一種可重構(gòu)的星載高性能智能異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)

王元樂，楊玉辰，方火能，邵應(yīng)昭，張 朗，李曉博，梁 峰

1.西安交通大學(xué)微電子學(xué)院，西安 710049

2.西安空間無線電技術(shù)研究所，西安 710000

0 引 言

經(jīng)典計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，中央處理器(central processing unit,CPU)作為計(jì)算機(jī)的控制和運(yùn)算核心，軟件層操作通過CPU指令集映射，映射后按照編譯完成的CPU指令集隊(duì)列，硬件層依次執(zhí)行相應(yīng)CPU指令集隊(duì)列.隨著微電子技術(shù)不斷發(fā)展，微處理器內(nèi)部集成單元增多，微處理器架構(gòu)從單核到多核、從同構(gòu)到異構(gòu)、從異構(gòu)走向超異構(gòu)，芯片架構(gòu)不斷創(chuàng)新，典型的微處理器包括CPU、FPGA、DSP、GPU、TPU、特定領(lǐng)域架構(gòu)(domain specific architecture,DSA)、ASIC等；其中，F(xiàn)PGA相比于CPU更接近于IO，優(yōu)勢在于計(jì)算效率更高；DSP常用來作為信號處理操作；GPU常用于圖像處理操作；TPU適用于深度學(xué)習(xí)計(jì)算領(lǐng)域；DSA、ASIC定制化過程漫長，底層硬件編程等功能定制化，靈活性較差.各種類型微處理器為計(jì)算系統(tǒng)提供多種類型算力，適用于各自特定應(yīng)用場景.

針對傳統(tǒng)星載計(jì)算系統(tǒng)，一般選用FPGA或CPU高等級器件，程序存儲器選用對單粒子免疫的反熔絲型器件，數(shù)據(jù)存儲器一般選用抗單粒子閾值高的器件，通過提高單個元器件可靠性的方式來提高整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性[1].CPU適合應(yīng)用于邏輯密集的控制型任務(wù)，針對計(jì)算密集型任務(wù)有所欠缺，摩爾定律失效帶來CPU性能瓶頸，以CPU為核心的計(jì)算系統(tǒng)越來越難以滿足海量高性能計(jì)算需求；隨著航天技術(shù)發(fā)展，星載計(jì)算系統(tǒng)的復(fù)雜度和性能需求不斷提升，依然采用傳統(tǒng)CPU星載計(jì)算系統(tǒng)已無法滿足星載計(jì)算可重構(gòu)、智能化和高性能等需求，通過可重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片功能重構(gòu)以及計(jì)算系統(tǒng)模塊重新配置實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能重構(gòu)；通過異構(gòu)計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算加速.

異構(gòu)計(jì)算技術(shù)是一種特殊的并行計(jì)算方式，包括在系統(tǒng)中使用不同體系架構(gòu)處理器的聯(lián)合計(jì)算方式，可支持芯片級異構(gòu)、板級集成異構(gòu)、系統(tǒng)級異構(gòu)，芯片級異構(gòu)和板級集成異構(gòu)解決了不同芯片間的互聯(lián)互通，系統(tǒng)級異構(gòu)考慮各個單元或各個模塊間選擇性配置和互聯(lián)互通.通過異構(gòu)計(jì)算技術(shù)，可通過通用計(jì)算資源(如CPU)、多用計(jì)算資源(如FPGA)、專用計(jì)算資源(如GPU)以及存儲資源(主存、外存)、互聯(lián)資源(內(nèi)部互聯(lián)、外部接口)等構(gòu)成多維異構(gòu)硬件資源集合，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜高性能異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)提供選擇和支撐.

可重構(gòu)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)航天器在軌可重構(gòu)功能，包括芯片功能重構(gòu)以及系統(tǒng)功能重構(gòu)；芯片功能重構(gòu)體現(xiàn)在各種FPGA、DSP、CPU、GPU、AI芯片的程序功能重構(gòu)，包括全局重構(gòu)和部分重構(gòu)等各種技術(shù)，已有大量研究體現(xiàn)[2-3]；系統(tǒng)功能重構(gòu)體現(xiàn)在模塊化、組件化可擴(kuò)展機(jī)制和技術(shù)，得益于模組間具有松耦合特性以及統(tǒng)一定義接口，不需要修改基礎(chǔ)功能組件，后續(xù)可根據(jù)需要方便接入新的功能組件，通過模組可重構(gòu)控制方法將基礎(chǔ)功能組件與新的功能組件組成完整系統(tǒng)[4-6].

隨著5G/6G通信技術(shù)蓬勃發(fā)展，各種人工智能應(yīng)用需求不斷增長，針對現(xiàn)有星載計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高速多源數(shù)據(jù)在軌實(shí)時(shí)處理、信息快速服務(wù)能力弱、新型通信體制等系統(tǒng)架構(gòu)和算力難題.本文提出一種可重構(gòu)高性能智能異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)，開展了面向星載典型遙感影像處理的軟硬件實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了預(yù)定效果.本文提出的異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)支持系統(tǒng)架構(gòu)持續(xù)可演進(jìn)需求，通過軟硬件單元靈活配置，適配更高性能處理器資源，可滿足未來更高性能星載計(jì)算系統(tǒng)功能和性能需求.

1 現(xiàn)狀與需求

1.1 典型微處理器

微處理器性能衡量標(biāo)準(zhǔn)通常包含三個因素：“指令”復(fù)雜度、運(yùn)行頻率、并行度.“指令”是軟件和硬件的媒介，其復(fù)雜度決定了系統(tǒng)的軟硬件解耦程度；指令越簡單，編程靈活性越高，指令越復(fù)雜，性能越高；頻率可通過多級流水、工藝提升的等方法進(jìn)行提；并行度提升包括超線程、指令多發(fā)射、多核異構(gòu)等方式.

隨著航天技術(shù)和集成電路設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力的不斷發(fā)展，各類型高性能芯片處理能力越來越強(qiáng)大；國內(nèi)外微小衛(wèi)星研制中均有大量的商用現(xiàn)貨(commercial off-the-shelf,COTS)器件成功在軌應(yīng)用[7-9].在商業(yè)航天應(yīng)用上，COTS器件具備低成本、高密度、高性能等優(yōu)點(diǎn)，通過開展針對COTS器件的選型、采購、質(zhì)量保證和應(yīng)用等各個階段工作，完成外觀檢查、結(jié)構(gòu)分析、破壞性物理分析(destructive physical analysis，DPA)、常溫電性能測試、高低溫性能測試、總劑量和單粒子摸底試驗(yàn)等升級篩選工作，使COTS器件的性能、質(zhì)量、可靠性、進(jìn)度及成本等可滿足低成本短周期航天器的要求.

1.2 遙感影像在軌處理需求

隨著遙感衛(wèi)星分辨率不斷提升，衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)幾何級增長，星載傳感器的原始數(shù)據(jù)率可達(dá)幾十Gbps，與衛(wèi)星有限的傳輸、存儲資源產(chǎn)生巨大矛盾，遙感影像預(yù)處理、智能處理等圖像在軌處理技術(shù)成為研究熱點(diǎn)之一.

針對敏捷小衛(wèi)星平臺的遙感影像在軌處理需求，需要開展更高效的計(jì)算系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，具備輻射校正、云檢測等圖像預(yù)處理功能，具備基于地理位置的感興趣區(qū)域(region of interest,ROI)提取、基于目標(biāo)檢測的ROI提取、幾何校正等智能處理功能[10-13]；同時(shí)支持軟件定義功能，具備程序和參數(shù)在軌上注更新，靈活支持在軌處理等功能.

1.3 未來天基信息服務(wù)需求

隨著衛(wèi)星結(jié)合人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、新型通信體制等技術(shù)的在軌應(yīng)用需求不斷增長，國內(nèi)外在航天技術(shù)領(lǐng)域不斷應(yīng)用實(shí)踐新技術(shù)，在全球范圍內(nèi)極大擴(kuò)展了衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用，拓展星載數(shù)據(jù)的供給面與需求面，結(jié)合新技術(shù)創(chuàng)新為用戶提供高質(zhì)量定量化實(shí)時(shí)天基信息服務(wù)能力.

針對支持面向各類突發(fā)事件及多用戶并發(fā)應(yīng)用場景，解決多編隊(duì)組網(wǎng)航天器協(xié)同任務(wù)規(guī)劃、資源動態(tài)調(diào)度、多源載荷數(shù)據(jù)/信號分布式協(xié)同處理、情報(bào)信息綜合生成與態(tài)勢更新等需求[14-16]，面向天基信息服務(wù)新需求，可重構(gòu)星載高性能智能異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)需要支持可演進(jìn)架構(gòu)功能，通過系統(tǒng)靈活配置可支持未來天基信息服務(wù)新需求.

2 星載計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 高可靠最小系統(tǒng)

星載計(jì)算系統(tǒng)長期工作在宇宙空間輻射環(huán)境中，各種輻射效應(yīng)是導(dǎo)致星載計(jì)算機(jī)在運(yùn)行期間發(fā)生故障的主要原因，采用COTS器件可以降低系統(tǒng)成本，但是系統(tǒng)可靠性不能完全保證，需要采取抗輻照加固措施保證系統(tǒng)可靠性提升.本文通過高可靠抗輻照元器件+軟件容錯技術(shù)+定時(shí)刷新技術(shù)，軟件上采用三模冗余技術(shù)、定時(shí)刷新技術(shù)、糾錯編碼機(jī)制，具備EDAC糾錯能力，構(gòu)建一種高可靠最小系統(tǒng).

高可靠最小系統(tǒng)具備在軌維護(hù)功能，其存儲的配置數(shù)據(jù)可預(yù)先在地面寫入，實(shí)現(xiàn)預(yù)置型在軌維護(hù)，或由在軌后通過整星遙控上注寫入，如圖1所示.

圖1 高可靠最小系統(tǒng)Fig.1 High reliability minimum system

2.2 基于最小系統(tǒng)的可重構(gòu)計(jì)算單元

本文基于高可靠最小系統(tǒng)，采用高可靠抗輻照元器件+高性能低等級元器件結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，通過器件級備份冗余、設(shè)備級備份冗余、多種軟件容錯技術(shù)等措施提高計(jì)算單元中高性能低等級元器件的可靠性.通過高可靠最小系統(tǒng)可保證正確讀取高性能模組的加載程序，完成高性能模組中FPGA重構(gòu)和刷新功能，完成DSP、CPU、GPU、AI芯片等功能加載.采用該設(shè)計(jì)方法完成的計(jì)算單元的可靠性幾乎與傳統(tǒng)的宇航計(jì)算機(jī)的相當(dāng)，成本有效降低，兼顧實(shí)現(xiàn)了星載計(jì)算單元低成本與高可靠特性.

如圖2所示，高性能模組1～N可根據(jù)計(jì)算單元需求進(jìn)行選擇性配置，其選用高可靠NorFlash，用于存儲重要程序和參數(shù)；通過高可靠最小系統(tǒng)接收到的控制A/B命令，并通過PGA控制通信接口轉(zhuǎn)發(fā)至高性能FPGA，通過DSP/CPU等配置接口，配置其他高性能模組中DSP、CPU等程序加載，并具備上注重構(gòu)等能力；同時(shí)，各個高性能模組間支持模組間支持高速數(shù)據(jù)接口進(jìn)行通信，高性能模組支持DSP/CPU等控制通信接口，進(jìn)一步發(fā)揮最小系統(tǒng)和各個模組間聯(lián)合計(jì)算能力.

圖2 基于最小系統(tǒng)的異構(gòu)計(jì)算單元Fig.2 Heterogeneous computing unit based on minimal system

2.3 可重構(gòu)的星載高性能計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)

面向衛(wèi)星在軌處理以及未來天基信息服務(wù)等軟件可定義功能需求，基于各種DSP、CPU、GPU、AI芯片等高性能器件，按照基于最小系統(tǒng)的異構(gòu)計(jì)算單元架構(gòu)，可構(gòu)建多種類型異構(gòu)計(jì)算單元，包括FPGA-DSP異構(gòu)計(jì)算單元、FPGA-CPU異構(gòu)計(jì)算單元、FPGA-GPU異構(gòu)計(jì)算單元、FPGA-AI芯片異構(gòu)計(jì)算單元等，形成多種標(biāo)準(zhǔn)異構(gòu)計(jì)算單元型譜.通過配置異構(gòu)計(jì)算單元型譜及配置數(shù)量，同時(shí)通過星載計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)部的冗余加固、系統(tǒng)故障自診斷技、系統(tǒng)健康狀態(tài)管理等技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性，保證衛(wèi)星系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行.

該系統(tǒng)框圖如圖3所示，路由單元等其他部分均保持不變，僅需要根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)和更高性能元器件選型，進(jìn)行異構(gòu)計(jì)算單元的型譜選用和升級，支持系統(tǒng)可演進(jìn).同時(shí)，控制單元通過智能化軟件功能實(shí)現(xiàn)，具備計(jì)算系統(tǒng)自主任務(wù)執(zhí)行的功能；衛(wèi)星平臺僅需要發(fā)送任務(wù)時(shí)間、類型、數(shù)量等要求，不需要發(fā)送單條任務(wù)指令序列，即可開展計(jì)算系統(tǒng)自主任務(wù)執(zhí)行；更進(jìn)一步，隨著智能化軟件功能擴(kuò)展，可支持開展衛(wèi)星在軌自主任務(wù)規(guī)劃、多源信息在軌融合、態(tài)勢生成與更新、新型通信等更強(qiáng)算力和智能化要求更高的業(yè)務(wù).

圖3 天基信息服務(wù)異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)Fig.3 Heterogeneous computing system for space-based information services

3 一種遙感影像在軌計(jì)算系統(tǒng)

3.1 可重構(gòu)高可靠最小系統(tǒng)

針對高性能FPGA、DSP模塊，構(gòu)建的高可靠最小系統(tǒng)如圖4所示，支持FPGA1、FPGA2重構(gòu)和刷新功能；支持通過RS485 A/B雙冗余總線的遙控遙測功能，可傳輸遙控指令、取遙測指令、GNSS定位廣播參數(shù)、姿控廣播參數(shù)、星務(wù)時(shí)間基準(zhǔn)廣播參數(shù)、FPGA上注指令、DSP上注指令、參數(shù)上注指令等.

圖4 基于高可靠最小系統(tǒng)的異構(gòu)計(jì)算單元Fig.4 Heterogeneous computing unit based on highly reliable minimum system

通過高可靠重構(gòu)刷新控制器構(gòu)建的最小系統(tǒng)，可保證正確讀取高可靠NorFlash，完成FPGA1、FPGA2重構(gòu)和刷新功能；重構(gòu)功能：FPGA1、FPGA2默認(rèn)加載FPGA上注1區(qū)位流，若加載不成功，最多可加載FPGA上注1區(qū)位流三次并返回相應(yīng)遙測，有效保證FPGA1、FPGA2加載成功；可根據(jù)指令要求加載FPGA上注2、3、4區(qū)，完成不同功能調(diào)用；刷新功能：FPGA1、FPGA2默認(rèn)刷新功能開，支持通過RS485 AB總線發(fā)送刷新關(guān)指令、取遙測等其它相關(guān)指令.

為滿足DSP處理器的靈活配置需求，合理選擇高性能 FPGA與DSP 間適配接口，通過最小系統(tǒng)指令+FPGA1共同完成DSP重構(gòu)和圖像處理參數(shù)重構(gòu)；其中DSP上注區(qū)用于存儲 DSP應(yīng)用程序，參數(shù)上注區(qū)用于存儲圖像處理等參數(shù)，可通過FPGA1靈活進(jìn)行DSP上注區(qū)和參數(shù)注區(qū)邏輯劃分，可支持6個DSP應(yīng)用程序.

3.2 基于最小系統(tǒng)的FPGA-DSP計(jì)算單元

針對敏捷小衛(wèi)星平臺的遙感影像在軌處理需求，滿足高功能密度比、高可靠性指標(biāo)、小型化需求[17]，選用高性能FPGA、DSP模塊，支持環(huán)備份及總線冗余等，具備2×4X GTH高速IO接口和RS485雙總線接口，其中DSP采用高性能8核心處理器，與FPGA具備靈活的高速適配接口.FPGA的程序通過單機(jī)上注校驗(yàn)?zāi)Ｊ奖ＷCNorFlash數(shù)據(jù)正確性，判斷程序是否有效，否則重新上注程序，提高了FLASH存儲程序的可靠性，F(xiàn)LASH采用宇航級，通過軟件提高可靠性，降低系統(tǒng)成本.

3.3 基于計(jì)算單元的遙感影像在軌計(jì)算系統(tǒng)

針對敏捷小衛(wèi)星平臺的遙感影像在軌處理需求，開展基于最小系統(tǒng)的FPGA-DSP計(jì)算單元構(gòu)建星載計(jì)算系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以作為一種面向星載遙感影像在軌處理的異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)[18-19].典型的星載遙感影像計(jì)算系統(tǒng)一般可包含路由單元、計(jì)算單元、固存單元、控制單元、通道適配單元等；其中，路由單元接收衛(wèi)星平臺傳感器數(shù)據(jù)，以及星載計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的路由管理等功能，固存單元具備數(shù)據(jù)記錄、回放功能，控制單元作為控制中樞完成與衛(wèi)星其他系統(tǒng)的控制通信功能，通道適配單元用來完成與數(shù)據(jù)傳輸通道的接口適配；如5圖所示，計(jì)算單元用于完成遙感影像的在軌密集型計(jì)算任務(wù)，配置3塊FPGA-DSP計(jì)算單元，并支持計(jì)算單元2備1的環(huán)備份設(shè)計(jì)，用于完成圖像壓縮、預(yù)處理、智能處理等功能.

圖5 遙感影像在軌計(jì)算系統(tǒng)Fig.5 Remote sensing image on orbit computing system

通過計(jì)算單元構(gòu)建的遙感影像在軌計(jì)算系統(tǒng)主要功能如下：

(1)圖像壓縮功能：通過GTH高速總線接收圖像數(shù)據(jù)，利用FPGA1、FPGA2完成圖像壓縮功能，具備18 Gbps實(shí)時(shí)JPEG-LS 圖像壓縮能力，具備9Gbps實(shí)時(shí)JPEG-2000 圖像壓縮能力.

(2)圖像預(yù)處理功能：通過GTH高速總線接收圖像數(shù)據(jù)，利用FPGA1、FPGA2完成圖像預(yù)處理功能，包括18Gbps實(shí)時(shí)相對輻射校正、實(shí)時(shí)云檢測處理能力.

(3)基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測功能：通過固存單元回放遙感影像數(shù)據(jù)，利用FPGA1、FPGA2完成目標(biāo)檢測，通過DSP完成目標(biāo)經(jīng)緯度信息計(jì)算，可根據(jù)算法性能靈活調(diào)整處理能力.

(4)基于地理位置的ROI提取功能：通過固存單元回放遙感影像數(shù)據(jù)，利用FPGA1、FPGA2完成圖像分塊及輔助數(shù)據(jù)分離，通過DSP完成輔助數(shù)據(jù)經(jīng)緯度計(jì)算，針對輔助數(shù)據(jù)解析的行列號信息，按照上注提取的熱點(diǎn)經(jīng)緯度進(jìn)行判別并提取有效熱點(diǎn)區(qū)域圖像.

(5)用戶自定義功能：通過ROI提取后切片圖像可按照用戶要求進(jìn)行其它處理，開展第三方應(yīng)用程序支持，包括偽彩色圖像處理、水體檢測、快速幾何校正等.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 FPGA-DSP計(jì)算單元物理實(shí)現(xiàn)

FPGA-DSP計(jì)算單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，單板采用VPX行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，單元機(jī)械尺寸為6U標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模塊外形尺寸為233.35×160 mm，重量<1.5 kg(含散熱結(jié)構(gòu))[20]；主要由主盒體，前蓋板，后蓋板等組成.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上在考慮滿足工藝性、連接可靠性等方面要求下，達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊、重量小、質(zhì)心低，即達(dá)到輕而剛，且強(qiáng)度滿足要求的目的，結(jié)構(gòu)采用了重量輕、剛度高、精度好的盒體式結(jié)構(gòu)型式.FPGA-DSP計(jì)算單元實(shí)物照片如圖6所示，滿足標(biāo)準(zhǔn)化單元設(shè)計(jì)，可按照系統(tǒng)要求配置不同數(shù)量.

圖6 FPGA-DSP計(jì)算單元實(shí)物照片F(xiàn)ig.6 FPGA-DSP computing unit physical photos

4.2 最小系統(tǒng)加載測試

(a)最小系統(tǒng)下FPGA加載測試

基于最小系統(tǒng)的FPGA-DSP計(jì)算單元完成相關(guān)設(shè)計(jì)后，開展了完備的功能覆蓋性測試和強(qiáng)度測試：開展FPGA1、FPGA2加載強(qiáng)度測試，計(jì)算單元上電后，默認(rèn)加載上注1區(qū)的FPGA位流，加載時(shí)長6 s，進(jìn)行了上百次測試，均滿足要求，可證明基于最小系統(tǒng)的FPGA1、FPGA2加載工作正常.同時(shí)對上注2、3、4區(qū)也進(jìn)行了同樣方法的測試，加載時(shí)長均為6 s，可滿足要求.

(b)最小系統(tǒng)下FPGA/DSP加載測試

基于最小系統(tǒng)的FPGA-DSP計(jì)算單元設(shè)計(jì)，針對24種組合關(guān)系開展測試，進(jìn)行了24種組合的互聯(lián)互通測試，結(jié)果表明：(1)系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA1、FPGA2可根據(jù)指令完成FPGA上注區(qū)選擇性實(shí)現(xiàn)FPGA加載，最小系統(tǒng)支持FPGA上注1、2、3、4區(qū)；(2)FPGA1程序合理設(shè)計(jì)，包括FPGA1程序加載成功能后默認(rèn)啟動DSP復(fù)位，復(fù)位后FPGA1按照命令，通過EMIF接口選擇性實(shí)現(xiàn)DSP加載，實(shí)現(xiàn)DSP上注1、2、3、4、5、6區(qū)；(3)最小系統(tǒng)指令+FPGA1可根據(jù)指令完成選擇性加載FPGA程序、DSP程序等，最多可支持24種組合關(guān)系.

(c)最小系統(tǒng)下參數(shù)加載測試

圖像處理等參數(shù)的上注加載功能需要最小系統(tǒng)聯(lián)合FPGA1、DSP共同實(shí)現(xiàn)，利用地面上注設(shè)備產(chǎn)生所需的各類參數(shù)(DEM參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等)數(shù)據(jù)，將參數(shù)通過RS485總線送給計(jì)算單元，計(jì)算單元按照協(xié)議將其解析后寫入FPGA1掛載的Norflash相應(yīng)位置；后續(xù)可通過控制指令操作加載圖像處理等參數(shù).

4.3 遙感影像在軌計(jì)算系統(tǒng)測試

針對圖像壓縮功能、圖像預(yù)處理功能不需要DSP配合工作，計(jì)算單元利用FPGA資源進(jìn)行操作，圖像壓縮功能程序存儲在FPGA上注1區(qū)，圖像預(yù)處理功能程序存儲在FPGA上注2區(qū).遙感影像在軌計(jì)算系統(tǒng)的計(jì)算單元按照相應(yīng)功能加載上注區(qū)FPGA位流；外部圖像發(fā)送設(shè)備模擬衛(wèi)星相機(jī)載荷數(shù)據(jù)；通過路由單元按照約定協(xié)議處理后傳輸給計(jì)算單元，計(jì)算單元接收后完成相應(yīng)功能處理，再通過路由單元存入固存單元中，路由單元從固存單元讀取后傳輸給通道適配單元；地面圖像接收設(shè)備模擬采集通道適配單元下傳數(shù)據(jù)，地面快視設(shè)備實(shí)時(shí)解析后，獲得計(jì)算系統(tǒng)處理后的壓縮或預(yù)處理圖像.經(jīng)過地面和在軌大量測試，地面解壓縮圖像無花塊；預(yù)處理圖像中云檢測功能正常，檢出率高于93%，虛警率小于1%，達(dá)到了預(yù)定效果.

針對基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測功能、基于地理位置的ROI提取功能、用戶自定義等功能，需要FPGA+DSP配合工作，選擇24種組合關(guān)系中的2種存儲FPGA、DSP程序；其中，基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測功能存儲在FPGA上注3區(qū)和DSP上注1區(qū)，基于地理位置的ROI提取功能、用戶自定義存儲在FPGA上注4區(qū)和DSP上注2區(qū).遙感影像在軌計(jì)算系統(tǒng)的計(jì)算單元按照相應(yīng)功能加載上注區(qū)FPGA位流和DSP程序，通過固存單元回放提前記錄好的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)功能處理后再記入固存單元中；最后通過計(jì)算系統(tǒng)的回放模式將在軌處理數(shù)據(jù)下傳至地面進(jìn)行統(tǒng)計(jì).經(jīng)過地面和在軌大量測試，目標(biāo)檢測率優(yōu)于95%，虛警率優(yōu)于6%，達(dá)到了預(yù)定效果.如圖7所示為基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測結(jié)果，完成了飛機(jī)檢測和艦船檢測.如圖8所示為基于地理位置的ROI提取功能、用戶自定義功能，完成了區(qū)域提取切片圖像，并基于切片圖像開展了快速幾何處理和地物提取.

圖7 基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測結(jié)果Fig.7 Based on target detection results based on deep learning

圖8 基于地理位置的ROI提取功能、用戶自定義功能結(jié)果Fig.8 ROI extraction function based on geographic location,user-defined function results

5 結(jié)束語

本文針對星載計(jì)算系統(tǒng)能力不足，基于高可靠最小系統(tǒng)和基于最小系統(tǒng)異構(gòu)計(jì)算單元，提出了一種可重構(gòu)高性能智能異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)，該異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)可支持系統(tǒng)架構(gòu)持續(xù)可演進(jìn)需求.針對敏捷小衛(wèi)星平臺的遙感影像在軌處理需求，開展基于最小系統(tǒng)FPGA-DSP計(jì)算單元設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種星載遙感影像在軌計(jì)算系統(tǒng)，完成了地面測試和在軌測試，達(dá)到了預(yù)定效果.未來，基于該異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)，通過配置更高性能FPGA邏輯、DSP多核、AI處理、存儲等資源，形成更高性能計(jì)算單元，靈活配置各種類計(jì)算單元數(shù)量和類型，滿足更高性能星載計(jì)算系統(tǒng)功能和性能需求，可為未來衛(wèi)星高性能計(jì)算系統(tǒng)提供有益參考.