底層驅(qū)動(dòng)為啥是MBD的“禁區(qū)”？

1 底層驅(qū)動(dòng)的那些事

先說說MBD關(guān)于底層驅(qū)動(dòng)的一些基本情況。

我們知道，MBD是通過建立模型來生成代碼，然而并不是所有的代碼都能建立模型，嵌入式系統(tǒng)中的底層驅(qū)動(dòng)（Low Level Drivers，LLD）就屬于這樣的代碼。之所以底層驅(qū)動(dòng)代碼不能建立模型，是因?yàn)槠渚哂邢旅孢@樣的特征：

• 沒有明顯是數(shù)學(xué)邏輯，無法使用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)；
• 與芯片的外設(shè)（Peripherals，例如ADC、PWM等外設(shè)）息息相關(guān)，不同的芯片可能差別很大；
• 嚴(yán)格規(guī)范的底層驅(qū)動(dòng)需要滿足一定的要求，例如AUTOSAR；
• 底層驅(qū)動(dòng)往往需要頻繁的調(diào)用；
• 配置底層驅(qū)動(dòng)的邏輯關(guān)系往往比較復(fù)雜。

模型擅長處理的是數(shù)學(xué)問題，而底層驅(qū)動(dòng)本質(zhì)上是一種格式化的代碼，是一套與芯片設(shè)計(jì)、功能配置聯(lián)系緊密的流程式操作，所以不適合建模實(shí)現(xiàn)。

很多剛?cè)腴TMBD的讀者可能并不具備嵌入式相關(guān)的基礎(chǔ)（學(xué)習(xí)MBD大多是機(jī)械、汽車專業(yè)的，很少有電子、自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)專業(yè)的），這里給大家看看實(shí)際的嵌入式工程中，底層驅(qū)動(dòng)究竟是什么樣子的。下面這段代碼摘自NXP（恩智浦）電機(jī)控制工具包MCSPTE1AK144中的部分代碼：

int main(void)
{
    McuClockConfig();       /* 配置時(shí)鐘 */
    McuCacheConfig();       /* 配置緩存 */
    McuPowerConfig();       /* 配置功耗模式 */
    McuIntConfig();         /* 配置中斷 */
    McuSimConfig();         /* 配置系統(tǒng)集成模塊 */
    McuTrigmuxConfig();     /* 配置觸發(fā)單元 */
    McuPinsConfig();        /* 配置Pin腳 */
    McuLpuartConfig();      /* 配置UART（通用異步收發(fā)） */
    McuAdcConfig();         /* 配置ADC */
    McuPdbConfig();         /* 配置延時(shí)計(jì)時(shí)器 */
    McuFtmConfig();         /* 配置PWM輸出模塊 */
    FMSTR_Init();           /* 配置上位機(jī)通信模塊 */
    GD3000_Init();          /* 配置預(yù)驅(qū)芯片 */
    MCAT_Init();            /* 配置FOC初始化 */


    for(;;){ /* 省略 */ }   /* 進(jìn)入死循環(huán) */
    return 0;
}

可以看到，程序在進(jìn)入死循環(huán)之前，全部的工作都在進(jìn)行底層配置的初始化，以ADC為例，底層配置初始化調(diào)用的底層驅(qū)動(dòng)API是這樣的：

void McuAdcConfig (void)
{
    /* ADC0 module initialization */
    ADC_DRV_ConfigConverter(INST_ADCONV0, &adConv0_ConvConfig0);
    /* ADC1 module initialization */
    ADC_DRV_ConfigConverter(INST_ADCONV1, &adConv1_ConvConfig0);
    /* AD4 input channel is used for PhaseA stator current sensing */
    ADC_DRV_ConfigChan(INST_ADCONV0, 0, &adConv0_ChnConfig0);
    /* AD7 input channel is used for DC bus voltage sensing */
    ADC_DRV_ConfigChan(INST_ADCONV1, 0, &adConv1_ChnConfig0);
    /* AD15 input channel is used for PhaseB stator current sensing */
    ADC_DRV_ConfigChan(INST_ADCONV1, 1, &adConv1_ChnConfig1);
}

這些API由NXP的S32K1xx SDK3.0.0提供。而實(shí)際上，這些API之下還有硬件訪問層（Hardware Access Layer），在這一層完全變成了寄存器位操作，那就更沒辦法搭建模型了。

所以，一款芯片的底層驅(qū)動(dòng)本身就是一套非常復(fù)雜的軟件，這樣的底層軟件不需要芯片使用者來開發(fā)，通常由芯片制造商提供，開發(fā)者直接使用即可。

在MBD中就沒有相應(yīng)的解決方案了嗎？實(shí)際上是有的，這就要提到部分芯片廠商會發(fā)布的另一種MBD工具包（也稱為硬件支持包）。還是以NXP為例，NXP會隨著某一款芯片，發(fā)布其基于Simulink的 MBDT （Model-Based Design Toolbox）工具包。該工具包作為Simulink的擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)大部分底層驅(qū)動(dòng)的配置。例如NXP S32K1xx的MBDT，安裝好后在Simulink的庫中可以看到相應(yīng)的底層驅(qū)動(dòng)模型：

NXP MBDT底層驅(qū)動(dòng)模型 - Frome NXP MBDT

而使用模型的方式，底層驅(qū)動(dòng)的初始化就變成了這樣，只需要把需要初始化的模塊放置在模型中即可：

NXP MBDT底層驅(qū)動(dòng)初始化 - Frome NXP MBDT

雙擊ADC0_Init模型可以編輯底層驅(qū)動(dòng)的一些配置選項(xiàng)，例如采樣精度等參數(shù)：

NXP MBDT底層驅(qū)動(dòng)配置示例 (ADC) - Frome NXP MBDT

除了上面提到的NXP，其他芯片廠商也會提供這種類似的MBD工具包，匯總?cè)缦拢?/p>

• TI（德州儀器）
• NXP（恩智浦）
• ST（意法半導(dǎo)體）
• Renesas（瑞薩）
• infineon（英飛凌）
• Microchip（微芯科技）
• Arduino（沒找到中文名
• Raspberry Pi（樹莓派）

最后兩家并不是芯片廠商，Arduino是開源電子原型平臺，樹莓派已經(jīng)屬于微型電腦了，這說明了MBD的應(yīng)用領(lǐng)域是可以上升到更加高級的場合，并非限于MCU領(lǐng)域。

當(dāng)然還有很多其他家的MBD工具包，這里只列舉了部分。以后我會選擇其中的幾個(gè)家，詳細(xì)講講它們的MBD工具的使用。目前還沒發(fā)現(xiàn)有國內(nèi)芯片廠商有提供MBD開發(fā)包的。

（題外話，實(shí)際上國內(nèi)MCU廠商的開發(fā)工具鏈都不算完整，集成開發(fā)環(huán)境IDE大多也依賴第三方Keil、IAR等，編譯器也不是自己的編譯器，能提供的開發(fā)工具更少，***任重而道遠(yuǎn)）

這些底層驅(qū)動(dòng)模型調(diào)用的依然是原本設(shè)計(jì)好的底層驅(qū)動(dòng)軟件，但是Simulink并不認(rèn)識這些軟件，所以需要告訴Simulink真正的驅(qū)動(dòng)軟件在哪里。這些底層驅(qū)動(dòng)模型本質(zhì)上是Simulink的S-函數(shù)，S-函數(shù)是能生成代碼的。芯片廠商底層驅(qū)動(dòng)的配置通過S-函數(shù)的形式在模型中實(shí)現(xiàn)，S-函數(shù)中包含了用戶的配置信息，以及底層驅(qū)動(dòng)的代碼。

總的來說，關(guān)于嵌入式軟件的底層驅(qū)動(dòng)部分，雖然不容易建模實(shí)現(xiàn)，但借助芯片廠商的MBD工具包，仍然可以實(shí)現(xiàn)建模和自動(dòng)生成代碼。

2 底層驅(qū)動(dòng)為啥是MBD“禁區(qū)”？

故事講到這里，似乎很圓滿，為啥還被稱為“禁區(qū)”呢？

我在MATLAB中文論壇的基于模型設(shè)計(jì)板塊看到幾篇帖子，很有參考意義，有許多大佬在這個(gè)帖子上發(fā)表了關(guān)于底層驅(qū)動(dòng)的一些觀點(diǎn)，比如劉杰博士（《基于模型設(shè)計(jì)》四部著作的作者）和老胡（MathWorks高級工程師）。

關(guān)于大佬們的觀點(diǎn)，我總結(jié)了以下幾點(diǎn)：

• 在Simulink中是可以實(shí)現(xiàn)底層驅(qū)動(dòng)的，但繁瑣且效率不高；
• MBD應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注上層應(yīng)用和算法，沒必要做底層驅(qū)動(dòng)；
• MBD的核心是算法驗(yàn)證，即驗(yàn)證上層應(yīng)用和算法。

我們可以發(fā)現(xiàn)，大佬們討論的時(shí)候，都沒有提到芯片廠商的MBD工具包。但可以猜測，那時(shí)的MBD工具包應(yīng)該非常不完善，達(dá)不到應(yīng)用的要求，所以才會圍繞底層驅(qū)動(dòng)是否值得做展開了激烈的討論?，F(xiàn)在和那時(shí)相比，MBD工具包發(fā)展了很多，它的底層驅(qū)動(dòng)模塊已經(jīng)可以滿足一些簡單的應(yīng)用需求，MBD工具包給的例程是可以直接下載到相應(yīng)的硬件中，包括電機(jī)控制這樣的算法可以直接跑起來。

但也僅僅只是滿足一些簡單的應(yīng)用需求 ，即使是現(xiàn)在，MBD工具包依然存在著很多局限性。

**首先，**MBD工具包的功能沒有底層驅(qū)動(dòng)軟件強(qiáng)大，可以說，芯片廠商提供的底層驅(qū)動(dòng)軟件能發(fā)揮芯片的100%功能，但MBD工具包就很難說了，芯片廠商移植了多少，就支持多少。而且芯片廠商也不會把底層驅(qū)動(dòng)軟件的全部功能都移植到MBD工具包中，因?yàn)榈讓域?qū)動(dòng)軟件是屬于芯片廠商自己的產(chǎn)品，你愿意把自己的產(chǎn)品放在別人家的平臺（例如Simulink）上面嗎？

**其次，**目前大多數(shù)芯片廠商的底層驅(qū)動(dòng)軟件已經(jīng)具備了圖形化的配置界面，例如NXP的Processor Expert（PE），利用該配置工具，已經(jīng)可以很友好的配置底層軟件，體驗(yàn)效果并不比在Simulink中差。

**第三，**對于芯片廠商來說，它們的資源肯定是優(yōu)先投放非底層驅(qū)動(dòng)軟件和圖形化配置界面的開發(fā)，一款芯片的MBD工具包肯定會落后與前兩者發(fā)布。

**第四，**從我的使用經(jīng)驗(yàn)來看，MBD工具包并沒有底層驅(qū)動(dòng)軟件靈活，在熟悉了底層驅(qū)動(dòng)軟件后，遇到問題能很快定位到位置。而如果在MBD工具包的模型中遇到了問題，有時(shí)候不查看底層驅(qū)動(dòng)軟件，可能很難找到問題所在，因?yàn)镸BD工具包底層本身也是調(diào)用的底層驅(qū)動(dòng)軟件，中間隔了一層S-函數(shù)。

**第五，**對應(yīng)復(fù)雜的項(xiàng)目來說，使用底層驅(qū)動(dòng)模塊可能會大大增加模型的復(fù)雜程度，前面提到了，底層驅(qū)動(dòng)模塊是需要頻繁調(diào)用的。

**最后，**也是一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問題，除了上述提到的芯片廠商會提供MBD工具包，如果使用的芯片不提供MBD工具包呢？畢竟現(xiàn)在能提供MBD工具包的是少數(shù)。

所以，即使是在2020年，老胡在回復(fù)網(wǎng)友時(shí)依然不建議自己搭建底層驅(qū)動(dòng)接口。大佬們的觀點(diǎn)到現(xiàn)在依然成立，我們在使用MBD開展項(xiàng)目的時(shí)候，可以不考慮底層驅(qū)動(dòng)，也盡量不要涉及底層驅(qū)動(dòng)。因此我把底層驅(qū)動(dòng)稱作MBD的“禁區(qū)”。

3 底層驅(qū)動(dòng)與模型集成

我們知道，底層驅(qū)動(dòng)是連接上層算法和硬件的橋梁，如果模型中不做底層驅(qū)動(dòng)，那底層驅(qū)動(dòng)怎么實(shí)現(xiàn)呢？

按照上面的結(jié)論，我們在搭建模型的時(shí)候，并不需要將底層驅(qū)動(dòng)放到模型中（當(dāng)然建模時(shí)要考慮底層驅(qū)動(dòng)帶來的影響，例如的ADC精度），所以生成的代碼就只有算法，我需要做的就是在模型中將這個(gè)算法的接口做好。就像下面這樣：

算法模型 - Frome aotuMBD

這樣在測試的時(shí)候，也可以直接將該模型作為參考模型進(jìn)行測試，這樣也將測試和建模的工作分離開了。

算法測試 - Frome aotuMBD

接下來就是將生成的代碼和底層驅(qū)動(dòng)集成在一起，這一步操作需要在IDE中進(jìn)行。在IDE中我們建立好工程，利用芯片廠商的配置工具將底層配置好，然后將生成的代碼復(fù)制到工程中去，將模型生成的頭文件包含到工程當(dāng)中，在需要用到算法的地方調(diào)用生成的函數(shù)接口即可。

這里只是很簡要的描述了底層驅(qū)動(dòng)與模型集成的大致過程，后續(xù)我會針對不同的芯片更加詳細(xì)的展示這個(gè)過程，歡迎持續(xù)關(guān)注。

可以看到，底層驅(qū)動(dòng)與模型集成是需要和代碼打交道的，但這正是目前使用MBD的主流方式。不要覺得MBD就是純粹的無代碼式開發(fā)，就目前來說，如果是產(chǎn)品級的設(shè)計(jì)，我們依然需要在底層驅(qū)動(dòng)部分和代碼接觸，MBD工具包只能實(shí)現(xiàn)簡單demo性質(zhì)的功能。