Автоматическая генерация C кода и тестирование на целевых вычислителях

1. 1© 2016 The MathWorks, Inc.
Автоматическая генерация С кода и
тестирование на целевых вычислителях
Михаил Песельник
Экспонента

2. 2
Задавайте вопросы в
Telegram:
@Exponenta_ru
Подписывайтесь на
канал Telegram:
@exponenta_channel

3. 3
Темы секции
 Автоматическая генерация кода
 Оптимизация кода
 Разработка пакетов поддержки для целевых
вычислителей
 Применения технологии генерации кода

4. 4
Разработка встраиваемой системы
Объект/
Окружение
Алгоритм
контроллера
+
-
Система
Софт
Железо
Моделирование, симуляция, генерация кода и верификация

5. 5
Пользовательские истории
Dongfeng
Battery Management System
GM
Hybrid Powertrain
manroland
Printing Press Controller
Honeywell Aerospace
Flight Control Systems
OHB Corp
Satellite GNC Systems
TU München
Flight Simulator

6. 6
SAE Technical Paper 2004-01-0269, March 2004
http://www.mathworks.com/tagteam/20307_91197v00_Multi-Target_Modeling_2004-01-0269.pdf
Размер кода
Сгенерированный код
меньше, чем ручной

7. 7
MADC :Thales Dual Core Code Generation, March 2008
http://www.mathworks.com/tagteam/48884_Thales_DualCore.pdf
Скорость кода
Сгенерированный код
быстрее, чем ручной

8. 8
C/C++ Coders
MATLAB Coder – код из MATLAB
– Портируемый код для численных алгоритмов
– Десктопные приложения (и библиотеки)
Simulink Coder – код из Simulink
– Быстрое прототипирование и HIL
– Машины реального времени (Simulink Real-Time)
Embedded Coder – генерация производственного кода
– Встраиваемые приложения
– MCU и DSP (с фикс. или плав. точкой)
– Верификация кода (-в-контуре)
– Оптимизация под конкретный процессор
Все кодеры генерируют портируемый (ANSI/ISO C) код по умолчанию.
C/C++
Generate
MATLAB and Simulink
Algorithm and System Design
Verify

9. 9
HDL Coder
HDL Coder
 VHDL и Verilog
 ASIC и FPGA
 Платформонезависимый
– По умолчанию
 Платформозависимый
– Xilinx FPGA
– Altera FPGA
HDL Verifier
 HDL co-simulation
– ModelSim, Incisive
 FPGA in-the-loop (FIL)
– Xilinx, Altera
MCU DSP FPGA ASIC
C/C++ VHDL/Verilog
Generate
MATLAB and Simulink
Algorithm and System Design
Verify
Generate
Verify

10. 10
PLC Coder
Simulink PLC Coder
 Structured text
 PLC и PAC
 Платформонезависимый
– По умолчанию
(IEC 61131)
 Платформозависимый
– Rockwell
– Siemens
– B&R
– Другие
MCU DSP FPGA ASIC
C/C++ VHDL / Verilog
Generate
Simulink and Stateflow
Algorithm and System Design
Verify
Generate
Verify
PLC PAC
Structured Text
Generate
Verify

11. 11
Демо – генерация кода
>> rtwdemo_fixpt1

12. 12
Процесс разработки встраиваемой системы
с использованием МОП
Системные
требования
Проектирование
системы
Проектирование
ПО
Кодирование
Интеграция
ПО
Программно-
аппаратная
интеграция
Системная интеграция
и калибровка
Sim
RP
OTRP SIL
PIL
HIL
Sim: Симуляция
RP: Быстрое прототипирование
OTRP: БП на целевой платформе
PCG: Генерация производственного кода
SIL: Программа-в-контуре
PIL: Процессор-в-контуре
HIL: Железо-в-контуре
PCG
Моделирование
и симуляция
Исполняемые
спецификации
Непрерывное
тестирование
и
верификация
Автоматическая
генерация кода
Модели

13. 13
Исполняемые спецификации
Design
with
Simulation
Continuous
Test and
Verification
Automatic
Code Generation
Executable
Specifications
Models

14. 14
Симуляция
Является ли алгоритмы корректными?

15. 15
Быстрое прототипирование
ОбвязкаReal-Time or
Embedded
Simulink Real-Time
Являются ли алгоритмы реализуемыми?
Генерация
кода

16. 16
ОбвязкаReal-Time or
Embedded
Быстрое прототипирование на целевой платформе
Встраиваемый процессор или ЭБУ
Являются ли алгоритмы практичными?
Генерация
кода

17. 20
Моделирование
и симуляция
Automatic
Code Generation
Executable
Specifications
Continuous
Test and
Verification
Design
with
Simulation
Models

18. 21
Конвертация из плавающей в фиксированную точку
 Переполнение/
исчезновение порядка
 Оптимизации кода
 Диапазоны симуляции
 Расчет диапазонов
>> fxpdemo_fpa

19. 22
Описание данных
 Имя
 Класс памяти (показано)
 Алиас (имя в коде)
 Комментарии
 Тип данных

20. 23
Описание интерфейсов функций
 Имя функции
 Имена аргументов
 Передача по значению
 Передача по указателю
 Квалификатор

21. 24
Генерация
производственного
кода Executable
Specifications
Design
with
Simulation
Continuous
Test and
Verification
Automatic
Code Generation
Models

22. 25
Экспорт алгоритма (код ANSI/ISO)
A B C
M

I NPUT
BLUE G REEN RED
PO W ER
RGBSplit-4BLACK BOX


V RCS
Драйверы
входов
Драйверы
выходов
Драйверы
спец.
устройств
Драйверы
интерф.
ОС, Планировщик
Интерфейсы
Датчики
Исполнительные
механизмы
Специальные
интерфейсы
Калибровка
Алгоритм
Модель
регулятора

23. 26
Поддерживает ли Embedded Coder мой процессор/мою
плату?
 Автоматическая связь со средой разработки для процессора
 Оптимизация под конкретный процессор
 Специфические драйвера/блоки Simulink
 Интеграция с RTOS/планировщиком/ISR
 Processor-in-the-Loop симуляция
 External Mode
Документированные API для реализации
своего пакета поддержки

24. 27
A B C
M

I NPUT
BLUE G REEN RED
PO W ER
RGBSplit-4BLACK BOX


V RCS
Сгенериро-
ванный код
Драйверы
входов
Драйверы
выходов
Драйверы
спец.
устройств
Драйверы
интерф.
ОС и планировщик
Интерфейсы
Датчики
Исполнительные
механизмы
Специальные интерфейсы
Калибровка
Ручной код
Модель
контроллера с
драйверами
Полный проект (Target Support)
Оптим. код

25. 28
Подходы к интеграции кода
Экспорт алгоритма Полный проект
Цель Серийное производство БП на целевой платформе
Мелкосерийное производство
Использование Системные инженеры и
программисты
Системные инженеры
Оборудование Любой процессор Определенные отладочные платы и
киты
Гибкость Выше Ниже
Простота
использования
(«под ключ»)
Работает после однократной
настройки
Работает «из коробки»

26. 29
Поддержка целевого оборудования
Примеры и API Embedded Coder
Ключевые API
 Управление прототипом функции
 Настраиваемые классы памяти
 Pack-and-go
 Code replacement tool
 Legacy code tool
 PIL и External Mode
 S-Functions
Примеры (для TI C2000)
 Экспорт алгоритма
>> rtwdemo_pmsmfoc_system
 Полный проект
>> c2000_motor_algo
Дополнительные примеры и демо
ЦИТМ Экспонента предлагает сервис по
разработке поддержки оборудования

27. 30
Подстановка кода
 Поддержка базовых операторов и
функций
– Add, Subtract, Multiply, Divide, ...
– Abs, Cos, Memset, Sqrt, …
 Поддержка фикс. точки
 Поддержка выравнивания данных
– Для SIMD, Intel IPP и т.п.
 Поддержка MATLAB, Simulink, and
Stateflow
Замена операторов и функций в
модели на процессоро-
оптимизированные
void mDA_step(void)
{
matrix_add_4x4s_w_da(mDA_U.In1, mDA_U.In2,
&mDA_B.Add[0]);
……
matrix_mul_4x4s_w_da(mDA_U.In1, mDA_U.In2,
*(real32_T (*)[16])&mDA_Y.Out2[0]);
}
typedef struct {
__declspec(align(16)) real32_T Add[16];
} BlockIO_mDA;
typedef struct {
__declspec(align(16)) real32_T In1[16];
__declspec(align(16)) real32_T In2[16];
} ExternalInputs_mDA;
typedef struct {
real32_T Out1[16];
__declspec(align(16)) real32_T Out2[16];
} ExternalOutputs_mDA;
2
Out2
1
Out1
Matrix
Multiply
Mul
Add
2
In2
1
In1 single [4x4]
single [4x4][4x4]
[4x4]
single [4x4]
[4x4]
[4x4]
single [4x4]
model.c
model.h
>> echodemo rtwdemo_tfl_script

28. 31
Непрерывное
тестирование и
верификация
(SIL/PIL)
Executable
Specifications
Design
with
Simulation
Automatic
Code Generation
Continuous
Test and
Verification
Models

29. 32
Программа-в-контуре (Software-in-the-Loop, SIL) и
Процессор-в-контуре (Processor-in-the-Loop, PIL)
С точки зрения разработки ПО повышенной надежности
PIL
SIL

30. 33
Генерация
кода
Объектный код
тестируемого
алгоритма
Тестовая обвязка SIL/PIL
Хост компьютер (SIL)
Целевой процессор (PIL)
Model Block SIL/PIL
(Замкнутый контур)
Top Model SIL/PIL
(Разомкнутый контур)
Как работают SIL и PIL
Режимы симуляции и тестовая обвязка

31. 34
Синхронизация с
хостом на каждом шаге (не
реальное время)
История выполнения
• Сравнение эквивалентности
• Покрытие кода
• Профилирование выполнения
Communication
Gateway
Как работают SIL и PIL
Симуляция на целевой платформе

32. 36
Анализ покрытия кода тестами

33. 38
Измерение времени выполнения
Поддерживает:
 SIL и PIL
 Задачи и функции
 HTML отчеты
Идентификация
проблемных мест

34. 40
Демонстрация

35. 41
С  *.dlm
ШИМ,
цифровые
выходы
±ШИМ
Сценарий эксперимента

36. 42
C  *.dlm
Двигатель и силовая часть
Быстрое прототипирование алгоритмов управления
ШИМ, цифровые
выходы
Квадратурный
сигнал
Машина реального времени

37. 43
C/C++  *.hex
ШИМ, цифровые
выходы
C  *.dlm
Полунатурное моделирование (HIL)
Машина реального времени
Квадратурный
сигнал

38. 44
C/C++  *.hex
ШИМ, цифровые
выходы
Независимое выполнение
Квадратурный
сигнал
Двигатель и силовая часть

39. 45
Тренинги
Курс «Генерация кода для встраиваемых систем с использованием
Embedded Coder» (3 дня)
 Структура сгенерированного кода и его выполнение
 Настройки генератора кода и параметры оптимизации
 Интеграция сгенерированного кода с внешним кодом
 Генерация кода для многочастотных систем
 Настройка сгенерированного кода
 Настройка данных сгенерированного кода
 Развертывание кода
http://matlab.ru/training/SLEC

40. 46
Истории успеха
http://matlab.ru/success-story

41. 47
Использование модельно-ориентированного
проектирования для разработки родстера от Tesla
«В Tesla мы разработали Tesla Roadster 2008, первый в мире
стопроцентно электрический спортивный автомобиль, при
бюджете всего $145 миллионов. Поскольку наш бюджет
крошечный по сравнению с традиционными автомобильными
компаниями, мы были вынуждены оптимизировать инженерные
ресурсы и искать остроумные проектные решения.
Для достижения этих целей мы использовали инструменты
MathWorks для модельно-ориентированного проектирования
(МОП): мы моделировали транспортное средство в целом и
его главные подсистемы, запускали детальные симуляции,
анализировали работу и оценивали компромиссы в
проекте.»
Доктор Крис Гадда и доктор Эндрю
Симпсон, компания Tesla Motors
http://matlab.ru/success-story/tesla

42. 48
Airbus разрабатывает систему управления подачей топлива для
A380 на основе модельно- ориентированного проектирования
Задача
 Разработать контроллер для системы подачи топлива Airbus A380
Решение
 Использовать MATLAB, Simulink и Stateflow для модельно-
ориентированного проектирования для создания модели и
симуляции управляющей логики, взаимодействия функциональных
спецификаций и ускорения разработки симуляторов
Результаты
 Сокращены месяцы разработки
 Полученные модели имеют многократное применение в процессе
всего проекта
 Дополнительно возникающие трудности отрабатываются без
увеличения штата сотрудников
http://matlab.ru/success-story/airbus-razrabatyvaet-sistemu-upravleniya-podachey-topliva-dlya-a380-na-osnove-modelno-orientirovannogo-proektirovaniya
«Модельно-ориентированное
проектирование дало нам расширенную
видимость в функциональной
разработке системы. Так же мы
закончили валидацию требований
быстрее, чем это было
возможно ранее, и смогли
промоделировать многочисленные
одновременные отказы деталей,
поэтому мы знаем, что может
случиться, и быть уверенным в том,
что управляющая логика
справится с этим». — КРИСТОФЕР
СЛЭК, Airbus

43. 49
Alstom генерирует программный код для системы управления
преобразователем мощности с повышенными требованиями к
безопасности
Задача
Разработать и реализовать систему реального времени преобразователя
мощности, а также системы правления для трамваев, метро и железных дорог.
Решение
Использовать инструменты MathWorks для проектирования на основе концепции
модельно-ориентированного проектирования, моделирования и автоматической
генерации кода серийного производства для транспортных систем с
повышенными требованиями к безопасности.
Результаты
 Время разработки сокращено на 50 процентов
 Безошибочный, безопасный код был сгенерирован и сертифицирован
 Утвержден единый язык общения между группами разработчиков
«Мы использовали инструменты
MathWorks для разработки,
тестирования, изменения и
реализации системы управления
привода на постоянных магнитах в
течение одного года. Учитывая
имеющиеся ресурсы, это было бы
невозможно сделать в соответствии
с графиком без инструментов
MathWorks», - Хан Гирлигс, Alstom
http://matlab.ru/success-story/alstom-generiruet-programmnyj-kod-dlya-gotovogo-produkta-serijnogo-proizvodstva-sistem-upravleniya-preobrazovatelem-
moshhnosti-s-povyshennymi-trebovaniyami-k-bezopasnostid

44. 50
Услуга: разработка пакета поддержки в Embedded Coder
 Интеграция с набором инструментов для
построения кода
 Независимое выполнение на целевой системе
(интеграция с планировщиком ОСРВ)
 Верификация и профилирование в режиме
Процессор-в-контуре (PIL)
 Генерация оптимизированного для целевой
системы кода
 Специализированные блоки Simulink
 Настройка параметров и отладка в режиме
External Mode

45. 51
Центр инженерных технологий и моделирования Экспонента
 Вебинары, семинары, обучение, демонстрационные версии,
консалтинг, внедрение МОП :
www.MATLAB.ru
 E-mail: matlab@exponenta.ru
 Тел.: +7 (495) 009 65 85
 Дополнительная информация:
www.mathworks.com, www.exponenta.ru
www.youtube.com/user/MATLABinRussia