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众所周知#xff0c;嵌入式系统通常是形式多样的、面向特定应用的软硬件综合体#xff0c;无…
01.仿真是什么
仿真的概念非常广泛但归根结底都是使用可控的手段来模仿真实的情况通常应用于现实世界中实施难度大甚至是无法实践的事物。
众所周知嵌入式系统通常是形式多样的、面向特定应用的软硬件综合体无论是软件还是硬件都必须被高效率地设计量体裁衣、去除冗余具备低功耗、小体积、高集成度等特点且通常有着高实时性、高可靠性的要求。
在嵌入式系统复杂程度飙升的当下仿真已成为研发嵌入式系统或解决嵌入式系统中所出现的问题的主流解决方案。具备以下条件的嵌入式系统格外适合应用仿真
硬件尚在开发中/开发速度慢较为稀缺硬件制作成本较为高昂对安全性、可靠性要求非常高在此情形下应用仿真可以带来以下好处
提前进行软件开发、测试和调试测试与硬件相连的其他设备大幅节约成本……举个简单的例子来理解仿真 综上仿真可被应用于嵌入式系统前期设计到后期生产、维护的全生命周期。对嵌入式系统进行仿真的过程是“数字孪生”中的重要一环。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程在虚拟空间中完成映射从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程[1]。数字孪生体是仿真应用新巅峰在数字孪生体成熟度的每个阶段仿真都扮演着不可或缺的角色。 02.仿真的优势
提高效率
嵌入式系统开发人员在进行开发时如果没有实际设备支撑就无法测试软件的正确性与合理性而采用仿真工具便可调试算法的逻辑部分更侧重于可能存在的物理限制或错误。独立于硬件的深度测试可大大提升嵌入式系统的开发效率并缩短开发周期。
控制测试环境
对嵌入式系统进行仿真可使测试环境高效可控。仿真环境可被随时重置并快速生成新的测试结果无需等待冗长的硬件重置或调整且全数字的仿真环境不会受到外界因素的影响结果更为真实可靠。在上文彩色小球实验中出现数据收集不足、连接中断、被输入无效数据时便可应用仿真来解决问题。
提升调试能力
在嵌入式系统出现问题时由于仿真不受外界物理因素的影响因此可以更快速地确定问题来源是软件还是硬件。如果在使用嵌入式设备和模拟器进行测试时发生错误则可能表明算法存在问题。如果错误仅在设备上进行测试时发生则可能表示硬件存在问题。
下表为《航空机载软件全数字仿真测试系统的设计与实现》一文中对于某音频设备软件动态测试数据对比情况。可以看到在测试用例数量和发现的软件问题数量等同的情况下全数字仿真测试的执行耗时和回归测试耗时相比于全物理测试环境均显著减少。该全数字仿真测试使用了天目全数字实时仿真软件SkyEye。 ▲表1 某音频设备软件动态测试数据对比[2] 03.“数字孪生”——仿真工具选择
虽然仿真是开发嵌入式系统的绝佳工具但如果仿真工具不精准所做的任何测试都会适得其反不但无法缩短开发周期还有可能拖长原定计划。选择一个适合自己的仿真工具是应用仿真的前提。
SkyEye中文全称天目全数字实时仿真软件是仿真嵌入式目标系统的虚拟平台能够完全仿真目标系统中的CPUCentral Processing Unit中央处理器、寄存器、内存、外设接口如图所示 ▲SkyEye功能图
在SkyEye上运行嵌入式软件可以获得在真实目标系统上进行运行的相同效果。SkyEye还支持多个功能如支持检查点分析通过插入检查点能够保存软件运行状态支持运行状态的回放分析便于软件问题的定位支持访问目标系统状态测试人员很难对真实物理硬件的寄存器、状态寄存器进行跟踪和控制但通过SkyEye进行仿真目标系统的内部状态清晰可见对排查问题十分有帮助。 案例分析SkyEye in 数字孪生卫星
本案例展示了如何应用SkyEye搭建卫星数字样机。首先通过系统级的架构分析与子系统拆分建立不同模块对应的仿真模型由SkyEye对嵌入式处理器及外设进行仿真。随后通过仿真软总线将各类分布式模型联合起来即可完成数字卫星的搭建。将在真实卫星中运行产生的孪生数据放在“数字卫星”中进行超实时仿真并通过可视化应用服务表现出来用户可根据仿真结果分析预测真实卫星的未来走向进行下一步决策并优化物理实体。 [1]《关于数字孪生与仿真技术关系的几点思考》http://www.uml.org.cn/modeler/202105314.asp?artid24022
[2]《航空机载软件全数字仿真测试系统的设计与实现》刘超卢希冯飞王月波
