Simulink模型架构指导

Simulink模型架构指导

• 1. Simulink 和 Stateflow的角色
• 2. 模型结构分层
  
  • 2.1 层的类型
  • 2.2 顶层划分方法
  • 2.3 功能层和子功能层建模方法
  • 2.4 调度层建模方法
  • 2.5 控制层建模方法
  • 2.6 选择层建模方法
  • 2.7 数据流层建模方法
  • 2.8 Simulink 模型和嵌入式实现的关系
• 3. AUTOSAR 概念
  
  • 3.1 AUTOSAR 软件平台概念
  • 3.2 RCP 和 AUTOSAR 软件平台
• 4. 单任务和多任务
  
  • 4.1 单任务
  • 4.2 多任务
  • 4.3 不同运行周期的子系统连接后的影响

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LICENCE: 本文根据《JMAAB V4.01》部分章节进行翻译和整理，文中只是针对MBD开发方式描述了模型架构的纲要和观念。由于Simulink提供了多种可以满足需求的模块及建模方法，所以很难进行详尽的描述说明，翻译和整理由Tomato一人完成，欢迎探讨，转载时需要保留本段文字

1. Simulink 和 Stateflow的角色

所有的系统都可以使用Simulink或Stateflow进行建模。

如果使用Stateflow进行建模，Simulink仅仅作为信号的输入输出和仿真，在Stateflow中可以使用多种公式和方法来替代simulink进行处理。如果只用Simulink，可以通过使用Switch-Case块的方法来替代Stateflow实现复杂的状态变量。

因此，使用Simulink或Stateflow对于特定部分的建模，是主观依据开发人员对于哪种表达方法更为理解。应该根据整体的团队水平来实现如上选择和建模。

在大多数情况下，Stateflow的RAM效率要比Simulink差。因此，Simulink在使用简单公式的计算中具有优势。除此之外，Simulink在使用简单的触发和切换系统中，对于状态变量的使用也更具有优势。当使用Stateflow所建的模型可以用Simulink进行替代建模时，需要考虑如下因素进而做出决定：

• 确保静态RAM足够大，以保证Stateflow 的输入输出以及内部变量的正确运行。
• 当使用内部通用计算公式时，要设计防溢出的保护。
• 当外部计算完成时，需要对整体进行分块，以降低这个模块的理解难度。

在一些情况下，Stateflow能够比Simulink进行更接近于C语言的表达方法，但是这样的模型没有很好的外观状态，并不是很容易理解。在这些情况下，使用S-Function会更有利。

Stateflow 可以计算特定的状态安排，或进行for-loop的计算，在这些层面上要比Simulink更有效率，但是近些年来，使用Matlab语言进行如上计算，也变得更有效率一些。

当使用Simulink进行建模时，如果处理如下所述的状态，则可通过使用Stateflow来改善可读性。

1. 同一个输入有不同的输出值
2. 多个状态存在 (例如3个及更多)
3. 对于定义的一个状态的意义，不是无限的值而是一个离散的数值。
4. 在状态内部，要求初始化（首次执行）和后面的 执行状态期间有所不同。
5. 除了状态变量，输入和输出变量是可以被可视化的信号.

举个例子，在触发器电路中，不同的输出对应于同一个输入。而且，状态变量的值被限定在0和1。 然而，在输入输出都为0或1的情况下，仍可以有无限多的状态分类。此外，在状态进入和执行两个动作间没有区别。换句话说，上诉几条中仅仅符合第一条，所以这时候应该使用Simulink进行建模。

关于采用Simulink还是Stateflow进行建模可以和几个人进行沟通协商，并最终取决于需要解决的实际问题。 Stateflow中是采用状态转换还是 流程图函数也需要进行考虑和决定，例如需要 定夺 使用 状态的转换和条件分支来 替代 使用状态的流程图函数。真值表也被分类为使用条件分支当中的方法。

此外，当使用Stateflow进行如上设计时，需要依据经典的模型样式进行设计，以便于能够更好的生成嵌入式代码。

Stateflow支持生成HDL代码。在实现HDL编码器时，应使用Mealy和Moore模式。此外，当需要对内部泄漏进行保护时， Moore 模式更适合。

需要注意，本指南不是针对HDL代码生成。

2. 模型结构分层

如下示例了模型分层中分割和布局的观念，可作为开发中的参考。这并不是一个明确的规则，但这是一个建模的基础方法。

2.1 层的类型

搭建层的方法

• 如果主要目的为调整一层的空间排布，则应尽量避免打包到子系统
• 如下为层次的概念，子系统需要依据此描述进行分层
• 不要使用多余的层
• 一层模型中，允许复合层的建模概念

层概念

名称	层概念	层目的
顶层	功能层	大块功能部分
调度层	执行时间的表达（采样、顺序）
底层	子功能层	功能的细节表达部分
控制流层	根据处理和执行顺序划分（input → judgment → output,等）
选择层	(select output with Merge block) 切换相应被激活的子系统并且执行
数据流层	用于不可分离计算的层

2.2 顶层划分方法

对于顶层划分，主要有如下三个方法

• 简单控制模型

  表现为功能层和调度层在同一层中，在这样的模型里，功能 = 执行单元。
  例子： 控制模型只有一个采样周期，并且各功能模块都按照执行顺序进行排列。

• 复杂控制模型 α

  调度层放在最顶层
  这样会使手写代码更容易集成，但是功能模块被分割，导致模型可读性降低。

• 复杂控制模型 β

  功能层放在最顶层，并且调度层在各功能模块下进行构建。

2.3 功能层和子功能层建模方法

• 根据功能划分子系统，每个子系统代表“一个独立功能”

• 对于执行单元，“一个独立功能”的子系统是不必要的。因此，各子系统不一定全都设为原子子系统。
  (对于如上列出的 type β, 将功能层子系统设为虚拟子系统更合适一些。如果将他们设为原子子系统，则可能会出现代数环。)

• 使用注释，功能概述必须在图层上描述或包含在子系统概述中，并显示为注释。

• 如果模型里有几个大的功能模块，则需要考虑使用模型引用。

2.4 调度层建模方法

需要设置周期间隔和优先级及顺序。

• 设置多个周期间隔需要注意

  在不同周期的连接系统中，有可能发生信号变量会在快周期任务中被调用，此时在慢周期中该信号还没有被计算出来。当不同周期进行连接时，需要一块固定的RAM区。因此，需要在顶层为每个不同周期的任务进行进行时间分割，保证底层中没有不同周期的模块进行连接。

• 设置优先级

  在设计多个不同功能的系统时，优先级设定十分重要。建议尽量根据连接的顺序来使系统自动确定运行顺序。

  对于顺序优先级，如下项需要进行设定：不同周期的优先级，和同周期的优先级。

• 周期间隔和优先级的设定方法：

  如下描述的方法可大体上分为2种类型。

  1. 子系统或模块的执行周期时间和优先级设置。
  2. 使用条件子系统，用户设置独立的排列顺序来匹配任务调度。

几个条件下存在的模式，例如配置单速率或多速率，原子子系统设置，是否使用模型引用等。这其中启用哪个功能都会直接影响到生成的C代码，所以需要根据项目的不同情况进行综合考量。

受影响的典型因素如下：

• 模型方面上
• 是否存在不同的采样时间？
• 模型是否需要实现几个独立的功能？
• 使用模型引用
• 模型数量 (Simulink是否会生成多个源代码)
• 源代码方面上
• 是否使用实时操作系统
• 实际采样周期和理论计算周期的一致性
• 适用范围 (应用层或基础软件)
• 源代码类型：是否符合/支持 AUTOSAR .
• RAM, ROM 特别是RAM剩余百分比

进行如上考量后，将会对使用的样式进行调整。

2.5 控制层建模方法

控制层是用于表示所有输入处理、中间处理、和输出处理的层。模块和子系统的排列十分重要。将多个混合的小功能分组，最后排列成3个大组，包括：输入处理，中间过程处理，输出处理。这三个大组构成了控制层的概念基础。与数据流层相似的排列方法是，都使用水平线代表模块运行顺序和方向，与其不同的是控制流层大多是由复合模块和子系统构成的。

在控制流程，同一水平线上的根据箭头所指方向进行顺序处理，同一垂直方向的代表有相同的优先级。

可以使用Area工具进行框选并标注几个模块的部分

控制层可以和具有功能的模块共存。

这些模块放置在子功能层和数据流层之间的区域。

当模块的数量特别多，且都在数据流层进行使用，这时可以使用功能单元打包的方式进行控制层的整合。这样会使模型更容易理解，同时提高了模型的可维护性。

即使仅由模块构成，不存在子系统和模块的混合体，如果模型的水平方向结构能够划分成 输入/中间过程/输出 处理，这样也可以称作为控制层。

2.6 选择层建模方法

选择层可以垂直或水平方向构建。(There is no significance to which orientation is chosen)

选择层是和控制层进行混合而成。

下图红色框内，根据条件只有一个子系统能够运行，所以这被称作为选择层。这层模型虽然能够被划分成 initial processing/intermediate processing (conditional control flow)/output processing这三个处理模块组，但是称为控制层并不恰当，因为在控制层，水平方向代表不同的处理，并且具有相同优先级的并行处理在垂直方向上进行排列。而在选择层，垂直方向上的并不一定是并行处理，而是每次仅选择其中一个进行运行。

例子：

• Switching of coupled functions between running upwards or downwards, changing in chronological order.
• Switching to setting where the computation switches after the first time (immediately after reset) and second time.
• Switching between destination A and destination B.

2.7 数据流层建模方法

数据流层是在选择层/控制层之下的一层。

当仅表现为一个功能，并作为输入/中间过程/输出处理的具体实现，且不能再进行划分，则这样的一层被称作为数据流层。举个例子，一个持续计算不能被分割的系统。除一些特殊情况下，数据流层不允许出现子系统。

特殊情况：如下情况允许在数据流层出现子系统。

• 子系统被设为重用子系统。
• Simulink 标准库里存在的子系统。
• 用户自定义库中存在的子系统。

简单数据流层 例子

复杂数据流层 例子

当遇到输入处理和中间过程处理不能够清晰进行划分的时候，就如上面的例子所示，展开为数据流层。

当同时计算一个信号的前端反馈和后端反馈时，数据流层会变得复杂。甚至此种情况会有很多模块在同一层， 但是为了清晰的表达计算，仍旧不能在数据流层进行子系统的创建。当能够通过划分模型进行整合的时候，应该被打包成控制层而不是数据流层。

2.8 Simulink 模型和嵌入式实现的关系

在真实的嵌入式系统中运行，需要Simulink模型生成嵌入式C代码。这有很大一部分受到Simulink配置项的影响，根据Simulink针对相关功能进行何种程度的建模，以及如何嵌入和真实系统的时间设定。

如果嵌入式系统里使用的任务与Simulink模型里调度的任务不同，这将产生很严重的影响。

3. AUTOSAR 概念

本文中，并不对AUTOSAR标准进行解释，而会说明AUTOSAR的概念。用户不必完全符合AUTOSAR标准，但必须了解它，并作为建模中的参考。

3.1 AUTOSAR 软件平台概念

当设计一个控制模型的时候，必须要遵循AUTOSAR 软件平台的概念，并要审查所设计的模型是归类到应用软件还是基础软件。

如果模型混合了应用和基础软件，需要在设计阶段就进行划分。

AUTOSAR 软件平台概念

• 高容量，低速，常规的处理在应用软件层
• 高速，非常规驱动的处理在基础软件层

AUTOSAR软件平台如下图所示

举个例子，设计引擎控制模型的时候，不建立以中断执行任务方式的模型，而是在应用软件层计算所有气缸共享的变量。例如，计算当前排放状态或目标力矩。当不规则中断从基础软件区发生，通过RTE传递到应用层时，计算结果能够被调用，实际的驱动器也能够被激活。AUTOSTAR的概念使得基础软件区的通用计算能够尽可能简单的放到应用层。

当Simulink模型全部构建好之后， 建议在中断服务区添加尽量简单的计算。中断服务程序的简单可以减少其所占时间，这样能保证系统调用任务时间间隔的准确性。如果可以，中断中不要包含标准的PID计算，推荐放置仅执行设定动作的函数。当然，不能缺少必要的计算。举个例子，对于错误诊断，即使是复杂计算，在该执行的时刻还是必须要诊断出结果的。

对于那些比中断服务程序慢的部分，和接收指令要比执行速度快的部分，不应该给出直接执行的代码，而是要让目标值或阶段值在下一个命令到来之前，通过线性插值的方法传递出去。

3.2 RCP 和 AUTOSAR 软件平台

RCP(Rapid Control Prototyping)快速控制原型，是指使用模型或类模型自动生成原型代码的方式进行开发。Simulink生成的代码不仅仅是原型，更接近于整体的解决方案，这种解决方案一般称之为MBD(Mode based Software Development)基于模型程序开发。

使用RCP等设备建模类似于AUTOSAR中软件更新的概念。当然，生成的代码不符合AUTOSAR规范。例如，RCP的I/O软件允许供应商提供的S函数进行链接，并且允许用户设置应用程序区域。应用程序中用户自定义函数和S函数能够在Simulink中直接连接，不需要考虑对RAM等因素的影响。

生成的C代码在实时操作系统上运行，Simulink 里I/O相关会生成在不同的源代码文件中，实时操作部分和作为中断处理的部分会自然分离。用户不必考虑那些平台；厂商创建的 I/O S-function会在需要的时候运行，并且对于 应用程序建模，不用考虑I/O处理的内容和时间。

具有这种软件结构的真实的控制模型/软件，会有更多的优势。由于RCP能够集中精力开发应用程序，而不必考虑软件结构，他们会自然的选择AUTOSAR 平台。换言之，如果你的产品不满足AUTOSAR 标准，并且在RCP上使用AUTOSAR的概念进行开发，你必须自定义生成的代码，并且从MBD开发成果的共享中分离出来。

4. 单任务和多任务

嵌入式软件调度器设计中，有单任务和多任务的概念。

4.1 单任务

对于单任务，假定基础周期为2ms，当2ms、8ms、10ms在系统中存在时，这些时间片都是基于2ms的计时器进行创建的。每2ms的执行顺序为：8ms的任务下每4个2ms任务后执行一次，10ms就是每5个2ms。需要注意的是，要使用低频率的任务片来处理复杂的运算，并且2ms、8ms、10ms都是由相同的2ms进行周期计算。因为所有的运算都要在2ms内完成，以便保证嵌入式软件的实时性，在这种情况下8ms和10ms的任务被分割成了几段，以保证所有2ms的计算量基本持平。在这种方法下，可以通过分区来减少每个周期的计算量，并且使得CPU负载平均分配。

基于如上原因，10ms的任务片被分成如下几个部分。

Fundamental frequency	Offset
10ms	0ms
10ms	2ms
10ms	4ms
10ms	6ms
10ms	8ms

同理可知，8ms的任务片被分割成了4部分。

当然，绝对的平均分配是不现实的，某些运算功能不能够被分配到所有周期，但重要的是报保证CPU的平均一致的负载率

如何设置任务的运行频率

设置Tasking mode for periodic sample times 为 Single Tasking

然后在子系统的“Sample Time”中输入 “sampling period, offset” 的值。可以指定运行周期的子系统为 原子子系统。

4.2 多任务

多任务为使用实时操作系统的情况下，系统支持多任务周期设定。如之前介绍单任务中所述，在单任务系统中，平衡CPU负载率不是自动的，需要进行巧妙的设定。而在多任务系统中，CPU会根据当前状态进行自动计算，并且不需要进行特殊的任务分配和设定。系统会从优先级高的任务开始计算并给出结果，任务的优先级由开发人员进行设定。大多数情况下，需要快速执行的任务被分配高的优先级。

在周期内完成计算是十分重要的，包括慢任务，和当高优先级任务执行计算且CPU 释放时，执行下一个优先级任务的计算。高优先级任务会打断低优先级任务，并会先执行完高优先级的计算。

4.3 不同运行周期的子系统连接后的影响

如果子系统B有20ms的运行周期，使用了10ms运行周期的子系统A的输出，当B还在进行计算的时候A可能会有不同的输出。如果在运算过程中发生了值得改变，子系统B可能会运算出一个错误的结果。举个例子，在B中如果存在首次计算值与A的输出比较的运算，且最终输出依据比较的结果，此时有可能发生在B计算过程中A的值发生改变，导致最终输出不正确的情况。为了避免此种情况发生，如果任务主体发生改变，从A得到的输出值需要在被B使用之前进行固定。换言之，即便在B运算过程中A的输出值发生改变，因为调用了不同的RAM区，最终的计算结果也不受影响。

当在Simulink中创建模型并且在Simulink中连接了具有不同运行周期的子系统时，Simulink会自动保留所需的RAM。

当然，如果不同运行周期的输入值获得是通过 手写代码集成的方式，则相应嵌入式软件工程师需要进行相应RAM区保留的设置。在AUTOSAR中的RTW层，就是在接收和发送出口方面都定义了了不同的RAM。

单任务

2ms循环内信号值相同，但是需要注意不同的2ms运算值和上一个2ms的值可能不同。如果2-1 、 2-2 使用了F 1中的信号A，则 2-1 、 2-2 会使用不同2ms任务计算出的值，此处要进行影响识别。

多任务

对于多任务，不能够指定使用计算结果的时间点。在多任务系统中，无论是否为不同运行周期，总是需要给信号变量和传递变量分配不同的RAM。

在执行任务的新计算之前，所有的值都会一次性复制一遍。

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