基于異構信號處理平臺的自動代碼生成工具

杜　虹，彭　華，馬金全，岳春生

（信息工程大學 信息系統(tǒng)工程學院，河南 鄭州 450001）

基于異構信號處理平臺的自動代碼生成工具

杜虹，彭華，馬金全，岳春生

（信息工程大學 信息系統(tǒng)工程學院，河南 鄭州 450001）

針對新型異構通信信號處理平臺系統(tǒng)復雜、開發(fā)難度大、開發(fā)周期長、應用復雜等問題，提出了一種新型綜合性的代碼自動生成工具。通過實現(xiàn)通信信號處理平臺中框架配置文件、要素宏定義文件、硬件驅動源代碼框架、軟件組件源程序框架、裝配粘合代碼的自動生成等功能，不僅可滿足平臺在實時性、分布式、可靠性等方面要求，而且可保證平臺中軟硬件編程的一致性，縮短了開發(fā)周期，大大減少需要手工編寫開發(fā)和測試代碼的工作量。

代碼自動生成；異構平臺；Python；雙引擎

0　引言

隨著通信信號處理技術不斷發(fā)展，面臨著無線通信體制更新?lián)Q代速度快、軟硬件升級頻繁、研制成本高、開發(fā)周期長等問題[1]。為應對多體制通信處理的快速更新，基于軟件化定義的異構通信處理平臺成為了近年來的研究熱點[2]。

雖然異構通信處理平臺性能良好、適用性廣，但是由于其涉及軟硬件類型繁多，導致了開發(fā)過程復雜、開發(fā)周期長、分工合作銜接困難等問題[3]。在龐大復雜的平臺系統(tǒng)中，一點改動就可能牽一發(fā)而動全身，導致程序的不一致性。為了降低軟件開發(fā)強度，縮短開發(fā)周期，減少代碼的重復書寫，一直以來軟件開發(fā)者都致力于代碼自動生成方面的研究。作為復用技術的核心和基礎，代碼自動生成是提高軟件開發(fā)效率的有效手段[4]。自動代碼生成器不僅減小了開發(fā)人員的工作量，同時提高了工程的一致性，更易于分工與維護。

針對異構通信信號處理平臺在實時性、分布式、可靠性等方面的要求，自動代碼生成器需應對異構平臺中的實時處理，以及編程一致的系統(tǒng)可靠性[5]。為了提高軟件開發(fā)綜合效率，實現(xiàn)組件的快速開發(fā)，縮短新算法從理論到應用的開發(fā)周期，本文提出了一種新型的代碼自動生成器工具。該生成工具包括框架配置文件向導、描述要素宏定義文件實時更新、硬件驅動源代碼框架生成、軟件組件源程序框架生成、軟件包組裝以及裝配粘合代碼的自動生成等。實測分析表明，該生成工具對于異構通信平臺軟件快速開發(fā)、硬件迅速映射、用戶便捷應用等方面有顯著突破，是異構通信信號處理平臺實現(xiàn)其實時性、分布式、可靠性的重要工具。

1　自動代碼生成技術

目前，自動代碼生成技術應用十分廣泛，在UML建模[6]、模型驅動框架（MDA）[7]、數(shù)據(jù)庫表創(chuàng)建[8]等方面都有所突破。但是在異構通信處理平臺上的代碼自動生成技術仍不完善，只在異構多核處理器方面有少量研究[9]。

基于異構通信信號處理平臺的代碼自動生成關鍵在于建模抽象技術[10]、復用技術[11]、Python引擎技術[12]。代碼主要分為 3種類型[13]：第一種是框架代碼中的固定部分，無需做任何修改；第二種代碼指大部分不用修改，只對有相應的輸入來源和邏輯規(guī)律的代碼進行修改；第三種是沒有任何規(guī)律可循的特殊代碼，這類代碼須由專業(yè)人員填寫，無法自動生成。第一種代碼可直接使用，第三種代碼留白待用，第二種代碼即需要實現(xiàn)自動生成的主要代碼。

代碼自動生成主要由元數(shù)據(jù)、代碼模板、數(shù)據(jù)模型和代碼生成引擎組成，其流程如圖1所示。

圖1　代碼自動生成框架

(1)元數(shù)據(jù)：元數(shù)據(jù)是對異構通信處理平臺資源的一種描述，通過建模實現(xiàn)，是數(shù)據(jù)信息傳遞的基礎。

(2)代碼模板：代碼模板是用戶想要生成的源代碼模型，它表示源代碼中的共性部分，即無需修改的部分。

(3)數(shù)據(jù)模型：數(shù)據(jù)模型是代碼自動生成框架的基礎模型，具有高度的抽象性。它表示了源代碼中的個性部分，即需根據(jù)規(guī)律自動生成的部分。

(4)源代碼：源代碼是代碼自動生成的成果，即通過自動生成形成的可加入工程直接使用的完整代碼。

2　異構平臺的軟件體系架構

異構通信處理平臺包括對ATCA、VPX、CPCI、專用PC等已有硬件處理平臺的兼容，可以統(tǒng)一地開發(fā)運行環(huán)境實現(xiàn)軟硬件的無縫交互，實現(xiàn)多功能應用組件的高度共享。其軟件體系架構分為硬件層、板級支持包層、操作系統(tǒng)與驅動層、硬件抽象層、核心服務層和應用層。

一般地，為了實現(xiàn)異構通信信號處理平臺中多處理器和軟件組件的升級繼承與資源共享，其自動代碼生成器需滿足平臺框架需求，具體層級分布如圖2所示。通信處理平臺的自動代碼生成器提高了軟件開發(fā)的綜合效率，實現(xiàn)硬件驅動和軟件組件的快速開發(fā)，縮短了新算法應用的實際周期，為通信領域的快速發(fā)展提供了良好的平臺。

圖2　代碼自動生成工具

3　自動代碼生成器實現(xiàn)

3.1操作系統(tǒng)與驅動層代碼生成

在操作系統(tǒng)與驅動層，異構通信處理平臺的自動代碼生成工具主要涉及硬件設備驅動的自動代碼生成。處理器包括作為設備的處理器和平臺中的處理器。每個硬件設備驅動都要實現(xiàn)如表1所示的功能。

表1　硬件驅動功能模板表

驅動接口名稱由功能名稱和數(shù)據(jù)庫存儲的板卡類型號、處理器類型碼和處理器號組成。板卡類型號表明處理器所在板卡信息，確定處理器歸屬。處理器類型碼表明了處理器的類型、處理方式和編程模式。處理器號是對某板卡上具體處理器的確定。由以上三方面的信息共同確定系統(tǒng)中唯一一個處理器，由此定義驅動函數(shù)。

根據(jù)組合形成的函數(shù)名，通過函數(shù)模板實現(xiàn)驅動接口的定義、注冊和函數(shù)框架生成。首先根據(jù)函數(shù)名形成相應的驅動接口定義文件，驅動接口注冊文件和驅動接口函數(shù)文件。根據(jù)函數(shù)定義、注冊、函數(shù)框架的函數(shù)模板，自動完成不同文件的驅動定義和注冊。

3.2核心服務層代碼生成

3.2.1配置文件向導

在核心服務層，異構通信處理平臺的自動代碼生成工具主要涉及配置文件向導和描述要素宏定義。配置文件向導主要是針對平臺配置時的可視化向導，主要方面如表2所示。用戶可根據(jù)可視化向導對平臺進行配置，由具體模板模式以及用戶對平臺的配置信息，形成系統(tǒng)可識別的配置文件。

表2　配置文件向導模板變量

3.2.2描述要素宏定義

描述要素是對平臺系統(tǒng)的整體描述，包括軟硬件物理元件、連接關系和功能描述。根據(jù)對異構通信處理平臺建模，元數(shù)據(jù)結合特定編碼形成宏定義，模板變量如表3所示。自動生成要素宏定義保證了系統(tǒng)擴展升級時的一致性，是實現(xiàn)平臺高可靠性和可擴展性的保證。

表3　描述要素宏定義模板

3.3應用層代碼生成

3.3.1軟件組件函數(shù)框架

軟件組件源代碼主要包括對應用功能組件的定義和實現(xiàn)。軟件組件的函數(shù)如表4所示。組件函數(shù)名由組件名稱和功能名稱組成，創(chuàng)建對唯一組件的初始化、數(shù)據(jù)處理和參數(shù)配置等。根據(jù)組件名，在數(shù)據(jù)庫中查找組件對應的參數(shù)名和參數(shù)類型，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)結構定義提供數(shù)據(jù)。根據(jù)組件名稱，由組件名作為定義文件和函數(shù)文件的名稱創(chuàng)建組件應用文件。

表4　軟件組件功能模板表

3.3.2軟件裝配腳本

軟件裝配的腳本生成是通信處理平臺的中心環(huán)節(jié)。根據(jù)通信處理流程形成的腳本文件，記錄了組件功能和連接方式，是軟件化處理的核心。Python腳本可直接解釋執(zhí)行，省去了編譯時間；并且可與多種語言保持良好的兼容性和互操作性[14]。用Python做腳本文件可無縫調(diào)用C模塊程序，既運用了C的快速計算功能，也兼具了Python簡單的流模式記錄特性，是軟件裝配腳本的良好選擇。文本文件對操作系統(tǒng)的適應性更強，增加了系統(tǒng)可移植性，但是需要設計文本格式和解析引擎。

為保證系統(tǒng)實時性和可擴展性，軟件裝配的腳本采用雙解析引擎，以txt文本和python文件共同作為裝配腳本，如圖3所示。兩種腳本可視化應用對用戶沒有區(qū)別，可根據(jù)自己熟悉的編程模式選擇腳本類型。在應用運行時，雙引擎解析自動識別應用描述腳本，執(zhí)行應用。

圖3　雙引擎機制

4　實測分析

為驗證本文提出的自動代碼生成器的有效性，將以一個QPSK調(diào)制解調(diào)信號處理流程為例，在實際系統(tǒng)上進行測試。

4.1實驗系統(tǒng)體系組成

本次實驗系統(tǒng)的硬件平臺以PC作為域管理器，ATCA和VPX作為處理平臺。ATCA平臺包括兩塊板卡，板卡上有DSP和FPGA。VPX包括一塊板卡，板卡上有FPGA。其中，DSP類型為 TMS320C6678，F(xiàn)PGA類型為XC5VLX50T，硬件平臺拓撲如圖4所示。

圖4　硬件平臺拓撲

以QPSK調(diào)制解調(diào)信號處理流程為例。Txdemo組件的功能是產(chǎn)生1 024長度的二進制信號，并通過輸出端口發(fā)送出去，Rxdemo組件的功能是接收信號，并且將信號保存到指定文件中，方便用戶查看。首先由Txdemo信源發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)QPSK調(diào)制模塊調(diào)制，通過AWGN信道后，再由 QPSK解調(diào)模塊解調(diào)，最后將解調(diào)后的數(shù)據(jù)保存在Rxdemo中。其中，Txdemo組件和Rxdemo組件部署在PC上，QPSK調(diào)制模塊和QPSK解調(diào)模塊部分別部署在ATCA的兩塊處理板上，AWGN信道部署在VPX的處理板上，具體部署如圖5。

圖5　QPSK調(diào)制解調(diào)波形

4.2實驗結果及分析

QPSK調(diào)制解調(diào)波形結果如圖6所示。結果與實驗預期結果相符，印證了框架的可行性，即自動代碼生成的編程一致性和可靠性。應用模塊分布在不同的處理器上，滿足代碼自動生成的異構平臺分布性。在系統(tǒng)運行過程中，除了模塊功能代碼之外，均由代碼自動生成實現(xiàn)。各模塊的運行時間如表5所示。經(jīng)計算，框架代碼生成時間開銷占應用總開銷的2%，滿足實時性要求。綜合驗證結果，基于異構通信處理平臺的自動代碼生成技術滿足了系統(tǒng)對實時性、分布式、可靠性等方面的要求，證明了自動代碼生成的有效性。

圖6　QPSK解調(diào)結果

5　結論

本文基于異構通信處理平臺框架，根據(jù)其對實時性、分布式、可靠性等方面的要求，實現(xiàn)了該框架的自動代碼生成。實現(xiàn)了框架配置文件、要素宏定義文件、硬件驅動源代碼框架、軟件組件源程序框架以及裝配粘合代碼的自動生成，加強了平臺中軟硬件編程的一致性、縮短了開發(fā)周期，大大減少需要手工編寫開發(fā)和測試代碼的工作量，提高了軟件開發(fā)的效率。

表5　全流程及各模塊時間

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Automatic code generation framework for heterogeneous processing platform

Du Hong，Peng Hua，Ma Jinquan，Yue Chunsheng
(College of Information System Engineering，Information Engineering University，Zhengzhou 450001，China)

To solve the Heterogeneous platform development difficulties on period and complexity,a new automatic code generation is put forward.This auto-code-generation comprises of framework configuration,element macro definition,hardware drive,component software and component assembly.Experimental results show that the auto-code-generation meets the demands of real-time,distributed processing and reliability,can ensure the consistence with the actual engineering and reduce workload on manual programming.

automatic code generation；heterogeneous platform；Python；twin-engine

TN92；TP311.5

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.031

（2016-02-02）

杜虹（1989-），通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：軟件無線電，E-mail：duhong811@163.com。

彭華（1970-），男，博士，教授，主要研究方向：信號處理。

馬金全（1980-），男，博士，副教授，主要研究方向：軟件無線電。

中文引用格式：杜虹，彭華，馬金全，等.基于異構信號處理平臺的自動代碼生成工具[J].電子技術應用，2016，42 (9)：118-121.

英文引用格式：Du Hong，Peng Hua，Ma Jinquan，et al.Automatic code generation framework for heterogeneous processing platform[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：118-121.