S698PM宇航芯片的軟件支持及信息處理性能測試

顏 軍 龔永紅 許怡冰 蔣曉華 唐芳福 沈祖崮

珠海歐比特宇航科技股份有限公司，珠海 519080

1 概述

隨著現(xiàn)代航空航天飛行器智能化和信息化水平的不斷提高，其飛行控制任務(wù)變得越來越復(fù)雜，處理的信息量及計(jì)算量劇增，對飛行控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性、可靠性要求變得更加苛刻，對所采用的處理器要求也越來越高。SPARC架構(gòu)處理器于2000年左右被引入中國，在航天領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用，至今仍是中國航天領(lǐng)域的主流處理器[1]。

歐比特公司自主研制的與LEON4核完全兼容的抗幅照S698PM宇航處理器于2013年推出芯片。該芯片是世界上第一款基于LEON4核的SOC芯片，芯片除了具有LEON4核的優(yōu)點(diǎn)外，還集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)[2]。S698PM宇航芯片已經(jīng)成功應(yīng)用于多個型號項(xiàng)目。

圍繞著S698PM宇航芯片，歐比特聯(lián)合多方研制推出了一整套的軟件生態(tài)系統(tǒng)，包括：操作系統(tǒng)BSP包、軟件集成開發(fā)環(huán)境和軟件調(diào)試工具等。

2 針對S698PM的VxWorks6.7 BSP軟件

S698PM支持目前市場上主流的多種嵌入式操作系統(tǒng)(EOS)，包括VxWorks和RTEMS等。歐比特公司專門為這些嵌入式操作系統(tǒng)移植開發(fā)了針對S698PM處理器的板級支持包(BSP)。

OBT VxWorks BSP是歐比特公司在VxWorks 6.7操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上針對S698PM多核處理器開發(fā)的BSP包軟件。在SMP系統(tǒng)中，當(dāng)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，可能會產(chǎn)生鎖死的情況和負(fù)載不均衡問題[3]，為了防止這兩種問題發(fā)生，在OBT VxWorks BSP中設(shè)計(jì)了多任務(wù)調(diào)度機(jī)制、中斷機(jī)制和互斥機(jī)制等軟件技術(shù)約束管理任務(wù)，解決了SPARC并行多核架構(gòu)的軟件處理問題[2]。

2.1 BSP設(shè)計(jì)

2.1.1 中斷機(jī)制設(shè)計(jì)

OBT VxWorks BSP為S698PM 4個CPU分配中斷，通過CPU內(nèi)部的LOCAL APIC控制器處理中斷[4]。OBT VxWorks BSP以優(yōu)先級為準(zhǔn)則，對中斷進(jìn)行判定和排隊(duì)，對中斷隊(duì)列中的中斷進(jìn)行分派。

在OBT VxWorks BSP中，每一個中斷都可以掛載在4個CPU上，但同時(shí)只允許一個CPU響應(yīng)中斷[5]。OBT VxWorks BSP對LOCAL APIC進(jìn)行編程，讓所有中斷都被一個CPU處理，默認(rèn)設(shè)置為CPU0。通過函數(shù)intCtrlISREnable()對全局變量VXB_INTCTLR_SPECIFIC_N進(jìn)行賦值(0、1、2和3)，決定由哪個CPU來處理中斷。當(dāng)外部中斷發(fā)生時(shí)，如果CPU0的中斷鎖打開，則CPU0處理中斷，并發(fā)送Message通知其它CPU，否則中斷會被發(fā)送到其它的CPU處理，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 中斷設(shè)計(jì)流程

2.1.2 互斥機(jī)制設(shè)計(jì)

在OBT VxWorks BSP中提供了中斷自旋鎖和任務(wù)自旋鎖，分別控制任務(wù)和中斷對臨界段的訪問。當(dāng)任務(wù)獲得某個中斷自旋鎖時(shí)，運(yùn)行該任務(wù)的CPU核會自動關(guān)中斷，保護(hù)該任務(wù)的臨界資源。中斷自旋鎖可以在任務(wù)和中斷中調(diào)用，任務(wù)自旋鎖只允許有任務(wù)自旋，運(yùn)行該任務(wù)的CPU核不允許其他任務(wù)的優(yōu)先搶占。

在中斷自旋鎖中，設(shè)計(jì)了自旋鎖的歸屬字段、在每一個核下的使用情況、運(yùn)行的中斷級別和任務(wù)控制塊。在初始化時(shí)，這些參數(shù)設(shè)置為0，代表不被任何處理器使用。獲取中斷自旋鎖要先判斷是否已經(jīng)被其它任務(wù)或者中斷取得，如果沒有則獲取該鎖，同時(shí)改變該鎖的狀態(tài)，將自旋鎖的歸屬字段設(shè)置為當(dāng)前CPU的ID號，表示自旋鎖正在被該CPU占用，將該CPU ID下的使用情況設(shè)置為USING。

在任務(wù)自旋鎖中，設(shè)計(jì)了擁有權(quán)的標(biāo)識、下一個可獲取該鎖的任務(wù)標(biāo)識和鎖的狀態(tài)。在獲取任務(wù)鎖時(shí)應(yīng)判斷該鎖是否為空閑狀態(tài)，獲取后改變該鎖的狀態(tài)，同時(shí)設(shè)置下一個獲取該鎖的任務(wù)ID，并設(shè)置鎖的狀態(tài)為忙碌，使用完成后應(yīng)釋放該鎖，設(shè)置鎖的狀態(tài)為空閑。

2.2 與傳統(tǒng)SPARC VxWorks的比較

目前航天系統(tǒng)中常用的SPARC處理器VxWorks操作系統(tǒng)還是基于5.4內(nèi)核版本，VxWorks 5.4使用了幾十年，雖然可靠性經(jīng)過了充分驗(yàn)證，但隨著硬件的發(fā)展，已經(jīng)越來越顯示出弊端。與之對比，VxWorks6.7結(jié)合OBT VxWorks BSP的系統(tǒng)在以下幾個方面進(jìn)行了加強(qiáng)和優(yōu)化。

2.2.1 實(shí)時(shí)進(jìn)程處理對比

在運(yùn)行多任務(wù)時(shí)，傳統(tǒng)SPARC只能按照優(yōu)先級順序進(jìn)行調(diào)度，當(dāng)有緊急需要處理的實(shí)時(shí)任務(wù)插入時(shí)，操作系統(tǒng)只能將當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)掛起，去執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)，雖然實(shí)時(shí)任務(wù)得到了執(zhí)行，但這是在犧牲當(dāng)前任務(wù)實(shí)時(shí)性的前提下實(shí)現(xiàn)的，這種機(jī)制無疑不是最佳的解決方式。

為了既能保證當(dāng)前任務(wù)的實(shí)時(shí)性，又能立即執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)，在OBT VxWorks BSP中設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)任務(wù)保護(hù)控制模塊，存放在分區(qū)表中，該分區(qū)中控制模塊運(yùn)行的程序與內(nèi)核獨(dú)立。

當(dāng)有實(shí)時(shí)任務(wù)插入時(shí)，將該任務(wù)放入到實(shí)時(shí)任務(wù)保護(hù)控制模塊中，由于分區(qū)控制模塊與內(nèi)核獨(dú)立，因此可以立即執(zhí)行該實(shí)時(shí)任務(wù)，并且不會影響內(nèi)核原先的調(diào)度，與內(nèi)核運(yùn)行的任務(wù)沒有關(guān)系?？梢钥闯?，OBT VxWorks BSP設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)任務(wù)保護(hù)控制模塊解決了傳統(tǒng)SPARC對實(shí)時(shí)任務(wù)處理的不足。

2.2.2 多任務(wù)處理對比

傳統(tǒng)SPARC不支持多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，其處理多任務(wù)的方式還是按照優(yōu)先級進(jìn)行順序執(zhí)行。當(dāng)處理一個較為復(fù)雜的算法任務(wù)時(shí)，嚴(yán)格按照代碼的順序去執(zhí)行[6]，這樣會導(dǎo)致處理的時(shí)間過長，效率低下。而在OBT VxWorks BSP中，可以將該算法按照需求進(jìn)行拆解，拆分成多個任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，而且可以指定任務(wù)均勻的分布在4個CPU中運(yùn)行，各個CPU獨(dú)立運(yùn)行各自的任務(wù)，不用等待，因此相比傳統(tǒng)SPARC BSP來言，大大減少了處理算法的時(shí)間，而且大大提升了執(zhí)行多任務(wù)的效率。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧對比

傳統(tǒng)SPARC中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議功能較少，僅支持IPV4和FTP協(xié)議的基本內(nèi)容，當(dāng)用戶需要使用其它復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)，需要花費(fèi)時(shí)間進(jìn)行開發(fā)。

OBT VxWorks BSP在傳統(tǒng)SPARC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中增加了目前主流的IPV6協(xié)議，TCP協(xié)議和UDP等網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，并且采用組件的方式對這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議功能進(jìn)行了封裝，用戶只需在Workbench圖形界面中進(jìn)行簡單的配置就能實(shí)現(xiàn)所需功能，與傳統(tǒng)SPARC開發(fā)相比節(jié)省了開發(fā)時(shí)間。

2.2.4 傳輸文件速率對比

傳統(tǒng)SPARC采用文件系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)文件傳輸，如TSFS、dosFS和TFFS。這3種方式均采用IO方式實(shí)現(xiàn)文件的傳輸，雖然能實(shí)現(xiàn)流量傳輸，但在傳輸大文件時(shí)，其IO方式傳輸還是顯得速率低下，且這3種文件系統(tǒng)能保存的文件大小只有幾百K，因此在大文件傳輸時(shí)，需要用戶將文件進(jìn)行拆分，按照單個文件的形式按順序傳輸，同時(shí)接收方需要對這些文件進(jìn)行重組，為了保證傳輸?shù)陌踩?，需要用戶指定?yán)格的協(xié)議來制約，增加用戶的開發(fā)時(shí)間。

OBT VxWorks BSP針對上述現(xiàn)象，在傳統(tǒng)SPARC中增加設(shè)計(jì)了NFS文件系統(tǒng)，通過100M以太網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)文件的傳輸，提高了通訊的速度，且文件大小沒有限制，不用用戶進(jìn)行分包和組包工作，如圖2所示。

圖2 文件系統(tǒng)對比圖

從圖2可以看出，傳統(tǒng)SPARC VxWorks傳遞大文件時(shí)需要進(jìn)行多次傳遞工作，而OBT VxWorks BSP NFS文件系統(tǒng)只需一次就能完成文件傳輸，大大的縮減了傳輸文件的時(shí)間；且由于OBT VxWorks BSP NFS文件系統(tǒng)采用了TCP協(xié)議，因此其安全性能得到保證。

OBT VxWorks BSP不僅支持S698PM，也支持其他SPARC處理器，如：AT697、GR712等，借助OBT VxWorks BSP完全可以使VxWorks6.7成為航天用SPARC處理器主流操作系統(tǒng)。

3 S698PM信息處理性能測試

S698PM芯片集成4個高性能處理器核心，提高了單芯片的處理能力；采用7級指令流水，提高了指令執(zhí)行效率[6]；采用128-bit的AHB作為處理器核間的互聯(lián)總線，降低了處理器總線沖突，提高了處理器間的通訊效率；片內(nèi)集成了512KB的大容量二級緩存，提高了處理器核訪問存儲器的命中率和效率[7]；片外支持DDR2高速存儲器，提高了存儲器控制器訪問外部存儲器的速度。這一系列的措施，使得S698PM芯片較其它同類型芯片在性能上有了大幅度的提升。

使用基準(zhǔn)測試程序Dhrystone和Whetstone分別對S698PM芯片的整型處理能力和浮點(diǎn)處理能力進(jìn)行測試。Dhrystone是測量處理器運(yùn)算能力最常見的基準(zhǔn)程序之一，常用于處理器整型運(yùn)算性能的測量。Dhtrystone基準(zhǔn)程序由主程序和3個函數(shù)、8個過程組成。各函數(shù)和過程分別用來測試字符串、記錄及整數(shù)運(yùn)算。Dhrystone的計(jì)量單位為DMIPS。Whetstone用于測浮點(diǎn)計(jì)算能力，計(jì)算單位是MFLOPS。S698PM在各個頻點(diǎn)的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)如圖3。

圖3 S698PM芯片在不同主頻時(shí)的處理性能實(shí)測值

將S698PM芯片做橫向比較，匯總各類官方數(shù)據(jù)，對比目前市場上主流高可靠嵌入式SPARC SOC芯片的處理能力及性能(為了便于比較，所有SOC芯片的綜合處理性能指標(biāo)統(tǒng)一換算為DMIPS/MHz，浮點(diǎn)處理性能指標(biāo)統(tǒng)一換算為MFLOPS/MHz)，可得出如下幾種比較圖：

圖4 SPARC SOC芯片最高主頻比較圖

圖5 SPARC SOC芯片處理性能比較圖

可以看出：S698PM SOC芯片無論是最高頻率還是綜合處理性能、浮點(diǎn)處理性能等方面都很有優(yōu)勢。

4 FFT算法在平臺上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

FFT算法是頻域圖像處理中最重要的核心算法之一，是影響數(shù)字圖像處理軟件系統(tǒng)整體效率的關(guān)鍵，工程實(shí)用性強(qiáng)。FFT具有原位性特征，較適合進(jìn)行并行運(yùn)算處理。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多采用AT697與VxWorks5.4操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)FFT算法，速度較慢，難以滿足日益增長的高速數(shù)據(jù)處理要求。本設(shè)計(jì)采用S698PM處理器和VxWorks6.7操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)FFT算法，通過多核并行，大大提高運(yùn)算效率。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是處理好FFT算法本身的并行化以及實(shí)現(xiàn)S698PM 4個處理器核的協(xié)調(diào)工作。

FFT的一般輸入形式是一組包含N個復(fù)數(shù)的數(shù)組。N一般是2的冪次級。有許多不同的方法來實(shí)現(xiàn)FFT，但最典型的是時(shí)間抽取法[8]。以8個數(shù)據(jù)輸入點(diǎn)的FFT變換為例，時(shí)間抽取的蝶形變換方法如圖6。

圖6 FFT時(shí)間抽取的蝶形變換圖

左邊的x[i]是FFT輸入，右邊的x[i]是FFT輸出，箭頭表示每個中間階段的輸入到輸出。

蝶形運(yùn)算的一般規(guī)律：原位運(yùn)算。觀察8點(diǎn)DIF-FFT運(yùn)算流程圖可以歸納出來，其每級每列計(jì)算都是由N/2個蝶形運(yùn)算構(gòu)成，由1次復(fù)數(shù)乘法和2次復(fù)數(shù)加減法組成。

某一列的任何2個節(jié)點(diǎn)k和j的節(jié)點(diǎn)變量進(jìn)行蝶形運(yùn)算后，得到結(jié)構(gòu)為下一列k，j兩節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)變量，與其他節(jié)點(diǎn)無關(guān)，所以可以采用原位運(yùn)算。計(jì)算完一級后立刻把結(jié)果存進(jìn)原來的內(nèi)存單元，再進(jìn)行下一級的運(yùn)算。那么輸入到結(jié)果輸出其內(nèi)存單元不變，如N=1024，則整個FFT只需要1024個長整型單元即可。這樣就可以大量節(jié)省儲存單元，方便處理器低資源運(yùn)行。

分析圖6可以看出，如果是2個CPU核參與并行處理，可以完全并行完成到最后階段，不需要CPU之間的數(shù)據(jù)交換。在最后一個階段，每個CPU需要使用其他CPU產(chǎn)生的結(jié)果，因此需做同步處理，等待所有CPU都處理完成后再進(jìn)行。而如果是4 個CPU參與并行處理，并行處理可以進(jìn)行到倒數(shù)第二階段，之前都不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。而倒數(shù)第二階段和最后一個階段開始之前都需要進(jìn)行CPU同步，等待所有CPU處理完成后再進(jìn)行。

一般來說，階段數(shù)M與輸入點(diǎn)數(shù)N的關(guān)系為M=log2N。例如8192個輸入點(diǎn)的FFT運(yùn)算，總共有13個階段需要處理。前11階段，即大部分工作，可以完全獨(dú)立地在4個CPU上并行完成，每個CPU處理一塊2048個點(diǎn)的輸入。以上處理完后需要同步，再并行完成倒數(shù)第二階段運(yùn)算，之后再同步，并行完成最后一個階段的運(yùn)算。

系統(tǒng)上電時(shí)，CPU0開始運(yùn)行，CPU1/CPU2/CPU3處于關(guān)閉模式，CPU0執(zhí)行其對應(yīng)的VxWorks任務(wù)，在任務(wù)中使能其它3個CPU。其它的CPU被喚醒后，開始執(zhí)行屬于自己的VxWorks任務(wù)，任務(wù)的主要功能是進(jìn)行FFT運(yùn)算處理，任務(wù)最開始是等待一個信號量A，這個信號量由CPU0給出。

當(dāng)CPU0在任務(wù)中建立了測試數(shù)據(jù)，完成了數(shù)據(jù)隊(duì)列排序，初始化好共享內(nèi)存中的控制塊后，向其它CPU發(fā)送信號量A，并進(jìn)入運(yùn)算流程。其它CPU得到信號量A后開始并行處理當(dāng)前階段的FFT運(yùn)算，運(yùn)算完成后向CPU0發(fā)送信號量B，然后返回到之前等待信號量A的狀態(tài)。CPU0收到所有CPU發(fā)送過來的信號量B后，表示所有CPU完成了工作，結(jié)束本階段的運(yùn)算處理，進(jìn)入下一個運(yùn)算階段，下一階段的執(zhí)行過程與上述相同。最后階段完成后，F(xiàn)FT的運(yùn)算結(jié)果會保持在制定內(nèi)存中，CPU0負(fù)責(zé)打印輸出結(jié)果。

基于VxWorks操作系統(tǒng)的FFT程序編輯完后，使用SPARC編譯器進(jìn)行編譯。運(yùn)行DMON調(diào)試器，連接S698PM硬件平臺后下載程序并執(zhí)行，觀察到的程序運(yùn)行結(jié)果如圖7。

圖7 FFT算法程序在S698PM平臺上的執(zhí)行結(jié)果

以上的測試條件為：8192個輸入點(diǎn)，100次FFT循環(huán)計(jì)算；S698PM處理器啟用了L2高速緩存，處理器主頻為400MHz，總線頻率200MHz。對比同等條件下在S698P4處理器平臺以及AT697平臺下的測試結(jié)果，最終測試數(shù)據(jù)比較如圖8所示。

圖8 FFT運(yùn)算運(yùn)行結(jié)果分析

實(shí)測表明：在設(shè)計(jì)合理的情況下，使用S698PM處理器4核進(jìn)行FFT運(yùn)算比使用單核運(yùn)算，運(yùn)算速度提高了3.26倍，對比AT697處理器平臺，運(yùn)算速度提高了約20倍。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分說明：S698PM處理器無論是峰值處理能力還是并行化運(yùn)算性能都比前代產(chǎn)品有了較大的提升。

5 結(jié)束語

綜上所述，S698PM是一款高可靠、高性能、高集成度的SPARC V8 SMP架構(gòu)多核SOC芯片，其設(shè)計(jì)合理，片上外設(shè)資源豐富，芯片可廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域，特別適用于需兼顧大量運(yùn)算和復(fù)雜控制的宇航電子系統(tǒng)。同時(shí)，S698PM芯片的軟件支持到位，支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，專門設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)BSP包降低了用戶使用多核處理以及開發(fā)并行應(yīng)用程序的門檻，并且這些軟件系統(tǒng)都經(jīng)過了大量的應(yīng)用驗(yàn)證。