Tilepro64多核處理器的軟件無線電平臺構(gòu)建

王晟宇，黃芝平

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，長沙410000）

引 言

無線通信是通信領(lǐng)域中最為活躍的部分，在各個方面都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，通信技術(shù)在給我們生活帶來便利的同時也帶來了很多困擾，我們需要面對的通信系統(tǒng)也越來越多。如果一種無線技術(shù)能配置一種無線設(shè)備應(yīng)用于多種通信方式，比如可以用于蜂窩網(wǎng)的手機、衛(wèi)星接收機，也可用于簡單的收音機、對講機，甚至是遙控器，這樣使得一種無線設(shè)備可以面對多種通信需要的技術(shù)前景是非常誘人的。軟件無線電正是針對這樣一種需求而提出的。對于多種調(diào)制模式的無線信號，經(jīng)射頻接收和數(shù)字化之后都可以僅通過配置軟件來完成信號的解調(diào)、解碼等處理，這也符合軟件定義無線電的要求。

1 軟件無線電平臺簡介

軟件無線電平臺是指將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的硬件單元以總線或交換方式連接起來構(gòu)成通用平臺，通過在這種平臺上加載模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的軟件，實現(xiàn)各種無線通信功能的一種開放體系結(jié)構(gòu)及技術(shù)。它擺脫了面向用途而完全依賴硬件的傳統(tǒng)無線電設(shè)計思路，通過一種模塊化的通用硬件平臺，把系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)從長期依賴于固定電路的方式中解放出來，利用軟件可編程、易修改和成本低的優(yōu)勢，把無線通信技術(shù)水平提升到一個新的高度。

通常的軟件無線電系統(tǒng)如圖1所示，射頻信號經(jīng)模擬前端耦合、放大、下變頻等操作，然后在中頻對信號進行數(shù)字化處理，解調(diào)、解碼等操作在數(shù)字信號處理器中進行。本設(shè)計中僅進行中頻信號的接收及其以后的工作。

圖1 軟件無線電接收平臺系統(tǒng)框圖

2 Tilepro64多核處理器簡介

Tilepro64處理器是一款完全可編程的高性能多核處理器，它內(nèi)部集成了64顆高性能的處理器內(nèi)核，采用高效的iMesh總線連接內(nèi)核、內(nèi)存與I／O接口。該處理器能夠采用標(biāo)準(zhǔn)C或C＋＋語言編程。

Tilepro64有64個內(nèi)核組成二維處理器陣列，每個內(nèi)核都可單獨運行，也可與其他內(nèi)核組成并行處理陣列。64個處理器內(nèi)核組成8×8的二維結(jié)構(gòu)，內(nèi)核之間通過二維的iMesh網(wǎng)絡(luò)進行連接。

在進行應(yīng)用設(shè)計時，內(nèi)核的映射位置和數(shù)量需要根據(jù)需求來確定（如進行復(fù)雜數(shù)字視頻流處理和高強度網(wǎng)絡(luò)流處理時）。Tilepro64處理器在設(shè)計時就考慮到了單核處理能力、核心數(shù)量以及總體功耗之間的平衡，因此它能夠達到很高的單位功耗處理能力，即使在大規(guī)模復(fù)雜設(shè)計時也能夠應(yīng)對自如。

3 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計

軟件無線電系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示，中頻信號經(jīng)耦合、濾波、放大、模／數(shù)轉(zhuǎn)換，進入FPGA。FPGA作為數(shù)字前端對信號進行數(shù)字濾波和數(shù)字下變頻的處理。數(shù)字濾波有中值濾波法、算數(shù)平均值法、加權(quán)濾波法等。實現(xiàn)下變頻的功能框圖如圖3所示。完整的信號流程示意圖如圖4所示。

圖2 軟件無線電平臺硬件架構(gòu)框圖

圖3 FPGA實現(xiàn)數(shù)字下變頻

下變頻以后基帶信號通過XAUI高速接口交由Tilepro64多核處理器處理。處理完畢后通過另外一個XAUI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到外部設(shè)備或者上位機。XAUI接口是一種引數(shù)器、自發(fā)時鐘串行總線，可達到10Gbps的有效數(shù)據(jù)速率，能滿足軟件無線電平臺中模擬信號數(shù)字傳輸?shù)膶崟r性要求。

4 Tilepro64多核處理器部分的軟硬件設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計以及引導(dǎo)模式

Tilepro64處理器運行在125MHz的參考時鐘下，核心頻率可達700MHz，需要1.0V、1.8V、2.5V、3.3V等多種電壓來維持各個模塊的正常工作。內(nèi)存模塊支持高達800 MHz數(shù)據(jù)速率的DDRII內(nèi)存。本設(shè)計采用兩塊DDRII SODIMM內(nèi)存條，共2GB容量。

多核處理器擁有多種引導(dǎo)模式，通過PCIe接口由計算機引導(dǎo)是最基本的一種，系統(tǒng)初步調(diào)試需要用PCIe進行，所以板卡上需要設(shè)計PCIe接口。另一種引導(dǎo)方式是基于SPI－ROM的，經(jīng)過配置，系統(tǒng)上電后可以直接從SPI－ROM中獲取引導(dǎo)的二進制信息和上層的應(yīng)用程序，具體軟件配置如圖5所示。Tilepro64具有兩個XAUI接口，一個用來與FPGA交互，另一個用來與外界交互。RGMII口既可以用來加載應(yīng)用程序，也可以用來與外界通信。

圖4 信號流程示意圖

圖5 Tilepro64軟件配置流程

4.2 應(yīng)用程序設(shè)計

應(yīng)用程序方面，由于是無線信號未經(jīng)解調(diào)直接數(shù)字化，模擬信號進行數(shù)字傳輸，在數(shù)字信號處理器中需要加入解調(diào)模塊。數(shù)字域解調(diào)靈活性比較大，只要完成判定，就可以采取多種判定模式。由于ADC輸出數(shù)據(jù)量較大，多核處理器采用多個核心以時分方式分別處理不同時序的數(shù)據(jù)（如圖6所示），每個核稱為一個Tile，再用一個獨立的核負責(zé)將多路數(shù)據(jù)按照時序重新組合。

內(nèi)存在這個過程中發(fā)揮非常重要的緩沖作用，XAUI的速度很快，必須先將數(shù)據(jù)放入內(nèi)存，才方便讀取。如果處理進行之中內(nèi)存的數(shù)據(jù)溢出，便會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的覆蓋或者丟失而無法完整地處理數(shù)據(jù)，所以內(nèi)存必須足夠大。另外，每個核都可以與內(nèi)存互相通信，并且都具有本地L1緩存和共用的L2緩存4MB，可以用來存儲小部分將要處理的數(shù)據(jù)。存儲空間的安排與運用、內(nèi)存與緩存的交互是程序?qū)崿F(xiàn)良好實時性的關(guān)鍵。

圖6 用多核處理器完成無線信號的解調(diào)、解碼處理

Tilepro64的64個處理器內(nèi)核組成8×8的二維結(jié)構(gòu)，通過不同的裁剪，多核處理器可以同時運行多個應(yīng)用程序。在程序設(shè)計時，雖然每個核都可以與內(nèi)存通信，但是根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)，遠近不同的核與讀寫內(nèi)存耗費的時鐘周期不同。數(shù)據(jù)若流經(jīng)多個核，也會增加相應(yīng)的時序延遲。所以，并行處理時要采用合適的陣列結(jié)構(gòu)，以保證時序不會因為路徑長短不同而過度打亂，以利于接下來按時序重新組合。另外，外圍的某些核專門用于操控一些接口，比如XAUI和RGMII，當(dāng)用到這些接口時這些核負責(zé)操控接口的輸入／輸出，不能同時進行其他處理，所以在配置陣列時應(yīng)該避開。

經(jīng)解調(diào)后的數(shù)字基帶信號，還需要進行解碼的操作。之后便可將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機或者外部存儲。由于是軟件控制，根據(jù)不同需要，Tilepro64之中可以加入更多的處理模塊。

結(jié) 語

多核處理器是一種新型的處理器，其并行處理能力在處理無線數(shù)字信號時可以得到充分的發(fā)揮，這是其他數(shù)字信號處理器所不具有的特性。基于多核處理器的軟件無線電平臺可以完整地完成無線信號接收、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、解調(diào)、解碼的工作。利用其并行處理的性能，完成無線信號的處理，并用高速接口XAUI將數(shù)據(jù)送到上位機存儲。

應(yīng)用程序方面，通過并行化的處理模式，利用多個核來同步解調(diào)數(shù)字化的模擬信號，保證了無線信號處理的較高實時性。

軟件無線電要求可以方便地重新配置應(yīng)用程序來完成對不同格式信號的處理，本設(shè)計中通過RGMII用RJ45接口可以直接配置應(yīng)用程序，從而重新配置過程通過網(wǎng)口進行，非常方便。未來還可以在Tilepro64的程序中加入判別功能，完成識別調(diào)制模式的功能，并針對性地解調(diào)。

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