基于華睿1號(hào)平臺(tái)的某雷達(dá)信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文結(jié)合軟件架構(gòu)和構(gòu)件化設(shè)計(jì)思路，研究并應(yīng)用了基于華睿1號(hào)信號(hào)處理模塊的某雷達(dá)信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)方法。該方法不僅具有很好的可復(fù)用性、可移植性，而且使系統(tǒng)具有較高的處理速度，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。此外， 系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的管理層，具備了開機(jī)自檢、軟件監(jiān)測(cè)、任務(wù)緩沖等機(jī)制，給系統(tǒng)提供了很好的穩(wěn)定性能。

【關(guān)鍵詞】華睿1號(hào)平臺(tái) 信號(hào)處理 軟件架構(gòu) 軟件構(gòu)件

1 引言

近年來，對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)處理的要求越來越高。所用系統(tǒng)要求具有處理大量數(shù)據(jù)的能力， 這就要求系統(tǒng)硬件達(dá)到很高的運(yùn)算速度，并且軟件處理程序也盡可能優(yōu)化，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本文將介紹一種基于華睿1號(hào)信號(hào)處理平臺(tái)下的軟件框架與構(gòu)件設(shè)計(jì)方法。該方法具有很高的處理效率和穩(wěn)定性，在不同平臺(tái)之間具備可移植性。

2 華睿1號(hào)硬件模塊

華睿1號(hào)CPU是我國(guó)自主研制的一款4核微處理器，在處理能力和能耗方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)時(shí)十分穩(wěn)定。華睿1號(hào)信號(hào)處理模塊由四片華睿1號(hào)四核DSP、兩片Xilinx XC5VLX330T、RapidIO交換芯片和網(wǎng)絡(luò)交換芯片組成。四片華睿1號(hào)為模塊的處理核心，如下圖所示，每片CPU有兩個(gè)DDR通道，每通道DDR容量1GB，每片CPU的DDR容量為2GB。兩片F(xiàn)PGA為對(duì)稱設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA1實(shí)現(xiàn)和CPU_C的高速數(shù)據(jù)通道以及模塊的控制管理，F(xiàn)PGA2實(shí)現(xiàn)CPU_B和CPU_D的高速數(shù)據(jù)通道，F(xiàn)PGA1和FPGA2分別配置為主并模式，各自外掛一片加載flash。FPGA1外接容量為256MB的flash，支持32位文件系統(tǒng)。

3 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件架構(gòu)是軟件開發(fā)早期設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)物，是關(guān)于系統(tǒng)的抽象描述。軟件架構(gòu)的正確設(shè)計(jì)和選擇，為以后的開發(fā)、集成、測(cè)試、維護(hù)各個(gè)階段的成功提供了保證?；诩軜?gòu)的軟件系統(tǒng)是指由組件裝配、組合而成的軟件系統(tǒng)，它主要由組件和連接件組成。軟件架構(gòu)和組件技術(shù)的應(yīng)用越發(fā)廣泛，源于它所帶來的產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、可復(fù)用性和可擴(kuò)展性等優(yōu)勢(shì)。在硬件平臺(tái)種類繁多，產(chǎn)品功能各不相同的雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域，研究設(shè)計(jì)一個(gè)相應(yīng)的軟件架構(gòu)和組件庫，是很有意義的。作為存放組件的容器，組件庫設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到整個(gè)平臺(tái)的穩(wěn)定性和效率。

3.1 軟件架構(gòu)概念

軟件架構(gòu)（Software Architecture，簡(jiǎn)稱SA）是在1969 年的NATO 軟件工程會(huì)議上首次提出的，直到1995 年SA 才被確立為軟件工程一個(gè)研究方向。雖然好的架構(gòu)不一定能保證可以獲得高可靠性的軟件產(chǎn)品，但建立在不良架構(gòu)基礎(chǔ)上的軟件不可能獲得較高的可靠性。軟件架構(gòu)就是系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)，它包括軟件組件、這些組件的外部可見屬性以及組件之間的相互關(guān)系。軟件架構(gòu)是由組件、連接件和配置組成；組件是架構(gòu)中的功能單元；連接件是功能單元之間進(jìn)行交互的通道；配置用來說明組件和連接件是如何結(jié)合在一起的，是對(duì)組件和連接件的約束；通過配置可以確定組件是否正確連接、接口是否匹配、連接件構(gòu)成的通信是否正確等。組件（構(gòu)件）、連接件和配置是軟件架構(gòu)最基本的構(gòu)造元素。

3.2 通用軟件框架功能

通用框架是產(chǎn)品軟件的骨架，實(shí)現(xiàn)軟硬件管理接口服務(wù)，包括硬件的配置和通信，軟件的任務(wù)和構(gòu)件管理，CPU節(jié)點(diǎn)級(jí)動(dòng)態(tài)重組管理，構(gòu)件調(diào)試管理，狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理等，支持用戶開發(fā)、調(diào)試獨(dú)立于硬件的計(jì)算構(gòu)件。

軟件框架分為2層，配置層、管理層，配置層同中間件交互，管理層同構(gòu)件層交互。配置層實(shí)現(xiàn)與中間件的交互，主要功能有：任務(wù)配置、網(wǎng)絡(luò)配置、信號(hào)量配置、RIO初始化配置、中斷配置、存貯空間配置。管理層通過某種管理機(jī)制實(shí)現(xiàn)任務(wù)的管理，函數(shù)的管理，主要功能有部署控制、任務(wù)控制、任務(wù)緩沖、函數(shù)控制、軟件檢測(cè)、軟件調(diào)試等機(jī)制。

傳統(tǒng)框架將底層配置散落在上電程序和不同的任務(wù)函數(shù)中，無參數(shù)控制，不同產(chǎn)品應(yīng)用，需要進(jìn)行產(chǎn)品代碼的新增和修改，無法做到代碼的高度復(fù)用，增加重復(fù)編碼和測(cè)試工作。通用框架通過讀取配置文件（配置文件可視化界面生成）實(shí)現(xiàn)配置參數(shù)的獲取，最終完成對(duì)底層的配置，因此框架的底層配置做到了產(chǎn)品無關(guān)，不同應(yīng)用產(chǎn)品只需要根據(jù)可視化的配置界面進(jìn)行參數(shù)修改即可自動(dòng)生成配置文件，達(dá)到不同產(chǎn)品的應(yīng)用。

3.3 具體設(shè)計(jì)

配置層放置若干底層配置模塊，每個(gè)配置模塊負(fù)責(zé)對(duì)某個(gè)功能項(xiàng)配置，彼此之間互相獨(dú)立，串行執(zhí)行。工作原理如圖2和圖3所示。

管理層放置掛起的若干任務(wù)和一系列的管理機(jī)制。任務(wù)間、管理機(jī)制間互相獨(dú)立，掛在兩條控制總線上，一條任務(wù)控制總線（由任務(wù)控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)），一條構(gòu)件控制總線（由構(gòu)件控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)），可實(shí)現(xiàn)任務(wù)、構(gòu)件的自由重構(gòu)。管理機(jī)制由各自的任務(wù)、構(gòu)件組成，各管理機(jī)制間互相獨(dú)立。

4 軟件構(gòu)件設(shè)計(jì)

4.1 軟件構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)

面向構(gòu)件的嵌入式軟件設(shè)計(jì)方法將軟件的整個(gè)開發(fā)看作一條生產(chǎn)線，不同的軟件模塊作為構(gòu)件拼裝組成了可以運(yùn)行的軟件，使得軟件復(fù)用的粒度更大。面向構(gòu)件的嵌入式軟件設(shè)計(jì)方法的主要任務(wù)是如何獲取通用的構(gòu)件，在軟件設(shè)計(jì)的過程中，很多模塊都是具有通用性的，將這些模塊進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)，從而在任何需要這些模塊的地方，直接將原有的模塊進(jìn)行復(fù)用，能夠進(jìn)一步提高嵌入式軟件的開發(fā)效率。

使用面向構(gòu)件的嵌入式軟件設(shè)計(jì)方法，需要軟件設(shè)計(jì)人員具有良好的抽象思維，能夠?qū)⒋笠?guī)模的軟件不斷分解成已有的小規(guī)模的構(gòu)件，從而更好地進(jìn)行嵌入式的軟件設(shè)計(jì)?？梢暬瘶?gòu)件包含源碼和圖形外殼，源碼封裝在圖形外殼中，封裝由工具實(shí)現(xiàn)，源碼由人工進(jìn)行增量式開發(fā)。構(gòu)件包含通用構(gòu)件和專用構(gòu)件，通用構(gòu)件覆蓋各領(lǐng)域、各專業(yè)，為所有應(yīng)用提供基礎(chǔ)的應(yīng)用服務(wù)，專用構(gòu)件面向特定產(chǎn)品定制、開發(fā)。

4.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與接口

計(jì)算類構(gòu)件源碼內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括：接口轉(zhuǎn)換代碼與主代碼函數(shù)，接口轉(zhuǎn)換代碼為實(shí)現(xiàn)和通用框架對(duì)接的輔助代碼，主代碼函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算主體，采用VSIPL國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)。

計(jì)算類構(gòu)件源碼接口統(tǒng)一定義為圖4所示接口。

4.3 基于華睿平臺(tái)的計(jì)算構(gòu)件設(shè)計(jì)

華睿1號(hào)具備矢量處理單元，處理器每次操作可完成一組同類型的數(shù)據(jù)的處理，它對(duì)硬件資源的需求量較大，但處理的并行度顯著提高，處理能力大大增強(qiáng)。矢量信號(hào)處理通常采用SIMD結(jié)構(gòu)，一組源數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)入不同的處理單元，以獲得較高的系統(tǒng)加速比。華睿1號(hào)的矢量處理單元由矢量發(fā)射隊(duì)列、矢量訪存部件、矢量運(yùn)算部件和矢量寄存器堆等4個(gè)部分組成，支持定點(diǎn)和浮點(diǎn)操作。

為了提高處理性能，華睿1號(hào)可通過鎖Cache配合DMA傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理前預(yù)取。鎖Cache機(jī)制由總線對(duì)二級(jí)Cache模塊內(nèi)部的4組鎖窗口寄存器進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置實(shí)現(xiàn)，每組窗口的大小可調(diào)。被鎖區(qū)域中的二級(jí)Cache塊被鎖住后，其中的指令或數(shù)據(jù)就不會(huì)被替換出去。華睿1號(hào)內(nèi)置了2個(gè)具有矩陣轉(zhuǎn)置功能的DMA模塊，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在內(nèi)存和二級(jí)Cache之間的搬移。當(dāng)二級(jí)Cache收到DMA寫請(qǐng)求時(shí)，如果被寫區(qū)域在二級(jí)Cache中命中且被鎖住，那么DMA將直接寫入二級(jí)Cache，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)預(yù)取到二級(jí)Cache。

在實(shí)現(xiàn)算法的矢量計(jì)算前預(yù)先用DMA將待處理的數(shù)據(jù)搬入二級(jí)Cache，計(jì)算時(shí)CPU直接訪問二級(jí)Cache。這樣處理的運(yùn)算速度相較于從DDR中直接取數(shù)據(jù)，不僅處理時(shí)間大大縮短，而且時(shí)長(zhǎng)更穩(wěn)定。

基本計(jì)算構(gòu)件的流程圖如圖5所示。

表1顯示了在華睿1號(hào)信號(hào)處理模塊上，單核運(yùn)行MTI構(gòu)件對(duì)二級(jí)Cache訪問進(jìn)行運(yùn)算和直接對(duì)DDR內(nèi)的數(shù)據(jù)訪問運(yùn)算的處理時(shí)間對(duì)比。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合軟件架構(gòu)和構(gòu)件化設(shè)計(jì)思路， 介紹了基于華睿1號(hào)信號(hào)處理模塊的某雷達(dá)信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)方法。該方法具有很好的可復(fù)用性、可移植性，對(duì)于不同的產(chǎn)品，僅需要維護(hù)構(gòu)件庫和修改集成代碼，很好的降低了開發(fā)成本。系統(tǒng)實(shí)測(cè)表明該軟件開發(fā)方法具有較高的處理速度， 保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。此外， 系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的管理層，具備了開機(jī)自檢、軟件監(jiān)測(cè)、任務(wù)緩沖等機(jī)制，給系統(tǒng)提供了很好的穩(wěn)定性能。

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作者簡(jiǎn)介

施西野，男，江蘇省南京市人。碩士學(xué)位。現(xiàn)從事南京電子技術(shù)研究所信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)、工程師。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。

作者單位

中電集團(tuán)南京電子技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210000