基于模型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品代碼實(shí)現(xiàn)汽車線控駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用方案

由于有了基于模型的設(shè)計(jì)，使得開發(fā)大量的汽車嵌入式系統(tǒng)時(shí)，可以由模型自動(dòng)生成最終編譯的軟件。不過，這項(xiàng)工作需要一個(gè)軟件工程框架的支持。本文使用線控駕駛系統(tǒng)（steer-by-wire system）作為實(shí)例，給出了設(shè)計(jì)汽車嵌入式系統(tǒng)的過程、方法和測試工具的一個(gè)框架。

近來，有報(bào)道稱包括Denso、Motorola和Toyota在內(nèi)的不同行業(yè)的多家公司都在產(chǎn)品代碼方面取得了成功。這項(xiàng)技術(shù)正日益成為軟件下一波演進(jìn)發(fā)展中的一個(gè)重要組成部分。雖然總體而言，它對(duì)軟件工程化過程的影響已為業(yè)界所了解，但卻并沒有十分清楚地確立起來。對(duì)于早前類似演進(jìn)發(fā)展（包括從機(jī)器代碼發(fā)展到匯編代碼，再發(fā)展到源代碼）的參與者而言，這一點(diǎn)尤為明顯。

隨著抽象與自動(dòng)化程度的日益提高，新的過程、方法和工具接踵而來。瀑布式過程已讓位于螺旋式方法和迭代方法。實(shí)時(shí)方法已經(jīng)出現(xiàn)并正在取代靜態(tài)流程設(shè)計(jì)。新的工具也出現(xiàn)了，如包含有調(diào)試器、優(yōu)化編譯器和自動(dòng)測試工具的IDE（集成開發(fā)環(huán)境）。

不過，由于難以使用、缺乏了解或是工具支持不足的原因，并非每一種好的思想都能開花結(jié)果。有跡象表明，這些方法和工具對(duì)于主流產(chǎn)品應(yīng)用并非總是實(shí)用。例如，用驗(yàn)證來確保軟件正確性的正規(guī)方法是使用一種全世界只有極少數(shù)專家才真正懂得的語言編寫的。此外，1980年代的實(shí)時(shí)用例工具可以輔助設(shè)計(jì)，但并未提供一條產(chǎn)生最終代碼的簡便途徑。

在早期應(yīng)用階段，產(chǎn)品代碼生成的效果相當(dāng)不錯(cuò)，這主要是由于其實(shí)用性。不過，其進(jìn)一步的發(fā)展還需要依靠集成過程、方法和工具的支持。一種新的過程只有在具備了所需支持方法和工具的條件下才會(huì)成功。如果這些條件有所欠缺，那么對(duì)一個(gè)公司成熟的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的努力就不會(huì)是可行和實(shí)用的。

本文給出了主要面向產(chǎn)品代碼生成的這樣一個(gè)框架：

基于模型的設(shè)計(jì)

建模、仿真、快速原型、產(chǎn)品代碼生成、模型測試和覆蓋、在環(huán)測試

開發(fā)工具、驗(yàn)證與生效（V&V）工具、集成工具

模型的設(shè)計(jì)過程

通過提供一個(gè)共同的圖形規(guī)范和分析環(huán)境，基于模型的設(shè)計(jì)可以支持控制/DSP系統(tǒng)工程師和軟件開發(fā)人員的需要。

在這個(gè)過程中，模型被創(chuàng)建并用來規(guī)定系統(tǒng)數(shù)據(jù)、接口、反饋控制邏輯、離散/狀態(tài)邏輯和實(shí)時(shí)行為。

基于模型的設(shè)計(jì)被應(yīng)用在幾乎每個(gè)需要嵌入式控制系統(tǒng)的行業(yè)之中。而在大型汽車電子控制單元（ECU）等嵌入式應(yīng)用的開發(fā)過程中，其應(yīng)用更為廣泛。DSP和通信應(yīng)用也采用這種方法，但它們更強(qiáng)調(diào)建模和原型，而不是產(chǎn)品代碼生成。

為了滿足這些不同的應(yīng)用，基于模型的設(shè)計(jì)過程必須解決線控駕駛系統(tǒng)等安全關(guān)鍵系統(tǒng)的需求。它還必須產(chǎn)生最終的、可執(zhí)行的代碼，而且必須特別緊湊、快速和能夠追蹤。這是由于在大批量生產(chǎn)的ECU中，必須使用低成本的定點(diǎn)微控制器部件和DSP。

基于模型的設(shè)計(jì)適合任何過程框架環(huán)境，包括那些在IEEE軟件工程化標(biāo)準(zhǔn)中描述過的過程框架。

IEEE Std. 730適用于任何通用軟件項(xiàng)目。為了很好地理解它的過程框架，有必要回顧一下它對(duì)“關(guān)鍵性”項(xiàng)目文檔所列出的需求。

IEEE Std. 730需求包括：

軟件需求規(guī)范（SRS）

軟件設(shè)計(jì)描述（SDD）

軟件驗(yàn)證與生效計(jì)劃（SVVP）

軟件驗(yàn)證與生效報(bào)告（SVVR）

用戶文檔

軟件配置管理計(jì)劃（SCMP）

包括軟件項(xiàng)目管理計(jì)劃（SPMP）在內(nèi)的其他文檔

查看一個(gè)軟件過程的普通方法是借助于圖1所示的V形圖。這個(gè)圖對(duì)應(yīng)著大部分工程化過程，不過在開發(fā)生命周期中，這個(gè)過程是迭代性的，有許多反復(fù)的步驟。圖中的軟件過程包括以下幾個(gè)組成部分：

開發(fā) （需求、設(shè)計(jì)、編碼和集成）

驗(yàn)證和生效（V&V）

集成 （軟件配置管理、需求可追蹤性和文檔）

圖1：查看一個(gè)軟件過程的普通方法是借助于V形圖。

基于模型的設(shè)計(jì)非常注重過程迭代、早期測試和開發(fā)過程中的重用，這使得它既獨(dú)特而又功能強(qiáng)大。這一過程的內(nèi)在實(shí)用性體現(xiàn)在V形圖的底部，產(chǎn)品代碼生成是來自設(shè)計(jì)的一種自動(dòng)過渡。

在基于模型的設(shè)計(jì)中，方框圖或狀態(tài)圖模型可以用作系統(tǒng)和軟件需求、軟件設(shè)計(jì)，或者在稍作假設(shè)變換之后，用作源代碼。這個(gè)過程的另外一個(gè)獨(dú)特之處是，它在最終編譯之前要進(jìn)行廣泛的驗(yàn)證和生效操作。早期驗(yàn)證和生效的好處很明顯：它將大大減少在最終系統(tǒng)集成和測試期間發(fā)現(xiàn)的bug數(shù)目，返工次數(shù)也會(huì)更少。

開發(fā)方法與工具

在軟件工程化過程中，采用了基于模型的設(shè)計(jì)方法。

開發(fā)方法包括：1. 行為建模；2. 詳細(xì)軟件設(shè)計(jì)；3. 分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4. 產(chǎn)品代碼生成；5. 嵌入式目標(biāo)集成。驗(yàn)證與生效方法包括：1. 仿真與分析；2. 快速原型；3. 模型測試與覆蓋；4. 代碼追蹤與檢查；5. 硬件在環(huán)（HIL，Hardware-In-the-Loop）測試。集成方法包括：1. 源控制接口；2. 需求管理接口；3. 報(bào)告生成。

下面給出了對(duì)各種開發(fā)方法的簡潔描述，并提供有例子和工具支持信息。注意這里給出的所有工具都是商業(yè)上可以獲得的。其后的部分討論了開發(fā)行為，并包含有關(guān)鍵的驗(yàn)證與生效方法。最后，本文將通過集成組件來進(jìn)行總結(jié)。

1. 行為建模

模型用來為單個(gè)子系統(tǒng)（如線控駕駛）的各個(gè)方面規(guī)定需求和設(shè)計(jì)。

一個(gè)典型的系統(tǒng)包括：

輸入（如方向盤傳感器）

控制器或DSP模型

設(shè)備模型（直流馬達(dá)、齒條和小齒輪、車輪）

輸出（方向的改變）

在圖2和圖3中，通過使用控制系統(tǒng)方框圖來表示反饋控制、使用狀態(tài)圖來表示離散事件和條件邏輯，以及使用DSP模塊來表示濾波器，可以創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)模型來表示所需的行為特性。

圖2：用控制系統(tǒng)方框圖來表示反饋控制。

圖3：創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)模型來表示所需的行為特性。

2. 仿真與分析

然后，通過使用基于時(shí)間或基于事件的仿真以及頻域分析等方法，可以執(zhí)行和分析模型，以確保其滿足需求。例如，一個(gè)線控駕駛系統(tǒng)必須對(duì)傳感器故障進(jìn)行響應(yīng)，并“將高頻響應(yīng)衰減到3db以下，同時(shí)指令傳輸速率不能低于1.5Mbps”。

圖4A和B*中對(duì)線控駕駛系統(tǒng)的建模與仿真，可以確定這些需求是相互沖突的還是有效的。仿真是一個(gè)核心驗(yàn)證行為，它確?？梢詫?shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)來滿足這些需求。

圖4：線控駕駛系統(tǒng)。

圖4B：對(duì)線控駕駛系統(tǒng)的建模與仿真。

3. 快速原型

要在產(chǎn)品的芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)可以工作的解決方案，設(shè)備模型還不夠精確，處理能力也不滿足要求，因此建模本身并不能提供完整的解決方案。

快速原型對(duì)于克服這些缺陷非常有用，因?yàn)樗梦锢碓O(shè)備來代替設(shè)備模型。在線控駕駛的例子中，設(shè)備有可能是一輛汽車，這時(shí)就使用一輛實(shí)際的汽車。不過，因?yàn)橄到y(tǒng)并未建立起來，一個(gè)實(shí)時(shí)或嵌入式平臺(tái)將負(fù)責(zé)運(yùn)行控制器軟件并與設(shè)備進(jìn)行交互作用。

有兩種形式的快速原型：功能性快速原型和目標(biāo)性快速原型。功能性原型使用一臺(tái)功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)，如多處理器浮點(diǎn)PowerPC或DSP系統(tǒng)，目的在于確定系統(tǒng)對(duì)物理汽車的控制是否如對(duì)模型汽車的控制一樣好。如果真的是這樣，則設(shè)備模型的不精確性就顯得無關(guān)緊要，并且控制策略也得到了驗(yàn)證。

目標(biāo)性快速原型在相同或相似的產(chǎn)品MCU或DSP，而不是高端PowerPC內(nèi)核或其他專用高端快速原型硬件中執(zhí)行軟件。目的是將代碼下載到實(shí)際產(chǎn)品目標(biāo)之中，以便用物理設(shè)備進(jìn)行快速測試。如果執(zhí)行良好，則控制器不僅看似有效，而且可以在產(chǎn)品中加以實(shí)現(xiàn)。

軟件設(shè)計(jì)行為包括定點(diǎn)數(shù)據(jù)規(guī)范、實(shí)時(shí)任務(wù)、數(shù)據(jù)輸入、內(nèi)建測試和診斷。通過基于模型的設(shè)計(jì)，用于算法規(guī)范和驗(yàn)證的同一模型被軟件工程師加以改進(jìn)和約束，作為產(chǎn)品代碼生成過程的一部分。

4. 模型測試

與將模型部署到硬件上去編譯和集成相比，在桌面計(jì)算機(jī)上測試模型具有更大的優(yōu)勢?；谠创a的測試已經(jīng)存在許多年了，但是最近的方法允許進(jìn)行模型測試和結(jié)構(gòu)覆蓋。使用的場景假定是開發(fā)人員對(duì)控制器施加滿負(fù)荷壓力，以便用仿真和覆蓋來驗(yàn)證其設(shè)計(jì)完備性。另一種測試類型是故障模式效應(yīng)分析（Failure Mode Effect Analysis），用來確保故障情況下線控駕駛的救生操作，參見圖5。

圖5：故障模式效應(yīng)分析用來確保線控駕駛的救生操作。

設(shè)計(jì)完備性不佳的例子是數(shù)值溢出和死碼（dead code）。使用最小或最大數(shù)值的模型壓力測試可以確保不發(fā)生溢出情況。使用仿真很容易進(jìn)行這種測試，但死碼就沒有這么容易檢測出來了，因?yàn)闄z測需要結(jié)構(gòu)覆蓋。死碼與失效代碼不同，其區(qū)別在于后者是開發(fā)人員已知，并且出于某種原因而使其失效的。實(shí)際情況中的死碼意味著在確定規(guī)范期間遺漏了什么。

模型覆蓋用來評(píng)估一個(gè)測試件的累積結(jié)果，以確定哪些功能模塊未被執(zhí)行，或者哪些狀態(tài)未被到達(dá)。源代碼語言（如C和C++）中建立了某些類型的覆蓋，但現(xiàn)在模型也可以進(jìn)行覆蓋了。這項(xiàng)工作要求C語言所不需要（或不可能有）的新理論和新工具，因?yàn)檫@些語言沒有功能模塊或狀態(tài)這樣的構(gòu)造。

修改條件/決策覆蓋（MC/DC）被FAA（美國聯(lián)邦航空管理局）認(rèn)為是滿足安全關(guān)鍵系統(tǒng)所必需的最嚴(yán)格的覆蓋水平。現(xiàn)在，這種覆蓋在一種基于模型的設(shè)計(jì)框架和許多需要線控設(shè)計(jì)的場合中已經(jīng)得到了實(shí)現(xiàn)。

5. 分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)包含一些分布式ECU，它們相互間通過一個(gè)象FlexRay這樣的容錯(cuò)通信系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。寶馬（BMW）最新的DSC（動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性控制） 包含ABS作為其15個(gè)子功能之一。通過從DECOMSYS向單個(gè)子系統(tǒng)增加主機(jī)、任務(wù)和信號(hào)等網(wǎng)絡(luò)部件，嵌入式功能可以連接和映射到一個(gè)ECU結(jié)構(gòu)之上。此外，它方便了OSEKtime/OS等時(shí)間觸發(fā)操作系統(tǒng)的任務(wù)激活時(shí)間行為的仿真。集群、主機(jī)、任務(wù)和連接是在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真的。最后，整個(gè)設(shè)計(jì)與DECOMSYS：：DESIGNER產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了無縫集成，可以與FlexRay xCDEF設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行互動(dòng)。

Vector 公司和Cadence公司提供的分布式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)解決方案（分別為DaVinci和SysDesign）集成了Simulink/Stateflow的 Real-Time Workshop/Real-Time Workshop Embedded Coder，由子系統(tǒng)產(chǎn)生代碼，并將它們映射到結(jié)構(gòu)上進(jìn)行驗(yàn)證。

產(chǎn)品代碼生成

模型經(jīng)過驗(yàn)證并且生效之后，就該產(chǎn)生代碼了。使用編譯器時(shí)，這個(gè)過程是簡單的。這里存在著各種不同的優(yōu)化設(shè)置和用戶配置選項(xiàng)。關(guān)鍵之處在于保持代碼的高效、精確并與原有的代碼或其他工具進(jìn)行集成。另一個(gè)要點(diǎn)是保持代碼相對(duì)框圖的可追蹤性，以便進(jìn)行檢查和驗(yàn)證。

1. 代碼追蹤和檢查

圖7顯示了一個(gè)自動(dòng)鏈接的HTML報(bào)告。當(dāng)開發(fā)人員選擇代碼中的求和模塊時(shí)，它將把該模塊在框圖中進(jìn)行高亮顯示。

2. 嵌入式目標(biāo)集成

圖6中的應(yīng)用使用了速率轉(zhuǎn)換模塊。不過，它與商用RTOS之間也存在著直接的聯(lián)系，包括VxWorks 和各種OSEK產(chǎn)品。如圖7所示，還需要集成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

圖6：圖3中電源管理設(shè)計(jì)的測試覆蓋。

圖7：代碼回放。

3. 硬件在環(huán)測試

控制器建立起來之后，就可以在環(huán)路中使用實(shí)時(shí)設(shè)備模型來執(zhí)行一系列開環(huán)和閉環(huán)測試了。有一種測試僅涉及處理器，稱作“處理器在環(huán)”測試。另一種測試使用實(shí)際建立的ECU硬件，叫做“硬件在環(huán)”測試。在這兩種測試中，都使用設(shè)備模型來對(duì)物理控制器進(jìn)行測試。通過這一系列測試（或許與需求驗(yàn)證中所用的是同種測試），控制器必須看來對(duì)于消費(fèi)者是可以接受的。

4. 集成組件

在開發(fā)過程中，大部分軟件標(biāo)準(zhǔn)都要求需求追蹤能力，這或許源于其他需求工具。此外，還需要軟件配置管理（SCM）來對(duì)開發(fā)過程中的各種工件（artifact）進(jìn)行存儲(chǔ)、版本維護(hù)和查找。由報(bào)告生成工具產(chǎn)生的文檔將確保管理者、消費(fèi)者和供應(yīng)商能夠看到模型。SCM的接口如圖8所示。

本文小結(jié)

當(dāng)整個(gè)軟件工程化過程行為得到支持時(shí)，將會(huì)推動(dòng)軟件的進(jìn)步。但是，僅僅進(jìn)行局部的、支離破碎的改進(jìn)是不足夠。本文介紹了基于模型的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品代碼生成的一個(gè)完整的軟件工程化框架，并且還給出了具體的方法和工具，意在表明它并非僅僅是一種理論，而是既實(shí)用又有效。

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