張利平

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

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多核DSP的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺設(shè)計

張利平

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺是雷達(dá)的重要組成部分,在現(xiàn)代雷達(dá)中通常用來分析和融合雷達(dá)信號處理回傳的目標(biāo)信息,通過一系列復(fù)雜計算,將處理后的目標(biāo)信息送給雷達(dá)綜顯進(jìn)行顯示。給出了以TMS320C6678為核心構(gòu)建硬件平臺的設(shè)計方案。通過實際測試,驗證了平臺的性能和工作的正確性。

雷達(dá);數(shù)據(jù)處理平臺;嵌入式多核;TMS320C6678

0 引 言

現(xiàn)代雷達(dá)已經(jīng)被賦予了新的作戰(zhàn)使命,不再單純地作為目標(biāo)探測的工具。在雷達(dá)的衍生應(yīng)用中,需要處理雷達(dá)二次信息,如速度、航跡、機型、敵我屬性、空情態(tài)勢及各種人機交互信息[1]。在某些特定的雷達(dá)應(yīng)用中,可能還需要顯示數(shù)字地圖或雷達(dá)SAR圖像。要實現(xiàn)這些功能,就需要數(shù)據(jù)處理平臺對大量的回波信息進(jìn)行復(fù)雜算法分析,并送出處理結(jié)果。TI公司推出的高性能多核DSP芯片TMS320C6678,可以構(gòu)建現(xiàn)代雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理平臺,其優(yōu)異的性能滿足現(xiàn)代雷達(dá)的大型數(shù)據(jù)處理算法搭建要求。該平臺多核并行處理的優(yōu)勢也可以擴展到如雷達(dá)組網(wǎng)、信號處理、大型數(shù)據(jù)鏈等多種應(yīng)用,具有廣闊的市場前景。

1 TMS320C6678芯片介紹

TMS320C6678是TI公司推出的高性能8核DSP芯片,采用了KeyStone架構(gòu),支持定點和浮點運算。其優(yōu)勢是片內(nèi)整合了豐富的協(xié)處理器、高性能I/O和大量的運算資源,內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[2]。

由圖1可知,TMS320C6678是一個高度集成的多核DSP芯片,并且還具有以下特點[3-4]:

(1) 芯片集成8核DSP處理器,單核最高頻率達(dá)1.25 GHz;

(2) 采用KeyStone高性能架構(gòu)體系,將協(xié)處理器和I/O均融合到DSP核中,增強了芯片的擴展性和適應(yīng)性;

(3) 增強型C66x內(nèi)核,融合定點和浮點處理能力;

圖1 TMS320C6678的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(4) 具備Semaphore硬件仲裁模塊和資源共享機制,有利于多核協(xié)調(diào)訪問共享資源,降低數(shù)據(jù)讀寫沖突的可能性;

(5) 豐富的外部接口功能,通過擴展后可以適應(yīng)不同的接口需求。

2 平臺的硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理平臺系統(tǒng)搭建框圖

考慮到后續(xù)模塊的通用性和擴展性,將數(shù)據(jù)處理平臺設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)XMC結(jié)構(gòu),即通過最小系統(tǒng)的構(gòu)建方式引出所有外部的接口,方便后續(xù)大系統(tǒng)的自由搭建。數(shù)據(jù)處理平臺的硬件設(shè)計部分主要包括電源模塊、內(nèi)存模塊、網(wǎng)絡(luò)和存儲模塊、時序配置模塊等。

2.1 電源模塊

電源處理是決定硬件平臺是否穩(wěn)定的重要因素之一。XMC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)可以給模塊提供+3.3V和+5V的電壓,因此數(shù)據(jù)處理平臺所需的其余電源均由電源轉(zhuǎn)換芯片提供。為實現(xiàn)相關(guān)硬件功能,數(shù)據(jù)處理平臺還需要+2.5V、+1.8V、+1.5V、+1V和+0.75V等5種電源。各電源分配如表1所示[6]。

表1 數(shù)據(jù)處理平臺電源分配表

TMS320C6678啟動時對各電源的上電時序有嚴(yán)格要求。因此,將各電源的輸出穩(wěn)定信號和輸入使能信號接入CPLD進(jìn)行控制,保證上電后DSP能正常工作。上電時序如圖3所示。

2.2 內(nèi)存模塊

DDR3即第3代雙倍數(shù)據(jù)率同步動態(tài)隨機存取存儲器,是電子設(shè)備工程聯(lián)合委員會開發(fā)的新一代內(nèi)存技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),其I/O總線時鐘頻率范圍為800～2400 MHz。

圖3 上電時序示意圖

相較于DDR2標(biāo)準(zhǔn),DDR3在功耗、工作頻率和穩(wěn)定性等方面都有較大的提高。在本次設(shè)計中,采用四片美光公司的512M內(nèi)存,通過級聯(lián)的方式,提供總共2G的系統(tǒng)存儲容量。內(nèi)存模塊連接拓?fù)鋱D如圖4所示[5]。

圖4 內(nèi)存模塊連接拓?fù)鋱D

DDR3總線數(shù)據(jù)傳輸速率很高,傳輸電平低,易受到外界信號干擾,因此在設(shè)計時需嚴(yán)格遵循其布局、布線規(guī)則,保證信號傳輸質(zhì)量。本次設(shè)計的布線規(guī)則如表2所示。數(shù)據(jù)組布線示意圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)組布線示意圖

表2 DDR3總線布線規(guī)則

在DDR3應(yīng)用中,需要將控制線上拉電阻到VTT,防止信號線終端產(chǎn)生反射。在本次設(shè)計中,考慮到印制板設(shè)計時可能產(chǎn)生的容差,將控制、命令和地址類信號進(jìn)行RT端接(即上拉到VTT),確保信號完整性。

2.3 網(wǎng)絡(luò)和存儲模塊

TMS320C6678 DSP芯片自帶網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器,支持2個物理網(wǎng)口擴展,增強了使用的靈活性。結(jié)合MARVELL的外圍物理層控制芯片88E1111,可以搭建完整的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)。

88E1111自帶SGMII接口,與DSP互聯(lián)時無需增加額外的驅(qū)動芯片。在本設(shè)計中,將88E1111的配置引腳接入CPLD進(jìn)行控制,既節(jié)約了配置電阻的布板面積又方便了配置。88E1111需要提供一個20 MHz的時鐘輸入,因此在外部接入一個晶體。需要注意的是,與DSP互聯(lián)的數(shù)據(jù)收發(fā)差分對,需要在接收端端接一個100 nF的電容,隔離直流分量進(jìn)行AC耦合。

考慮到數(shù)據(jù)處理平臺在不同雷達(dá)平臺中的功能擴展,在存儲模塊中同時使用了

NOR FLASH和NAND FLASH。NOR FLASH的容量較小,可以用來存儲系統(tǒng)啟動程序和部分小容量參數(shù)信息。NAND FLASH容量較大,可以存儲大量的系統(tǒng)參數(shù)信息并實時記錄試驗數(shù)據(jù)[7]。

2.4 時序配置模塊

在數(shù)據(jù)處理平臺中,采用XILINX公司COOLRUNNER系列的CPLD:XC2C256-7FT256I,來做系統(tǒng)啟動的配置和各I/O接口的轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)各種時序配置功能。該款CPLD包含4個BANK,每個BANK均可以獨立配置I/O電壓。由于TMS320C6678的I/O端口電壓為1.8 V,其余芯片I/O端口電壓為3.3 V,將BANK1和BANK3設(shè)定為3.3 V輸出,BANK2和BANK4為1.8 V輸出,這樣就省掉了由于電壓不一致而必須添加的驅(qū)動芯片,節(jié)約了布板面積,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。CPLD模塊的連接框圖如6所示。

圖6 CPLD模塊連接框圖

3 軟件設(shè)計

TMS320C6678的8個內(nèi)核相互獨立。因此,當(dāng)在進(jìn)行軟件開發(fā)時,為了最大限度地發(fā)揮其多核的效能,需要運用到核間同步的機制。核間同步的方式主要有以下4種[8]:

(1) 變量監(jiān)聽模式:在軟件中通過監(jiān)測volatile類型的變量變化情況,實現(xiàn)多核同步;

(2) 中斷模式:多核之間通過中斷的方式,實現(xiàn)同步;

(3) 事件通知模式:基于SYS/BIOS的多核同步通信模式;

(4) 消息傳遞模式:通過消息隊列的方式,在傳遞同步信息的同時,可以傳遞少量參數(shù)信息。

4種同步方式各有優(yōu)劣,表3從幾個方面進(jìn)行了比較。

表3 核間同步模式分析表模式SYS/BIOS

3.2 多核DSP軟件開發(fā)框架搭建

許諾向丁小慧坦白，自己是在結(jié)婚之后，才明白婚姻的真正價值，不是花好月圓時的錦上添花，而是他走在人生的陰暗面時，有她的扶持，當(dāng)他寂寞的時候，有她愿意陪著他無所事事。是她對他的好，讓他想變得更好，也讓他愛上了她。

在多核DSP軟件開發(fā)過程中,最重要的是均衡各核之間的任務(wù)量,即通過合理的軟件框架劃分,最大限度地發(fā)揮8核的并行處理效能,以便用最短時間完成數(shù)據(jù)處理工作。雷達(dá)的設(shè)計思路不一樣,相同的數(shù)據(jù)處理算法需遵循的開發(fā)架構(gòu)也不一致,并沒有固定的映射關(guān)系。以下主要通過分析兩種常用的軟件框架介紹搭建軟件框架的思路。

3.2.1 數(shù)據(jù)流框架

數(shù)據(jù)流框架即是流水線模式,是通過對算法處理流程的劃分讓每個核依次執(zhí)行固定任務(wù),最后一個核輸出處理結(jié)果的形式。使用這種框架,內(nèi)核之間對數(shù)據(jù)的處理是有先后順序的,必須等前一個核處理完數(shù)據(jù)下一個核才能開始工作。使用數(shù)據(jù)流框架的關(guān)鍵在于算法處理時間的均勻劃分。不合適的劃分會導(dǎo)致某一個核數(shù)據(jù)處理時間過長,最終影響雷達(dá)系統(tǒng)的性能。當(dāng)數(shù)據(jù)充滿流水線順序執(zhí)行時,總體任務(wù)執(zhí)行性能會得到較大提升。數(shù)據(jù)流框架處理流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)流框架處理流程圖

3.2.2 主從框架

主從框架即是使用其中一個核進(jìn)行集中控制,創(chuàng)建多線程,將任務(wù)分流給其余核執(zhí)行的過程。使用主從框架,必須有操作系統(tǒng)支持。這種方式對簡單任務(wù)是適用的。當(dāng)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時,難點在于如何均衡各從核之間的任務(wù)執(zhí)行效率。只有能保證負(fù)載均衡和共享資源能夠及時使用,才能實現(xiàn)整個軟件的并行工作。

主從框架處理流程如圖8所示。

圖8 主從框架處理流程圖

4 結(jié)果與分析

4.1 數(shù)據(jù)吞吐速率測試

在雷達(dá)的SAR圖像處理過程中,需要在DSP和存儲器之間進(jìn)行大數(shù)據(jù)的交互。數(shù)據(jù)吞吐的時間損耗即是一個關(guān)鍵指標(biāo)。因此,著重對平臺大數(shù)據(jù)搬移時間進(jìn)行了測試,使用SRIO高速傳輸接口。測試結(jié)果如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)傳輸速率測試表

在測試過程中發(fā)現(xiàn),負(fù)載數(shù)據(jù)越小,傳輸?shù)乃俾试铰６嗪酥g的LL2數(shù)據(jù)傳輸速率明顯高于與外部DDR3的數(shù)據(jù)交互。因此,在實際軟件設(shè)計過程中,頻繁使用的數(shù)據(jù)應(yīng)盡量在LL2之間進(jìn)行交互,并盡量減少小塊數(shù)據(jù)的傳輸,提高雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時處理能力。

4.2 功耗測試

在8核滿負(fù)荷工作時,數(shù)據(jù)處理平臺平均功耗約為15 W。通過外接散熱片方式,傳導(dǎo)散熱,即可正常工作。

5 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的飛速發(fā)展,多核DSP的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺也將成為發(fā)展趨勢。本文介紹的即是其中一種應(yīng)用于雷達(dá)設(shè)備中的多核DSP數(shù)據(jù)處理平臺的設(shè)計方法。該平臺以TI公司的多核DSP處理器TMS320C6678為核心,具有高性能、可擴展和低功耗等優(yōu)點。此數(shù)據(jù)處理平臺已經(jīng)成功應(yīng)用于某型號雷達(dá)設(shè)備中。本系統(tǒng)的研制成功也為開發(fā)下一代的雷達(dá)多核數(shù)據(jù)處理平臺的研究提供了借鑒。

[1] 西北電訊工程學(xué)院《雷達(dá)系統(tǒng)》編寫組.雷達(dá)系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1980:64.

[2] Texas Instruments.TMS320C6678 Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal Processor[M].Texas,U.S.A,2012:11-63,92-208.

[3] Texas Instruments.C66x CPU and Instruction Set Reference Guide[M].Texas,U.S.A,2012:14-20.

[4] David Bell,Greg Wood.Multicore Programing Guide[M].Texas,U.S.A,2012:11-43.

[5] Micron Technology.1GB_DDR3_X4X8X16_D1[M].DDR3 SDRAM,2010:1-10.

[6] Texas Instruments.TMS320C6000 Optimizing Compiler v7.4 Users Guide[M].Texas,U.S.A,2012:11-27.

[7] Texas Instruments.KeyStone Architecture Gigabit Ethernet(GbE) Switch Subsystem User Guide[M].Texas,U.S.A,2013:20-34.

[8] 蘇保禹.基于TI-C6678的多核DSP圖像處理系統(tǒng)研究[D].中國科學(xué)院研究生院(光電技術(shù)研究所)碩士學(xué)位論文,2014:41-53.

Design of radar data processing platform with multicore DSP

ZHANG Li-ping

(China Southwest Research Institute of Electronics Technology, Chengdu 610036)

The radar data processing platform, as an important part of the radar, is generally used to analyze and fuse the target information sent back from the radar signal processor in modern radars. The target information processed is sent to the terminal display console for display after a series of complicated calculation. The design scheme of building the hardware platform is given with the TMS320C6678 as the core. The performance of the platform and the correctness of the work are verified through the actual test.

radar; data processing platform; embedded multicore; TMS320C6678

2016-09-10;

2016-10-03

張利平(1982-),男,工程師,研究方向:各種嵌入式平臺的開發(fā)和顯示系統(tǒng)的研究。

TN957.52

A

1009-0401(2016)04-0032-05