使用Matlab+Simulink开发Cortex-M嵌入式处理器应用程序

使用Matlab+Simulink开发Cortex-M系列嵌入式处理器应用程序

Mars4zhu

目 录

1 总述 1

2 ARM Cortex-M处理器的Ecoder支持包学习 1

2.1 ARM Cortex-M处理器的Ecoder支持包范例学习 1

2.1.1 arm_cortex_m_gettingstarted范例学习 1

2.1.2 arm_cortex_m_pil_block范例学习 3

2.1.3 arm_cortex_m_model_pil_block范例学习 4

2.1.4 arm_cortex_m_top_model_pil范例学习 4

2.2 ECoder的ARM Cortex-M处理器Simulink模型库 5

2.2.1 TODO: Hardware Interrupt的模型模块的使用。 5

2.3 开发一个目标处理器/目标开发板 5

3 ARM Cortex-M处理器的DSP System Toolbox支持包学习 6

3.1 TODO 6

4 版本历史（Revision History） 7

插图索引

图 11 安装好的Matlab的嵌入式处理器支持包 1

图 21   arm_cortex_m_gettingstarted范例的模型、设置、编译和运行 2

图 22   arm_cortex_m_pil_block范例模型的PIL子系统编译与复制 3

图 23   arm_cortex_m_pil_block范例模型编译与运行 3

图 24   arm_cortex_m_model_pil_block范例模型编译与运行 4

图 25  arm_cortex_m_top_model_pil范例模型编译与运行 5

图 26  arm_cortex_m_top_model_pil范例运行后生成的wrapper封装和代码覆盖运行结果 5

图 27   ecoder for arm_cortex_m 的Simulink模型库 5

表格索引

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1 总述

Matlab为嵌入式处理器应用程序的开发提供了强大的功能，包括Embedded Coder 代码生成 、Simulink模型转换，Processor-In-the-Loop(PIL)处理器闭环开发等。同时提供了硬件支持包Embedded Coder Support Package for ARM Cortex-M Processors以及DSP System Toolbox Support Package for ARM Cortex-M Processors，并根据流行的开发板提供了对STM32-Discovery、FRDM-K64F以及QEMU模拟器等的硬件支持包。

图 11 安装好的Matlab的嵌入式处理器支持包

本文主要通过Matlab相应的支持包提供的范例，学习基于Matlab+Simulink开发Cortex-M系列嵌入式处理器的应用程序的开发流程，记录学习笔记

2 ARM Cortex-M处理器的Ecoder支持包学习

Embedded Coder Support Package   for ARM Cortex-M Processors提供了多个范例来演示学习如何使用Matlab+Simulink来开发ARM Cortex-M嵌入式处理器的应用程序。

2.1 ARM Cortex-M处理器的Ecoder支持包范例学习

2.1.1 arm_cortex_m_gettingstarted范例学习

该范例建立一个最简单的Simulink模型，然后完成针对ARM Cortex-M处理器开发的设置，生成代码，最后运行在QEMU模拟器中。

使用Simulink打开arm_cortex_m_gettingstarted范例，设置后编译并运行。

图 21  arm_cortex_m_gettingstarted范例的模型、设置、编译和运行

模型生成的代码如下：

/* Model step function */

void   arm_cortex_m_gettingstarted_step(void)

{

/* Outport: '<Root>/Out1' incorporates:

  *  Constant: '<Root>/Constant'

  *  Gain: '<Root>/Gain'

  */

 arm_cortex_m_gettingstarted_Y.Out1 = arm_cortex_m_gettingstarted_P.Gain_Gain *

   arm_cortex_m_gettingstarted_P.Constant_Value;

}

/* Model initialize function */

void arm_cortex_m_gettingstarted_initialize(void)

{

/* Registration code */

/* initialize error status */

 rtmSetErrorStatus(arm_cortex_m_gettingstarted_M, (NULL));

/* external outputs */

 arm_cortex_m_gettingstarted_Y.Out1 = 0.0;

}

/* Model terminate function */

void arm_cortex_m_gettingstarted_terminate(void)

{

/* (no terminate code required) */

}

停止使用QEMU仿真运行Matlab模型命令为：codertarget.arm_cortex_m.stopQemu

2.1.2 arm_cortex_m_pil_block范例学习

arm_cortex_m_pil_block范例模型演示了如何使用PIL，即通过PC软件仿真和硬件处理器仿真进行两者的闭环控制，可以直接对比PC仿真与硬件处理器仿真的差别。

该范例首先需要编译PIL子系统，并将编译后的生成的PIL模块复制到原模型中然后进行PIL仿真。

图 22  arm_cortex_m_pil_block范例模型的PIL子系统编译与复制

图 23  arm_cortex_m_pil_block范例模型编译与运行

从图中可以看出PC仿真和PIL仿真的数值误差为0，说明了PIL仿真的正确性。

2.1.3 arm_cortex_m_model_pil_block范例学习

arm_cortex_m_model_pil_block范例使用单个模块的子系统设置为PIL方式并分别运行仿真的方式，无需额外生成PIL模块并复制。

图 24  arm_cortex_m_model_pil_block范例模型编译与运行

2.1.4 arm_cortex_m_top_model_pil范例学习

arm_cortex_m_top_model_pil范例演示了在顶层模型中设置PIL仿真模式的方式。该仿真方式将整个模型生成一个wrapper封装并编译运行。

图 25 arm_cortex_m_top_model_pil范例模型编译与运行

图 26 arm_cortex_m_top_model_pil范例运行后生成的wrapper封装和代码覆盖运行结果

2.2 ECoder的ARM Cortex-M处理器Simulink模型库

在Simulink的 模型库 中，选中EmBedded Coder Support Package for ARM Cortex-M Processors可以查看ecoder的ARM Cortex-M处理器模型库，包含一个即Hardware Interrupt的模型模块，在Simulink中插入该模块，则可以实现ARM Cortex-M处理器的各种中断中执行后续的代码。

其设置界面如下：

图 27  ecoder for arm_cortex_m 的Simulink模型库

2.2.1 TODO: Hardware Interrupt的模型模块的使用。

2.3 开发一个目标处理器/目标开发板

TODO:

3 ARM Cortex-M处理器的DSP System Toolbox支持包学习

DSP System   Toolbox Support Package for ARM Cortex-M Processors主要是采用CMSIS里面的DSPLib中的DSP函数对Matlab默认生成的DSP函数进行替换，可以充分利用ARM Cortex-M处理器内建的DSP硬件对运算进行加速，挺高效率和性能。

3.1 范例学习

3.1.1 ex_fircmsis_tut范例学习

ex_fircmsis_tut范例采用FIR滤波器对生成的数据和人为叠加的噪声信号进行滤波，通过演示对比FIR滤波器在PC上和在 ARM   Cortex-M处理器上的执行结果对比，显示了通过调用ARM Cortex-M的DSPLib库函数进行运算的结果。

该范例首先在设置中实现Code Replacement Library中采用ARM Cortex-M （CMSISI）来进行函数替换，然后生成对应的代码。

图 26 ex_fircmsis_tut范例代码替换库设置与代码替换生成报告

最后采用跟arm_cortex_m_pil_block范例相同的方式进行PC与PIL联合仿真对比，结果如下。

其中设置的时候应该取消Generate Code Only选项，并且设置Create PIL Block。

图 26 ex_fircmsis_tut范例编译和运行结果

3.1.2 ex_fircmsis_tut_q15范例学习

在Gain模块中将输出修改为fixdt(1, 16, 15)类型，即ARM-CMSIS-DSP中的q15类型，这样对应生成的函数则是相应的q15类型的函数。

图 26 ex_fircmsis_tut_q15范例Gain模块设置和代码生成函数替代结果

运行结果相同，不再赘述。

3.1.3 ex_fircmsis_tut_mlfun范例学习

ex_fircmsis_tut_mlfun范例为使用代码替换库将Matlab语句中的dsp.FIRFilter系统对象替换为CMSIS中对应的DSPLib库函数。

与前节不同的是，该范例中的FIR滤波器是一个调用Matlab函数的模块，该函数为：

function y = firfun(u)

%#codegen

persistent firfilter;

if isempty(firfilter)

       firfilter = dsp.FIRFilter('Numerator', fir1(63,1/3));

end

   y = step(firfilter, u);

end

后续设置和编译运行及结果与前节相同。

图 26 ex_fircmsis_tut_mlfun范例代码生成和编译运行结果

3.1.4 ex_fircmsis_tut_ml范例学习

Ex_fircmsis_tut_ml范例采用将Matlab函数代码转化为包含调用CMSIS-DSPLib库函数的C代码。

function y1 = ex_fircmsis_tut_ml(u1)

% Copyright 2013-2016 The MathWorks, Inc.

%#codegen

persistent firfilter;

if isempty(firfilter)

       firfilter = dsp.FIRFilter('Numerator', fir1(63, 0.33));

end

   y1 = firfilter(u1);

end

通过创建一个coder的配置，完成coder设置后，调用codegen生成代码并编译成lib库文件。

  cfgEx = coder.config('lib');

  cfgEx.CodeReplacementLibrary = 'ARM Cortex-M';

  cfgEx.HardwareImplementation.ProdHWDeviceType = 'ARM Compatible->ARM Cortex';

  cfgEx.GenCodeOnly = true;

  tempdirObj = dstarmexample.dstTempdir('ex_fircmsis_tut_ml_workflow');

  dstarmsrc = which('ex_fircmsis_tut_ml');

  dstarmtmpdir = tempdirObj.tempDir;

  type(fullfile(dstarmsrc))

  copyfile(dstarmsrc, dstarmtmpdir, 'f');

图 26 ex_fircmsis_tut_生成的C代码及其CMSIS函数替代结果

3.1.5 TODO:生成的代码形成的lib库与外部应用层app的调用集成

4 版本历史（Revision History）