Mathsworks的RTWCE与DSP的开发过程研究

Mathsworks的RTWCE与DSP的开发过程研究

    传统的DSP项目开发方式主要是按照项目需求与设计规范，通过手写C代码
或DSP汇编代码在DSP板卡上进行编程设计实现。这要求开发者不但需要掌握
DSP的硬件特性和原理体系，还需要具备信号处理的理论算法设计经验和DSP开
发应用的编程能力。这无疑分散了设计人员的研究精力，相对阻滞了研发速度。
    Mathsworks公司开发的Simulink和Real-Time Workshop Embedded Coder(RTW
EC)工具提供了一种集信号处理算法和DSP驱动源代码于一体的开发和测试平
台。该平台以硬件支持库作为开发载体，使完全地基于MATLAB和Simulink平台
的开发成为可能。
    然而，MATLAB无法集成所有型号处理器以及对应的板级支持库模块。对于
自定义的硬件板卡，需要根据不同型号DSP处理器的特性和板卡的开发应用情
况，设计出与DSP处理器对应的板级支持库模块，以完成算法模型搭建和自动生
成代码过程。

    随着MATLAB和Simulink功能的扩展和强大，实现数字信号处理理论算法到
硬件系统平台的实时信号处理己经成为可能，MATLAB/Simulink平台己经普遍成
为复杂算法的开发工具。本文基于TMS320C6455 DSP芯片和Xilinx Virtex-5
FPGA的硬件平台，提出在MATLAB/Simulink平台上，搭建算法模型并自动生成
C代码，同时下载至DSP目标板的算法快速开发方案。实现该方案的核心元素就
是集成在MATLAB内部的Real-Time Workshop实时工作环境，本章将具体介绍通
过RTW EC功能实现自动生成实时目标板卡运行程序的原理和过程。

    Real-Time Workshop是Mathworks公司开发的MATLAB工具箱之一，是建立
在Simulink算法模型和模型仿真机制基础上的一个拓展机制，简单地说，RTW为
MATLAB添加了自动生成代码的功能。

    Real-Time Workshop是Mathworks公司开发的MATLAB工具箱之一，是建立
在Simulink算法模型和模型仿真机制基础上的一个拓展机制，简单地说，RTW为
MATLAB添加了自动生成代码的功能。

    通过在Simulink平台中创建可改进和优化的算法模型，然后执行RTW功能，
可以产生规范但不缺手写个性化的程序代码，而且针对不同的目标板卡可以灵活
地修改系统目标文件，生成不同硬件系统环境下的可执行代码。此外，RTW可以
自动将生成的目标程序加载到硬件板卡上，并且可以通过外部模式功能监测板卡
运行状态，能动态地对模型系统进行实时调试。

    RTW从Simulink框图、Stateflow图和MATLAB函数生成并执行C和C++代
码。生成的代码可运行在PC处理器、DSP器件、裸版的微控制器和多种包括专用
的实时操作系统之上，用于实时和非实时应用。包括仿真加速、快速原型建立和
硬件在回路测试。我们可以用Simulink对生成的代码进行调优和监测，也可以在
MATLAB和Simulink之外运行代码并与其交互[1gU22}0
    现在越来越多的算法设计师通过在Simulink环境下搭建算法链路，再使用
MATLAB对模型进行分析和执行，采用RTW快速仿真的功能以大幅提高仿真速
率。通过对仿真数据的分析，不断优化算法，最后完成符合要求的模型，再将模
型生成一个快速原型化目标，快速原型化目标是目的硬件平台的样机模型，
Simulink模型可以当作目标硬件的接口，实时监测快速原型化样机。生成模型后
再用RTW将模型转换成C语言，然后通过模板联编文件控制目标代码编译器生成
可执行程序，装载到DSP板卡上。在MATLAB与底层通路连接之后，启用
Simulink外部模式，在参数对话框中，实时动态地对目标参数进行监控和调试。
    RTW EC是实现基于MATLAB平台实时开发硬件系统的中枢环节。根据设计
需求中可执行技术规范，使用自定义硬件支持库建立并确认要设计的算法模型
后，便到了设计开发过程的实现部分，用RTW EC实现自动生成代码。从设计效
率、设计纵向延展性和所需工作量看，相比传统系统开发流程存在很大的优势，
尤其对于复杂算法的研究，避免了手写大量算法代码的低效工作。

    由于RTW可以面向多种操作系统和处理器类型进行扩展应用，因此在实际的
产品开发过程中有着广泛的兼容性，可以面向多种微处理器和硬件系统平台进行
开发应用，有英飞凌单片机、Motorola公司的MPC555单片机、TI公司的DSP芯
片及其DSP/BIOS系统、ADI公司的DSP芯片以及Wind River公司的Tornado实
时硬件系统平台及其VxWorks系统。
    DSP包括快速仿真、实时仿真、嵌入式实时应用以及生成完整的实时解决方
案等[23} o RTW的应用包括嵌入式实时开发和生成完整的实时解决方案两种。其中
本文使用RTW的自动生成代码功能，通过对RTW进行扩展应用，设计并结合DSP
硬件支持模块，将数字信号处理算法模型通过RTW自动生成DSP可执行的文件，
并自动下载到DSP板卡中开始运行。其次，通过集成自定义的硬件系统平台和
RTW EC的产品解决方案，可以实现总线设备启动控制、数据发送控制及数据传
输控制等各种应用控制功能。

    S函数是系统函数(System Function的简称，是Simulink环境下的功能扩展
机制，可以有效提高和丰富Simulink的功能。S函数可以定义模块基本属性、模
块执行情况，还可以实现算法模块及板卡设备驱动模块。
    RTW代码生成过程的第一个阶段是对搭建好的DSP模型进行编译，该阶段与
C程序的编译过程类似，C程序的编译过程包括类型检测和预处理。同样地，对于
S函数模块，Simulink引擎在执行算法模型仿真时将由S函数定义的特定信息从一
个模块传递到下一个模块，传递的信息包括数据类型、信号线宽度和采样时间。
Simulink首先需要确认模块端口的输入和输出数据类型一致与否，模块之间的信
号线宽度必须要相等以及互相连接的采样时间需要保持一致性等。上述模块属性
都可以根据模型中的具体情况，在S函数的mdlInitializeSizes回调函数中进行扩展
编写。
    此外，Simulink引擎通过执行各模块的S函数，调用回调函数来完成对模型
的仿真。一个S函数的代码包括一系列的S函数回调函数，用于在每个仿真阶段
执行指定的任务。在仿真模型中的每个仿真阶段，Simulink对S函数模块调用适
当的方法，通过S函数的回调来进行模块的初始化过程、计算采样点时间、计算
输出过程、进行模型状态更新这四个过程。这四个过程都可以通过在S函数中分
别编写对应的回调函数mdlInitializeSizes,  mdlInitializeSampleTimes,  mdlOutputs
和mdlUpdate来实现。
    在RTW执行创建过程的初始化阶段需要对己组建好的模型进行分析，RTW
读取Matlab内建的模型文件model.mdl，将目标板卡预置模块、DSP Core支持库
模块、板级支持库模块、算法子系统以及它们之间的联系，生成具有多层次结构
的model.rtw文件。该文件中包含模型和子系统的结构及连接关系，是一种AS CII
码文件。model.rtw文件仅是模型转化为目标代码流程中的一个中间文件。
    S函数API包含一个特定的回调函数md1RTW }  md1RTW回调函数将Simulink
模块对话框中的参数从Simulink模块传递到model.rtw文件中，这样便可以在
Simulink环境中修改所生成自定义代码中的参数。

    Target Language Compiler(目标语言编译器)是RTW代码生成工具的一个组
成部分。TLC文件包含系统目标文件和模块目标文件两组文件[[25]。对于不同的
DSP或者嵌入式处理器需使用或者定义不同的系统目标文件，比如一般实时目标
使用grt.tlc文件模板，嵌入式实时目标使用ert.tlc文件模板。
    随着DSP集成开发环境CCS所集成DSP处理器类型和所配对的芯片支持库
越来越丰富，再加上Mathworks公司和TI公司在MATLAB与CCS软件产品上的
深化合作，RTW可执行文件创建过程得到不断优化。例如C6455所用的原有系统
目标文件“ti_ c6000_ ert.tlc”被“ccslink ert.tlc”文件取代。系统目标文件的主要
作用体现在两个阶段，RTW将Simulink模型生成到CCS实时C程序代码阶段以
及RTW将C程序代码生成DSP可执行文件阶段。