PIL 基本介紹

在航空和汽車等安全攸關(guān)的行業(yè)，如果采用基于模型的設(shè)計方法論（MBD），需要額外引入背靠背測試的概念，具體來說，使用模型開發(fā)的過程中，背靠背測試包含 SIL（Software-in-the-Loop）和 PIL（Processor-in-the-Loop）兩種。其中 PIL 測試是驗證模型和目標(biāo)碼（Object code，即編譯鏈接之后的產(chǎn)物）等效性的有效手段，也是諸如 DO178C，ISO26262 等功能安全標(biāo)準(zhǔn)推薦的一種測試方法。

為了更好的理解本文，首先來看看什么是硬件支持包（注：PIL 功能通常是一個完整硬件支持包的其中一個功能），在 MBD 語境下，一個相對完整的硬件支持包通常包含以下組件：

Toolchain - 實現(xiàn)將 Simulink 模型或 M 代碼一鍵自動化編譯、鏈接和下載的核心手段

Device Driver - MCU/MPU/FPGA 等的外設(shè)或者片外設(shè)備，比如 ADC，PWM，GPIO，SCI 等

Code Replacement Library(CRL) - 將生成的標(biāo)準(zhǔn)代碼替換成廠商的高效庫函數(shù)/匯編碼

Processsor-In-the-Loop(PIL) - 將算法模型生成可執(zhí)行文件后（如.out）放到目標(biāo)硬件上執(zhí)行并和主機(jī)上的仿真結(jié)果進(jìn)行對比的一種等效性測試手段

External Mode - 將（算法）模型生成可執(zhí)行文件后獨立運(yùn)行在目標(biāo)硬件上并和原模型保持連接，此時原模型可理解為一種上位機(jī)“界面”，上位機(jī)模型和下位機(jī)目標(biāo)碼可以聯(lián)動。

注：MathWorks 官方推出的硬件支持包通常是兼顧芯片級和板級，以芯片級為主，板級主要是支持一些官方或熱門的開發(fā)板。

硬件支持包的開發(fā)要求開發(fā)人員具備相應(yīng)的知識和技能，以下是最基本的要求：

嵌入式軟硬件知識，通常包括使用 MCU/MPU/FPGA，調(diào)試工具和常用設(shè)備等技能

嵌入式軟件知識，通常包括熟悉嵌入式操作系統(tǒng)，編程，常用 IDE 的使用，通信協(xié)議，手寫 makefile 等能力

Embedded Coder 定制化知識和代碼生成的深刻理解

MATLAB 面向?qū)ο缶幊痰闹R

常見通信協(xié)議知識，包括 SCI，TCP/IP，CAN 等

只有在具備以上能力的前提下才能較好的開發(fā)出硬件支持包。另外，MathWorks 官方以及三方芯片廠商也會提供一些熱門芯片的現(xiàn)成的硬件支持包，在確定開發(fā)之前，應(yīng)該進(jìn)行相關(guān)調(diào)研，如果市面上已經(jīng)存在相應(yīng)的支持包，建議直接使用現(xiàn)成的。比如 NXP 針對其各系列芯片就提供了對應(yīng)的硬件支持包供客戶選擇。

本文將聚焦硬件支持包中 PIL 功能的開發(fā)，介紹如何開發(fā)自己的 PIL 支持包。

PIL 基本原理

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首先介紹下 PIL 的基本概念，如圖所示，PIL 測試供包含兩次仿真，分別是：

1）將軟件的Simulink模型首先在Simulink環(huán)境中運(yùn)行一次，在給定激勵下會產(chǎn)生一些輸出，記錄下來；

2）接著將軟件的 Simulink 模型生成代碼并編譯鏈接成可執(zhí)行目標(biāo)碼，下載至下位機(jī)板子上運(yùn)行，在相同的激勵下軟件在板子上運(yùn)行也會產(chǎn)生一些輸出，也記錄下來。

3）最后將兩次輸出的結(jié)果進(jìn)行等效性比對。

目前這些基本操作在 MathWorks 提供的工具鏈中都是傻瓜式操作，大家可自行查閱文檔學(xué)習(xí)，本文不做贅述。

如圖所示，一個完整的 PIL 仿真過程由以下各階段組成：

選擇三種 PIL 仿真方式中的一種啟動 PIL 仿真，至于哪三種方式可參考文檔

驗證上位機(jī)下位機(jī)連接配置

模型生成核心代碼

實例化 PIL API 組件（即 PIL Framework，就是幾個 PIL 專用的 MATLAB 類文件）

繼續(xù)生成額外的 PIL 需要用到的輔助代碼，配合模型生成的核心代碼組成一個包含上位機(jī)下位機(jī)通信和控制的完整應(yīng)用代碼

基于注冊好的 ToolchainInfo 對象中的編譯信息，調(diào)用三方交叉編譯器將完整的應(yīng)用代碼生成可執(zhí)行的目標(biāo)文件。同時調(diào)用上位機(jī)的 C/C++ 編譯器 (MinGW 或 Visual Studio) 把 PIL Framework 中涉及的 C/C++ 代碼編譯成 C Mex S Function（可簡單理解成加殼的 dll 或 so 文件），這些代碼主要是上位機(jī)端的 C/C++ 通訊源碼。

上位機(jī) Simulink 模型下發(fā)指令啟動下位機(jī)運(yùn)行目標(biāo)代碼

Simulink Engine 通過 C Mex S Function 和下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互

上位機(jī) Simulink 模型下發(fā)指令終止下位機(jī)目標(biāo)代碼的運(yùn)行

Simulink 模型停止 PIL 仿真

PIL 開發(fā)方法論

第一步

軟硬件開發(fā)環(huán)境

開發(fā)的第一步是搭建軟硬件開發(fā)環(huán)境，具體來說：

●硬件環(huán)境：開發(fā)板，調(diào)試器，外圍電路，通訊接口等

●軟件環(huán)境：IDE，MATLAB 等，特別注意 IDE 一定要支持命令行調(diào)用，這是自動化的前提，有些 IDE 的非商業(yè)版本只允許界面操作，這個是做不了支持包的！

●資料收集：各種可能涉及的參考資料，比如芯片的數(shù)據(jù)表，開發(fā)板的原理圖，IDE 的使用手冊等等

●通訊：PIL 會涉及上位機(jī)和下位機(jī)通信，所以通訊協(xié)議和通訊的硬件部分必須匹配，比如我們希望所開發(fā)的支持包支持上位機(jī)下位機(jī)通過 CAN 進(jìn)行程序的燒寫和數(shù)據(jù)交互，那么要求板子上的硬件必須支持 CAN 通訊，并且上位機(jī)一般要通過 USB-CAN 卡與下位機(jī)相連，如下圖所示。理論上，任何通訊協(xié)議都可以，MathWorks 內(nèi)置有部分現(xiàn)成的上位機(jī)通訊協(xié)議，包括串口和 TCP/IP，下位機(jī)部分仍然需要自己編寫。其他協(xié)議如 CAN 則需要自己編寫上位機(jī)和下位機(jī)通訊驅(qū)動。

一個良好的軟硬件開發(fā)環(huán)境可以通過寫個 makefile 來點燈的例子進(jìn)行驗證。一旦完成點燈，意味著我們已經(jīng)具備的基本的軟硬件開發(fā)環(huán)境。

第二步

Toolchain 的開發(fā)和 Hardware Board 注冊

從上文知道 PIL 仿真過程需要一鍵編譯鏈接和下載目標(biāo)碼，這個動作是由 Toolchain 來實現(xiàn)的，因此開發(fā) PIL 的第一步是開發(fā) Toolchain。

這里先解釋下 Toolchain 在本文的含義，我們知道嵌入式開發(fā)自動化腳本通常就是 makefile，而 Toolchain 大家可以認(rèn)為就是 MATLAB 版本的 makefile，是用 M 語言按照一定的要求和格式進(jìn)行編寫，其中需要寫明匯編器、編譯器、鏈接器、下載器、格式轉(zhuǎn)換器等工具的命令行調(diào)用方法，編譯成目標(biāo)碼所需要使用的各種依賴庫等。這樣可以將其自動嵌入到代碼生成的流程中去，實現(xiàn)所謂的“一鍵編譯下載”。

為了更好的講解后續(xù)內(nèi)容，建議大家先跳到 第5步 - 細(xì)節(jié)學(xué)習(xí)，安裝 C2000 的官方支持包，這是一個非常好的學(xué)習(xí)對象。這里就以 C2000 支持包為例講解下 Toolchain 開發(fā)的要點。

C2000 支持包的安裝目錄（位置參考第 5 步中的截圖）找到 tiCCS.m 文件，大家可以直接使用這個文件作為自己 Toolchain 開發(fā)的模板，這個文件中最核心的部分包括：

●coder.make.ToolchainInfo：定義 ToolchainInfo 對象，下圖是該對象的透視圖，可以說開發(fā) Toolchain，本質(zhì)就是操作這個 ToolchainInfo 對象

●使用上述對象的 getBuildTool 方法注冊各類工具，比如 Assembler，Compiler，Linker，Archiver

●使用上述對象的 getPrebuildTool/getPostbuildTool 方法注冊各類代碼生成前后處理工具，比如編譯后自動下載等

●使用上述對象的 getBuildConfiguration 方法提供不同等級的 Build Configuration，比如保留調(diào)試能力的編譯配置，高度優(yōu)化的編譯配置等，它們的本質(zhì)區(qū)別就是編譯器優(yōu)化等級不同

一旦完成上述內(nèi)容的開發(fā)，下一步就是注冊該文件，這里我們以 TI TMS320 C6678 DSP 的 Toolchain 開發(fā)為例介紹：

●TI_TMS320C6678_toolchain.m – 所開發(fā)的toolchain 的 M 代碼

●sl_customization.m – 用來注冊硬件板子和 Toolchain 對象，這樣用戶可以在 Hardware Implementation 和 Code Generation 下面看到板子和 Toolchain 可供選擇。

function sl_customization(cm)
 cm.registerTargetInfo(@loc_createDevice);
end


function thisDev = loc_createDevice
 thisDev(1) = RTW.HWDeviceRegistry;
 thisDev(1).Vendor = 'Texas Instruments';
 thisDev(1).Type = 'TMS320C6678';
 thisDev(1).Alias = {};
 thisDev(1).Platform = {'Prod', 'Target'};
 thisDev(1).setWordSizes([8 16 32 32 32 32 64 32]);
 thisDev(1).LargestAtomicInteger = 'Long';
 thisDev(1).LargestAtomicFloat = 'Double';
 thisDev(1).Endianess = 'Little'; 
 thisDev(1).IntDivRoundTo = 'Zero';
 thisDev(1).ShiftRightIntArith = true; 
end

●refreshTITMS320C6678Toolchain.m – 注冊 Toolchain的 腳本，包括調(diào)用 TI_TMS320C6678_toolchain.m 并將其保存成 TI_TMS320C6678_toolchain.mat 格式，進(jìn)一步調(diào)用 RTW.TargetRegistry.getInstance('reset') 注冊 Toolchain。

function refreshTITMS320C6678Toolchain
  %Make sure we are in the right directory
  currentDir = pwd;
  toolchainPath = getpref(' MyToolchainName', 'TOOLCHAINPATH');
  cd(toolchainPath);
  
  % Create a new configuration
  gtc= MyToolchainName_toolchain;
  tc=gtc(1); 
  save([toolchainPath ' TI_TMS320C6678_toolchain.mat'], 'tc');
  
  % Refresh customisations defined by rtwTargetInfo.m
  RTW.TargetRegistry.getInstance('reset');
  
  % Return to directory
  cd(currentDir)
end

一旦注冊完成后我們就可以在模型參數(shù)配置界面上找到這個 Toolchain 作為代碼生成的選項，其中：

Hardware Implementation->Hardware board 中可選擇剛剛注冊的板子：

Code Generation中可選擇剛剛注冊的板子：

最后構(gòu)建一個極簡的模型來驗證該Toolchain能夠完成模型的一鍵編譯下載。

第三步

PIL 工具鏈的組成

接著就是 PIL 最核心的開發(fā)部分，圖中紅色部分就是我們需要開發(fā)的內(nèi)容，其中 PIL API Components 即 MathWorks 官方提供的一套標(biāo)準(zhǔn)的 PIL 開發(fā)框架，包括：上位機(jī)和下位機(jī)端各自的通訊協(xié)議，Build Process 和 Launcher等，該框架的核心就是名為 Connectivity Configuration 的幾個類文件組成，以下為開發(fā)要點：

●開發(fā) PIL Target 核心功能類（即 Connectivity Configuration 類的編寫）

●桌面端和 IDE 中分別調(diào)通上位機(jī)和下位機(jī)的通訊功能，移植到核心功能類中

●下位機(jī) Timer 配置并注冊核心功能類中，主要服服務(wù)于后續(xù)下位機(jī)上任務(wù)運(yùn)行時間的統(tǒng)計和分析

這里對上述要點進(jìn)一步展開介紹下，還是以 TI TMS320 C6678 DSP 的支持包開發(fā)為例，下圖是一個典型的 PIL Target 目錄，這里便于我們進(jìn)行講解：

1）開發(fā)上位機(jī)和下位機(jī)通訊協(xié)議

比如截圖中是使用串口協(xié)議，并把上位機(jī)的串口協(xié)議和下位機(jī)的串口協(xié)議代碼分別放到 host_dll 和 target_src 中。如果是其他通訊協(xié)議，則把相應(yīng)的協(xié)議代碼分門別類放好即可。通訊協(xié)議代碼需要按照一定的格式使用 rtiostream 函數(shù)進(jìn)行封裝。

關(guān)于 rtiostream 函數(shù)的使用請查閱文檔示例或者 C2000 支持包安裝目錄中的代碼。另外，對于串口和 TCP/IP，MATLAB 官方提供了現(xiàn)成的上位機(jī)協(xié)議 dll 供使用，具體位置請查閱幫助文檔。

2）開發(fā) PIL Target 核心功能類

其中 +tic6678codetargetpil 中存放了 PIL 的核心功能類，這些類文件都是通用的，大家可以直接使用官方 C2000 支持包安裝目錄中的 pil 代碼作為模板進(jìn)行微調(diào)基本就能滿足要求。各個類的使用細(xì)節(jié)請直接參考文檔。

3）注冊硬件定時器 Timer

Timer 的注冊有兩種方式：1）crtool；2）Timer 類。C2000 支持包使用的是 crtool 方式，在文檔中搜索：Specify Hardware Timer 關(guān)鍵字即可找到操作指南，這種方式略微復(fù)雜些。當(dāng)然也可以使用類的方式進(jìn)行 Timer 注冊，以下為前述 C6678 示例中 Timer 的注冊方式：

classdef Timer < rtw.connectivity.Timer
% TIMER Get timing information for C6678 application 


% ? Copyright 2022 The MathWorks, Inc.


 ? ?methods


 ? ? ? ?function this = Timer(varargin)
 ? ? ? ? ? ?
 ? ? ? ? ? ?this.setTimerDataType('uint32'); % i.e. unsigned long


 ? ? ? ? ? ?% Look for an input providing ticks per second
 ? ? ? ? ? ?if (nargin > 0)
        ticksPerSecond = varargin{1};
      else
        ticksPerSecond = round(1.0e9/6);
      end
      this.setTicksPerSecond(ticksPerSecond);


      % The timer counts upwards
      this.setCountDirection('up');


      % Extract path information from MATLAB Preferences
      timerSrcFolder = fullfile(fileparts(mfilename('fullpath')),'..','rtiostream','rtiostreamserial','target_src');
      
      % Configure source files required to access the timer
      timerHeaderFile = fullfile(timerSrcFolder, 'ProfilerTimer.h');
      
      timerSourceFile = fullfile(timerSrcFolder, 'ProfilerTimer.c');
      
      this.setSourceFile(timerSourceFile);
      this.setHeaderFile(timerHeaderFile);


      % Configure the expression used to read the timer
      readTimerExpression = 'profileTimerRead()';
      this.setReadTimerExpression(readTimerExpression);
    end 
  end
end

4）注冊整個 PIL 硬件支持包

function rtwTargetInfo(tr)
%RTWTARGETINFO Target info callback,register individual targets with Coder Target


% Copyright 2022 The MathWorks, Inc.


tr.registerTargetInfo(@loc_createToolchain);
tr.registerTargetInfo(@loc_createConfig);
codertarget.TargetRegistry.addToTargetRegistry(@loc_registerThisTarget);
codertarget.TargetBoardRegistry.addToTargetBoardRegistry(@loc_registerBoardsForThisTarget);
end


% -------------------------------------------------------------------------
% Create ToolchainInfoRegistry entries for TI TMS320C6678
function config = loc_createToolchain
config = coder.make.ToolchainInfoRegistry; % initialize


% Append to last in the toolchain registry base
config(end).Name   = 'TI TMS320C6678 Toolchain v1.0 | gmake (win64)';


toolchainPath = mfilename('fullpath');
[toolchainDir, ~] = fileparts(toolchainPath);


config(end).FileName = fullfile(toolchainDir,'toolchain','TI_TMS320C6678_toolchain_win64.mat'); %MODIFY


%List the platform or platforms supported by the custom toolchain
%'*' means it supports any hardware device.
config(end).TargetHWDeviceType  = {'*'};


%config(end).Platform        = {computer('arch')};
config(end).Platform = {'win64'};
end


function ret = loc_registerThisTarget()
ret.Name = 'TI TMS320C6678';
[targetFilePath, ~, ~] = fileparts(mfilename('fullpath'));
ret.TargetFolder = targetFilePath;
end




% -------------------------------------------------------------------------
function boardInfo = loc_registerBoardsForThisTarget()
target = 'TI TMS320C6678';
[targetFolder, ~, ~] = fileparts(mfilename('fullpath'));
boardFolder = codertarget.target.getTargetHardwareRegistryFolder(targetFolder); % Point to folder registry/targethardware
boardInfo  = codertarget.target.getTargetHardwareInfo(targetFolder, boardFolder, target);
end




% -------------------------------------------------------------------------
% Specify settings for valid PIL configuration
function config = loc_createConfig


% Create object for serial connectivity configuration
config(1) = rtw.connectivity.ConfigRegistry;
% Assign connectivity configuration name
config(1).ConfigName = 'TMS320C6678 PIL Serial';
% Associate the connectivity configuration with the connectivity
% API implementation
config(1).ConfigClass = 'tic6678codetargetpil.SerialConnectivityConfig';
% match TI C6678 toolchains
config(1).Toolchain = {'TI TMS320C6678 Toolchain v1.0 | gmake (win64)'};
% Match only ert.tlc
config(1).SystemTargetFile = {'ert.tlc'};


% Through the HardwareBoard and TargetHWDeviceType properties,
% define compatible code for the target connectivity configuration
% match only TI C6678
config(1).HardwareBoard = {};
config(1).TargetHWDeviceType = {'Texas Instruments->TMS320C6678'};
end

第四步

PIL 支持包的測試

可以自行構(gòu)建一個簡單的模型，使用 SIL/PIL Manager 進(jìn)行測試，具體的操作技巧請查閱文檔，這里不做贅述。

第五步

細(xì)節(jié)學(xué)習(xí)

限于篇幅和嵌入式本身的復(fù)雜性，本文無法面面俱到，最好的學(xué)習(xí)資料就是仔細(xì)研究一些現(xiàn)成的硬件支持包，比如 MathWorks 官方提供的 C2000 硬件支持包:

大家安裝完成后，結(jié)合本文，仔細(xì)翻閱支持包安裝目錄，基本就能把各種細(xì)節(jié)摸清楚。幫助文檔中也有 PIL 的示例和資料，相對來說篇幅較多也比較零散，需要耐心閱讀。R2019a 引入了 target Package，即一組高度抽象的 API 來便利化硬件支持包的開發(fā)，由于其高度抽象性，建議仍然使用本文描述的方法進(jìn)行 PIL 支持包開發(fā)，這樣調(diào)試起來會方便很多。

說的再多，都不如找一塊板子實際開發(fā)一遍，祝大家都能掌握PIL開發(fā)的方法論，在項目中引入PIL測試環(huán)節(jié)，以期提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少后期枯燥地調(diào)試工作。

審核編輯：劉清