基于SCA架構(gòu)的波形設(shè)計方法

呂 浩

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

軟件通信體系架構(gòu)（Software Communication Architecture，SCA）是一組實現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)的規(guī)則和方法的集合，定義了統(tǒng)一的軟件無線電體系結(jié)構(gòu)規(guī)范，解決了不同廠家軟件無線電產(chǎn)品的兼容問題[1]。本文基于SCA 架構(gòu)，提出一種通用的波形設(shè)計方法，將波形功能封裝成接口標(biāo)準(zhǔn)的波形組件，通過硬件抽象層接口屏蔽底層驅(qū)動差異，并通過SCA 核心框架進行管控，可滿足“一種波形適應(yīng)多種平臺，一種平臺加載多種波形”的要求。

1 SCA 軟硬件架構(gòu)

硬件體系架構(gòu)采用面向?qū)ο蟮念惤Y(jié)構(gòu)，硬件結(jié)構(gòu)中的各部分被劃分為硬件類，硬件類再細分為各硬件子類，可涵蓋所有電子裝備應(yīng)用領(lǐng)域通用硬件。硬件架構(gòu)如圖1所示。每個子類設(shè)備都可以通過繼承的方式來獲得父類設(shè)備通用的屬性，同時每個子類也可以有自己的特定屬性。

圖1 SCA 硬件架構(gòu)

硬件類的劃分方法依據(jù)硬件設(shè)備的物理和接口特性，而不是硬件設(shè)備的特定功能，從而保證了硬件設(shè)備的通用性和可擴展性，降低系統(tǒng)成本[2]。而軟件架構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)，并將應(yīng)用與底層硬件分開，如圖2所示。應(yīng)用與硬件平臺中間的部分成為操作環(huán)境（Operating Environment，OE），由操作系統(tǒng)、組件間通信機制、核心框架、設(shè)備與服務(wù)組成，為波形應(yīng)用的開發(fā)提供統(tǒng)一的底層支持和服務(wù)，使波形應(yīng)用開發(fā)具有最大的可移植性和可重用性。

圖2 SCA 軟件架構(gòu)

2 基于SCA 的波形設(shè)計方法

對于通信波形而言，一般的處理流程如圖3所示。傳統(tǒng)的波形開發(fā)方法是將各個分功能緊密耦合在一起來實現(xiàn)波形完整功能，這樣就導(dǎo)致了軟件重用和功能升級比較困難，使得波形開發(fā)難度大、開發(fā)速度慢、周期長[3]。

圖3 通信波形典型功能組成及流程

為了提高波形應(yīng)用的可復(fù)用性以及可移植性，降低波形開發(fā)難度，本文基于SCA 架構(gòu)，提出一種通用的波形設(shè)計方法，將波形應(yīng)用劃分為多個標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用組件，封裝業(yè)務(wù)功能實現(xiàn)，通過核心框架實現(xiàn)波形管理控制，通過中間件及硬件抽象層進行數(shù)據(jù)交互。

下面以某波形為例說明波形開發(fā)步驟，將其移植到通用軟無設(shè)備上，并驗證該方法的可行性。通用軟無平臺硬件組成為PPC+FPGA，PPC 和FPGA之間通過LVDS 通信，如圖4所示。

圖4 通用軟無硬件平臺示意圖

2.1 波形組件劃分

組件劃分粒度大小決定了對平臺資源的需求和組件功能的可移植性、可復(fù)用性。組件劃分時，可以根據(jù)硬件架構(gòu)處理器類的不同，將波形組件分為運行在通用處理器（如PPC、ARM 等）和非通用處理器（如FGPA、DSP 等）兩類。

此外，也可以按照功能進行組件劃分[2]。對于該波形，可分為信息處理組件和信號處理組件，其中信息處理IP 組件完成接口協(xié)議處理以及數(shù)據(jù)處理功能運行在PPC 上；信號處理SP 組件完成編解碼、調(diào)制解調(diào)、上下變頻等功能，運行在FPGA 上，如圖5所示。

圖5 組件劃分示意圖

IP 組件和SP 組件運行在異構(gòu)處理器，需要借助硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer，HAL）完成通信[3]。波形組件IP 通過中間件與HALDevice進行數(shù)據(jù)交互，然后通過HALDevice 提供的標(biāo)準(zhǔn)接口與波形組件SP 進行數(shù)據(jù)交互，HALDevice 標(biāo)準(zhǔn)接口中封裝 LVDS 驅(qū)動。IP 和 SP 組件以及HALDevice 連接關(guān)系如圖6所示。

圖6 波形組件間連接關(guān)系

2.2 組件建模及應(yīng)用建模

通過軟件無線電集成開發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environment，IDE）對組件建模和應(yīng)用建模，選擇恰當(dāng)?shù)慕M件類型，將IDL 文件映射生成C++框架代碼文件，同時設(shè)置組件參數(shù)，建立組件間的連接關(guān)系，設(shè)置裝配控制器，生成域描述文件（包括SCD、PRF、SPD、SAD 等）。

波形組件屬于 SCA 規(guī)范[1]中定義的標(biāo)準(zhǔn)ApplicationComponent 類，繼承核心框架定義的LifeCycle 、 PortAccessor 、 PropertySet 、Controllable-Interface 等標(biāo)準(zhǔn)接口，用來實現(xiàn)波形組件的初始化（initialize）、釋放對象（releaseObject），端口連接（connectUsesPorts）、斷開連接（disconnectPorts）、開始（start）和停止（stop）等操作。

通用硬件平臺的GPP 和FPGA 屬于SCA 規(guī)范中的DeviceComponent 類，需繼承核心框架定義的LifeCycle 、 PortAccessor 、 PropertySet 和ControllableInterface 等標(biāo)準(zhǔn)接口，并根據(jù)各自特定的屬性，分別繼承 ExecutableInterface 和LoadableInterface，為波形應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)訪問硬件接口，使得波形應(yīng)用與硬件解耦，可實現(xiàn)波形在包含相同類型處理器的不同硬件平臺的移植。

HALDevice 屬于 SCA 規(guī)范中定義的標(biāo)準(zhǔn)DeviceComponent 類，除LifeCycle、PortAccessor、PropertySet 和ControllableInterface 等標(biāo)準(zhǔn)接口外，還需繼承MHAL::MHALPacketConsumer 接口，將底層驅(qū)動封裝成統(tǒng)一的pushPacket 接口，實現(xiàn)異構(gòu)處理器間的數(shù)據(jù)交互。利用該接口可屏蔽底層硬件的差異，便于波形在不同硬件平臺的移植。

2.3 波形組件功能封裝

將實現(xiàn)波形功能的代碼填入建模生成的框架代碼中進行封裝，如圖7所示。波形組件模型由外部接口和內(nèi)部封裝的功能代碼組成。外部接口的主接口繼承了核心框架中的接口，用于組件的控制和管理；數(shù)據(jù)端口主要用于組件之間的數(shù)據(jù)傳遞。

圖7 波形組件功能封裝示意圖

內(nèi)部封裝的組件代碼由框架代碼、功能代碼和膠水代碼組成[4]。其中框架代碼的主要作用是封裝組件內(nèi)部的功能代碼，并負責(zé)組件與組件之間、組件與核心框架之間的通信；功能代碼是實現(xiàn)波形功能的算法；膠水代碼作為框架代碼和功能代碼之間的橋梁，其主要作用是轉(zhuǎn)發(fā)框架代碼和功能代碼之間的通信數(shù)據(jù)，并負責(zé)對通信數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換。編譯封裝好的波形組件，生成可執(zhí)行文件。

不同功能的應(yīng)用對應(yīng)不同的功能代碼和膠水代碼，但框架代碼相同且可復(fù)用，因此，在組件劃分方式相同的前提下，只需要修改功能代碼和膠水代碼，便可以將不同功能的波形可移植到同一硬件平臺。

2.4 波形管理控制

核心框架提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口對運行在軟件平臺的波形應(yīng)用進行管理控制，以保證波形能夠正常加安裝、加卸載和運行停止。

（1）波形安裝

波形組件及相關(guān)文件安裝到設(shè)備存儲空間相應(yīng)的文件路徑，并且調(diào)用核心框架installApplication操作，創(chuàng)建應(yīng)用工廠實例以及組件注冊器實例，用于創(chuàng)建波形及波形注冊，序列圖如圖8所示。

圖8 波形安裝序列圖

（2）波形部署

建立波形組件和設(shè)備組件的部署關(guān)系，確保波形可執(zhí)行程序運行在該硬件處理器上。對于該波形，IP 組件部署在 GPPDevice，SP 組件部署在FPGADevice。

（3）波形加載

調(diào)用應(yīng)用工廠create 接口，生成應(yīng)用組件實例，根據(jù)部署關(guān)系，調(diào)用allocateCapacity 接口分配處理器的內(nèi)存及堆棧給波形組件；調(diào)用設(shè)備的load 接口將波形應(yīng)用中各個組件部署到符合條件的設(shè)備上；運行波形組件可執(zhí)行程序，初始化組件；根據(jù)SAD文件中定義的組件連接關(guān)系，調(diào)用connectUsesPorts接口建立組件間的連接關(guān)系，創(chuàng)建成功后，向域內(nèi)注冊，序列圖如圖9所示。

圖9 波形加載序列圖

（4）波形啟動

波形加載后，調(diào)用start 函數(shù)，啟動波形應(yīng)用。

（5）波形停止

調(diào)用stop 函數(shù)，使波形組件停止工作。

（6）波形卸載

調(diào)用disconnectPorts 操作斷開波形組件間連接關(guān)系，調(diào)用releaseObject 操作釋放波形組件對象，調(diào)用terminate 和unload 操作，刪除部署在處理器的波形可執(zhí)行文件，并釋放分配空間，完成波形卸載，序列圖如圖10 所示。

圖10 波形卸載序列圖

（7）波形刪除

調(diào)用核心框架uninstallApplication 操作，將波形從域內(nèi)刪除。

3 功能驗證及符合性測試

按照上述方法進行波形移植，并與非軟無平臺進行通信測試，測試環(huán)境如圖11 所示。軟無平臺通過交換機與波形管控軟件以及平臺模擬器相連，非軟無平臺通過交換機與平臺模擬器相連。測試中，通過波形控制軟件下發(fā)指令，波形能正常安裝刪除、部署、加卸載和運行停止，通過平臺模擬器發(fā)送并接受測試數(shù)據(jù)，通信測試功能正常。

圖11 通信測試環(huán)境示意圖

對該波形進行SCA 符合性測試，軟無平臺與符合性測試軟件通過交換機相連，如圖12 所示。啟動測試用例，測試應(yīng)用及組件的域描述文件符合性、接口符合性等，測試用例全部通過。

圖12 符合性測試環(huán)境示意圖

4 總結(jié)

本文提出一種基于SCA 架構(gòu)波形設(shè)計方法，將波形應(yīng)用封裝為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用組件，通過硬件抽象層屏蔽底層驅(qū)動的差異，采用核心框架實現(xiàn)波形管理控制。利用該方法可將不同功能的波形封裝成波形組件庫移植到軟無平臺，為波形數(shù)據(jù)交互提供統(tǒng)一的接口，保證波形在不同的軟無平臺上移植和復(fù)用，縮短研發(fā)周期，降低維護成本，滿足“一種波形適應(yīng)多種平臺，一種平臺加載多種波形”的要求。