模型（controller）、被控对象模型（plant）、测试案例模型（reference position）。其中，测试用案例模型和被控对象模型，是系统设计工程师根据用户需求设计的。在整个开发流程中会多次使用，也是系统设计定义阶段重点关注的内容。系统设计定义环节本身也将在整个设计流程中反复迭代，用户需求会在不同的阶段逐步完善，这些修改最终都需要反馈到系统设计定义中，主要是反馈至测试用案例模型中。控制器模型也在系统设计定义阶段直接输出，这样后续的工作都可以在统一的模型上完成，而不需要在代码、模型、文档之间频繁切换，一方面可以节约时间，一方面可以始终得到最准确的需求文档。控制器模型的详细设计可以由后续的环节完成，在系统设计定义阶段可以只定义为顶层模型。不必细究。系统设计定义阶段，建议使用MATLAB提供的Simulink Verification and Validation(V&V)工具，使用这个模块，可以将需求与模型关联起来，通过Signal Builder（Simulink Library Browser->Sources->Signal Builder）来设计测试案例，通过V&V工具，对模型执行覆盖度分析；也可以用工具（Design Verifier）自动为模型生成符合模型覆盖度要求的测试用例。这种测试用例和需求文档（doors），可以做一一对应的关联。2.2 模型设计阶段在MBD开发流程中，模型设计阶段的主要工作就是设计控制器模型，根据系统需求的要求，采用MIL技术，对控制器的控制逻辑进行细化。细化的过程从顶层模型开始，直接使用系统设计定义阶段设计的案例模型和被控对象模型，对细化后的控制器模型进行仿真测试，这个步骤就是MIL(Model In Loop)模型在环仿真。MIL的最终结果，是得到一个可以实现所有控制逻辑的控制器模型，这个模型可以不必关系具体的硬件接口，因为被控对象模型及案例激励都是以模型形式存在的，整个环路的仿真可以直接在MATLAB环境下运行。模型设计阶段的目的是：算法设计，完成算法有效性检验；比例扩放设计，溢出检测，为后续定点化取得基础数据；用例跟踪，对测试用例的结果进行记录，并反馈不合理值，修改系统设计定义。模型设计阶段，整个模型都以浮点运行，所以保证了计算的精度和合理的取值范围。建议使用第三方提供的RCP工具，如dSpace公司的AUTOBOX等，对MIL的结果进行实际验证。这类工具不需进行模型定点化，硬件IO定制也非常简单，可很方便地将模型下载运行。通过简单电路调整，即能直接控制被控对象。在RCP工具的帮助下，软件设计阶段时用户已经能够参与系统开发，直观地看到系统运行的结果，并及时地修改完善系统需求。2.3 C代码生成及调试阶段在模型开发完毕后，需要将PC机上运行的浮点模型，转换为可以在定制嵌入CPU上运行的模型代码，考虑到现阶段嵌入式CPU的资源还不够丰富，系统开发对成本的限制需求等等，直接在CPU上进行浮点运算的方案还是比较少。C代码生成及调试阶段，要通过SIL（software in Loop），对模型进行定点化验证。所谓SIL，就是在保证代码效率、兼顾计算精度和数据表达范围的情况下，采用auto scaling等技术，将模型进行定点化。然后用自动代码生成工具，把模型转换为标准C代码，再将C代码封装为可以在MATLAB环境中执行的模块，代替原有浮点模型，进行软件在环仿真。浮点运算和定点运算在精度和数据表达范围上存在巨大差异，不进行验证直接转换模型肯定会带来无法估量的误差；MATLAB模型中，如果不加强制限制，各个模块的计算顺序是由MATLAB自己设定的，可能和工程师的看法完全不同；而在MATLAB的模型内，对各个环节的算法，是以MATLAB自己的M语言、库函数、采样周期、时序结构来进行的，其计算步长可能是变化的，而这些都和实际嵌入式C代码存在很大差异（由简单的积分环节组成的常微分方程，在MATLAB中可能采用龙格库塔法等迭代算法进行计算，而在普通嵌入式C代码中，总是对一个个的积分进行累加计算），这种算法上的差异，也会导致最终结果的完全不同，这也是必须要进行SIL仿真的原因。这个阶段非常关键，也是国内走MBD路线进行嵌入式系统软件开发时比较容易忽略的一环。正常情况下，设计一个可以正确运行的模型并不难，但是要进入工程设计，将模型转换为实际的嵌入式C代码，就必须按部就班地完成以上步骤。在SIL环节，采用自动代码生成工具，将控制器模型转换为标准C代码，算法和时序都可以由工程师确定，再将模型生成的C代码（仅限于控制逻辑部分，IO部分暂不包括），以S函数的方式（或其他方式）封装为模块，这种模块可以直接在MATLAB里运行，其内部运行机制取决于C代码本身。然后再取代原模型中的控制器模型，联合测试用案例模型和被控对象模型，进行仿真。这一步目的是为了检查定点化以后代码的计算精度、算法是否合理、是否产生溢出等，然后及时修改原模型，反复进行SIL仿真后，保证模型定点化的正确性。C代码生成及调试阶段，建议使用MATLAB内自带的RTW，或者dSpace公司的TargetLink等工具。2.4 硬件代码生成调试阶段在这个阶段，硬件设计必须已经完成。所谓PIL，就是将经过SIL设计的模型，在工具的协助下，生成可以在指定CPU上运行的嵌入式C代码，并下载至指定CPU的DEMO板上直接运行，通过数据接口，和MATLAB上的测试用案例模型及被控对象模型进行数据交互，进一步验证代码准确性。因为SIL环节的C代码是在INTEL系列CPU的PC机上运行的，虽然C代码的正确性得到了验证，但是如果转换为汇编机器码，INTEL芯片代码和我们嵌入式系统的指定芯片的代码还是有差别的。进行PIL的目的就是为了检验这两种代码间差异是否可以接受。同时，在PIL环节，模型生成的嵌入式C代码直接在指定CPU上运行，模型逻辑控制部分的代码和最终实际运行的代码完全一致，并且运行环境也大体相当，可以对代码时序的精确性进行进一步验证。PIL的技术过程是，建模工具提供接口，通过串口之类的通道，和下载到DEMO板上的控制逻辑代码进行交互，把测试用例模型的输出数据下载到DEMO板，把控制逻辑代码的计算结果返回到被控对象模型，形成一个完整的闭环仿真。PIL需要有特殊硬件支持，部分芯片可能无法进行PIL环节仿真。接下来需要把经过SIL、PIL验证的模型，生成特定CPU的机器码，再加入部分和硬件相关的IO驱动代码，一起编译，下载至我们自己设计的硬件运行。主要目的，是将自动生成的代码将和硬件一起联调，解决IO驱动和模型代码之间的接口问题，并形成稳定的IO驱动代码库，保证后续修改模型时，不用再次修改底层驱动。这个阶段建议使用RTW及TargetLink，以及专用的C编译器、PIL仿真用DEMO板。2.5 硬件在环HIL（hardware in Loop），是指控制器采用实际硬件，加上由模型生成的C代码（也许有部分手工设计的底层驱动程序）。而被控对象，可以由模型仿真实现。这个步骤主要是针对那些被控对象复杂、实验费用高昂、有着繁琐测试逻辑的系统设计而言。在这类系统中，采用模型仿真被控对象，可以大大加快实验进度，覆盖诊断案例（如发动机飞车处理等）。如果被控对象简单，可以不用软件进行仿真，而采用labcar之类的实物直接验证。HIL阶段，可以发现设计中被忽略的问题，如实际线缆的干扰、人工输入的错误等等，将这类问题及处理方法需要及时反馈到测试用例、被控对象模型、控制器模型中，进一步完善系统设计定义。硬件在环阶段，建议使用labcar或者AUTOBOX之类工具，模拟实际被控对象，自动测试、自动记录，对控制逻辑进行覆盖性测试。2.6 实车测试实车测试阶段和传统开发流程的实车测试阶段并无区别，只是在发现问题后，需要返回对系统定义设计阶段的相关模型进行修改，并在控制器模型的基础上，修改控制策略，解决问题，经过仿真迭代后再回到实车测试。这样可以保证模型的正确性，代码和模型的统一。三、总结语在整个设计开发流
