李佳洋

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所, 成都 610036)

基于TMS320C6678DSP多核編程的SPECAN成像處理算法實(shí)現(xiàn)*

李佳洋

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所, 成都 610036)

介紹了SPECAN(SPECtral analysis)SAR成像算法基于2片TMS320C6678的工程實(shí)現(xiàn)。文中對(duì)SPECAN SAR成像算法原理做了簡(jiǎn)單介紹,對(duì)算法工程化實(shí)現(xiàn)進(jìn)行重點(diǎn)描述,著重對(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中DSP多核間同步、2片DSP間的同步、多核多通道EDMA傳輸以及大數(shù)據(jù)量存取及解決措施進(jìn)行了介紹,并給出了工程實(shí)現(xiàn)結(jié)果。與其他幾種成像算法工程化比較,通過(guò)結(jié)論可知對(duì)于成像精度要求不高,但要求快速實(shí)時(shí)處理時(shí),SPECAN算法為最理想的工程化實(shí)現(xiàn)成像算法。

SPECAN成像處理算法;TMS320C6678;多核編程

0 引言

SAR在環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害檢測(cè)、資源勘察、地質(zhì)測(cè)繪等方面有著廣泛的應(yīng)用[1]。目前主要的SAR成像算法有距離多普勒(RD)算法、Chirp-Scaling(CS)算法、距離徙動(dòng)算法(RMA)、反投影(BP)算法以及頻譜分析(SPECAN)算法等。相對(duì)于其他成像算法,SPECAN算法具有運(yùn)算量小、所需內(nèi)存較少的特點(diǎn),更適合快速實(shí)時(shí)處理。

TI公司生產(chǎn)的8核高性能DSP芯片TMS320C6678具有運(yùn)算資源豐富,高速總線接口類(lèi)型多樣化等特點(diǎn)。文中著重介紹了基于2片TMS320C6678的SPECAN算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的工程化處理,以達(dá)到算法精度以及實(shí)時(shí)性最優(yōu)的目的。

1 SPECAN算法流程

SPECAN算法原理如圖1所示。

1.1 距離向脈沖壓縮及有效區(qū)域計(jì)算

距離向脈沖壓縮在頻域進(jìn)行,即將距離線回波在頻域乘以參考函數(shù),再變換到時(shí)域。距離壓縮完成后,還需進(jìn)行軌跡相位粗補(bǔ)償?shù)玫骄嚯x向脈壓結(jié)果。軌跡補(bǔ)償?shù)南辔粸?

θCOM=4·(RS-Rideal)/λ

(1)

式中:RS為由慣導(dǎo)信息計(jì)算的平臺(tái)真實(shí)軌跡的半徑;Rideal為平臺(tái)理想直線運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑。

(2)

式中:Rmid為真實(shí)軌跡RS在孔徑中心時(shí)刻的值;V為平臺(tái)子孔徑平均速度;θ為子孔徑中心時(shí)刻前斜角;λ為波長(zhǎng);ta為慢時(shí)間。

1.2FDC時(shí)域估計(jì)

時(shí)域相關(guān)法估計(jì)多普勒中心頻率為:

(3)

(4)

式中:v為平臺(tái)速度;θ為子孔徑中心時(shí)刻前斜角。獲得fdc后,為避免基帶部分估計(jì)時(shí)的纏繞,還需對(duì)fdc進(jìn)行修正,對(duì)修正后的fdc進(jìn)行二次曲線擬合,即完成fdc估計(jì)。最后對(duì)修正后的fdc進(jìn)行二次曲線擬合得到最終結(jié)果。

1.3 距離走動(dòng)校正

1.4FDR估計(jì)

1.5 方位向去斜處理

方位向去斜處理如下:將方位信號(hào)與方位匹配函數(shù)(加窗后)相乘,并作FFT,就完成了方位向處理。

1.6 地距中心計(jì)算

可以通過(guò)平臺(tái)的坐標(biāo)、速度以及斜距圖像有效區(qū)域中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的斜距Rco和多普勒頻率為fdco計(jì)算出地距中心點(diǎn)的坐標(biāo)。

1.7 幾何校正

幾何校正將斜距圖轉(zhuǎn)換成地距圖。其具體算法為根據(jù)地距中心,以3 m間隔布置網(wǎng)格點(diǎn),對(duì)于任意網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,y,0),計(jì)算其斜距和多普勒頻率為:

(5)

此地距點(diǎn)對(duì)應(yīng)的斜距圖的行數(shù)m和列數(shù)n分別為:

(6)

(7)

式中:Rmin為最小采樣距離;fs為采樣率;fdc為第m行的多普勒中心頻率;Nfft為方位向的點(diǎn)數(shù)。斜距圖上第m行第n列的數(shù)值就是該地距點(diǎn)的值。

1.8 圖像拼接

圖像拼接將子孔徑處理獲得的地距小圖拼接成為一幅地距大圖。其原理為根據(jù)每幅子圖的中心點(diǎn)坐標(biāo)、圖像大小和像素間隔確定每幅子圖像在東北天坐標(biāo)系下的覆蓋范圍。其中地距小圖和地距大圖覆蓋范圍的重合區(qū)域?yàn)槠唇訁^(qū)域。根據(jù)每幅子圖與大圖的拼接區(qū)域依次進(jìn)行拼接。

2 SPECAN算法在基于TMS320C6678DSP平臺(tái)的工程實(shí)現(xiàn)

2.1 TMS320C6678芯片簡(jiǎn)介

TMS320C6678是TI公司基于KeyStone多核結(jié)構(gòu)的最高性能DSP,其主要特點(diǎn)[2]如下:

1)集成8個(gè)C66x內(nèi)核,每個(gè)核主頻可工作在1.25 GHz。

2)能夠進(jìn)行定浮點(diǎn)運(yùn)算。

3)存儲(chǔ)資源豐富,每個(gè)核都有獨(dú)立的L1和L2緩存,并且8核共享4 MB內(nèi)存空間,還可外掛64 bit 2 GB的DDR3外部緩存。

4)高速總線資源豐富,包括SRIO、PCIE、千兆以太網(wǎng)、Hyperlink等高速接口。

2.2 SPECAN算法基于TMS320C6678的工程實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目采用5個(gè)子孔徑成像拼接的方法實(shí)現(xiàn)SAR成像處理,算法基于2片C6678的流程如圖2所示。如圖2所示,兩片DSP并行工作,執(zhí)行相同的子孔徑處理算法,不同點(diǎn)在于DSP1處理3幅子孔徑圖像并將處理后數(shù)據(jù)通過(guò)Hyperlink傳輸給DSP2,DPS2負(fù)責(zé)2幅子孔徑成像和5幅子圖像的拼接。在DSP內(nèi)部對(duì)DDR3里的數(shù)據(jù)搬移時(shí)采用EDMA3進(jìn)行傳輸。

2.2.1 多核編程方法

C6678多核編程主要采用以下兩種方式:

1)每個(gè)核建立一個(gè)獨(dú)立的工程,多個(gè)核需要建立多個(gè)工程。

2)8個(gè)核共享一個(gè)工程,即在一個(gè)工程下實(shí)現(xiàn)多核編程。

根據(jù)圖,文中軟件流程采用并行處理方式實(shí)現(xiàn),因此采用方法2)在一個(gè)軟件流程中實(shí)現(xiàn)多核編程。要在一個(gè)工程中進(jìn)行多核并行運(yùn)算,首先要能夠區(qū)分多核,以便于一個(gè)算法流程能夠拆分成多份,這樣可極大的提高算法效率。區(qū)分多核通過(guò)獲取每核ID來(lái)進(jìn)行判斷,獲取核ID主要有兩種方法,一種是利用TI提供的pdk_C6678庫(kù)中的platform_get_coreid()函數(shù)來(lái)獲取其當(dāng)前核ID號(hào),另一種為每核讀取自身DNUM寄存器信息來(lái)獲取其核ID。

2.2.2 核間通信與變量共享

多核并行運(yùn)算還需要多核間的通信來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互調(diào)配。本項(xiàng)目使用多核共享變量(共享變量的存儲(chǔ)空間為MSMC)來(lái)進(jìn)行多核間的通信。由于C6678每個(gè)核擁有獨(dú)立的Cache,可能導(dǎo)致多核在存取共享變量時(shí)存在Cache一致性問(wèn)題,例如多核對(duì)儲(chǔ)存在MSMC中的共享變量flag進(jìn)行讀寫(xiě),當(dāng)多核在第一次讀取flag變量后,flag的信息將會(huì)保存在每核獨(dú)立的Cache中。如果之后某核要改寫(xiě)flag變量,由于采用了Cache機(jī)制,該核只是修改了自身Cache中的flag信息,而不會(huì)更新MSMC中的值,當(dāng)其他核再次讀flag時(shí)讀取的還是原來(lái)的數(shù)據(jù)。

采用以下方法可解決多核變量共享時(shí)的Cache一致性問(wèn)題[3]:當(dāng)某個(gè)核要改寫(xiě)一個(gè)多核共享變量時(shí),可利用CACHE_wbL1d()函數(shù)將自身L1D Cache中該變量的值立刻寫(xiě)回到MSMC中;當(dāng)多核要讀取一個(gè)更新了的共享變量時(shí),可利用CACHE_invL1d()函數(shù)將L1D Cache中該變量的值設(shè)置為無(wú)效,這樣就能保證讀取到MSMC中的最新變量,而不是Cache中可能已過(guò)期的變量。

雖然多個(gè)核同時(shí)訪問(wèn)共享內(nèi)存時(shí)可能會(huì)發(fā)生沖突,但總線協(xié)議會(huì)解決這些沖突?？偩€會(huì)自動(dòng)根據(jù)各個(gè)核訪問(wèn)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行沖突解決,同時(shí)也有一定機(jī)制防止優(yōu)先級(jí)的訪問(wèn)永遠(yuǎn)被暫停。因此設(shè)計(jì)者在多核同步編程中無(wú)需再擔(dān)心C6678硬件層面上的實(shí)現(xiàn),只需從軟件層面進(jìn)行解決。

2.2.3 多核多通道EDMA傳輸

算法流程中每一個(gè)算法模塊都需要和DSP的DDR3外存進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交互。與DDR3的數(shù)據(jù)交互有兩種方式,一種利用CPU的函數(shù)memcpy()進(jìn)行多核同時(shí)傳數(shù),這種方式使用簡(jiǎn)單,但會(huì)占用大量的CPU資源,嚴(yán)重影響算法的實(shí)時(shí)性能;另一種方式是利用EDMA進(jìn)行傳輸,EDMA是獨(dú)立于CPU的增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取,具有后臺(tái)批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。

文中算法流程為8核并行運(yùn)算,軟件實(shí)現(xiàn)中多處涉及多核同時(shí)對(duì)DDR3進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)TMS320C6678的8核同時(shí)進(jìn)行EDMA傳輸時(shí)需要每核對(duì)EDMA進(jìn)行資源分配[4],否則就會(huì)出現(xiàn)總線沖突,造成只有0核能夠成功傳數(shù)。C6678有3個(gè)EDMA3,分別有16個(gè)和64個(gè)獨(dú)立通道。這3個(gè)EDMA3通過(guò)設(shè)置instNum進(jìn)行控制。多核EDMA資源分配要求每個(gè)核對(duì)應(yīng)的EDMA的通道、通道寄存器、RAM參數(shù)(PaRAM)以及IPR/IPRH相互獨(dú)立。對(duì)于EDMA通道,要求8個(gè)核EDMA同時(shí)傳輸時(shí)每個(gè)核所用的EDMA通道是相互獨(dú)立的。在單核EDMA傳輸時(shí)通道寄存器一般用配置比較簡(jiǎn)單的全局寄存器CSL_EDMA3_REGION_GLOBAL,但在多核EDMA傳輸時(shí)每個(gè)核需要配置當(dāng)前核所對(duì)應(yīng)的影射寄存器CSL_EDMA3_REGION_n,其中n=0～7。PaRAM最大可以設(shè)置511個(gè),每一個(gè)PaRAM的內(nèi)容都是相同的。因此在多核EDMA傳輸時(shí)每一個(gè)通道要對(duì)應(yīng)不同的PaRAM。IPR/IPRH為一個(gè)64 bit的中斷寄存器,每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)EDMA通道,作用為檢測(cè)當(dāng)前通道的傳輸完成狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)中斷傳輸完成碼TCC被EDMA3CC(EDMA3 Channel Controller)檢測(cè)到時(shí),Interrupt Pending Register相應(yīng)位置1,其中TCC=n,n為當(dāng)前EDMA使用的通道號(hào)。

將上述EDMA資源對(duì)于多核進(jìn)行分配,就能完成多核EDMA3的數(shù)據(jù)傳輸。EDMA3多核多通道傳輸極大的提高了算法的效率,在實(shí)驗(yàn)中一個(gè)1 024×8 192點(diǎn)回波的子孔徑成像如果用CPU傳數(shù)要比EDMA傳數(shù)耗時(shí)大約200 ms。

2.2.4 Hyperlink傳輸

Hyperlink是C6678內(nèi)部集成的用于CBA(common bus architecture)擴(kuò)展的高速接口,支持兩個(gè)集成Hyperlink接口設(shè)備的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連[5]。Hyperlink數(shù)據(jù)傳輸包含3個(gè)步驟:

1)hyplnkExampleSysSetup();

2)hyplnkExamplePeriphSetup();

3)hyplnkExampleAddrMap (&dataBuffer,(void **)&bufferThroughHypLnk)。

其中前兩項(xiàng)是對(duì)外圍設(shè)備以及系統(tǒng)的初始化,第三個(gè)步驟為建立Hyperlink的地址映射。在地址映射中如果數(shù)據(jù)太大需要將dataBuffer的地址映射到4 MB的MSMC或DDR3的空間中。以MSMC空間為例,就需要在配置dataBuffer的地址時(shí)選擇.far:remoteable,并在CMD文件中將.far配置到MSMC空間中去。

3 成像結(jié)果

SPECAN算法的處理時(shí)間主要集中在FFT浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算、大數(shù)據(jù)傳輸及緩存、多核同步以及2片DSP同步等問(wèn)題上,經(jīng)過(guò)工程優(yōu)化處理后,在不降低圖像精度指標(biāo)的情況下,整個(gè)算法的處理時(shí)間優(yōu)化為原來(lái)的三分之一。圖3為5個(gè)子孔徑成像結(jié)果,圖4為大圖拼接的結(jié)果。

SPECAN算法運(yùn)算量小,所需內(nèi)存較少。表1對(duì)SPECAN算法與其他幾種成像算法的成像精度、適用斜視角度范圍和計(jì)算效率進(jìn)行了比較。

表1 幾種SAR成像算法比較

綜合分析以上幾種算法可知,對(duì)于成像精度要求不高,但要求快速實(shí)時(shí)處理時(shí),SPECAN算法為最理想的成像算法。

4 總結(jié)

文中研究了基于TMS320C6678實(shí)現(xiàn)SPECAN算法的工程化處理。由于篇幅的限制,文中并沒(méi)有再對(duì)Rapid IO串口、網(wǎng)口通信以及代碼優(yōu)化等內(nèi)容做重點(diǎn)的介紹。

[1] CUMMING I G, WONG F H. 合成孔徑雷達(dá)成像：算法與實(shí)現(xiàn) [M]. 洪文, 胡東輝, 譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007: 10-21.

[2] Texas Instruments. TMS320C6678 Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal Processor： Data Manual[A]. Dallas：Texas Instruments, 2010: 4-56.

[3] Texas Instruments. TMS320C66x DSP Cache User Guide[A]. Dallas: Texas Instruments, 2010: 28-45.

[4] Texas Instruments. Enhanced Direct Memory Access (EDMA3) Controller User Guide[A]. Dallas：Texas Instruments, 2010: 15-30.

[5] Texas Instruments. Key Stone Architecture Hyperlink[A]. Dallas：Texas Instruments, 2010: 24-36.

ImplementationofSPECANImagingProcessingAlgorithmBasedonTMS320C6678DSPMulticoreProgramming

LI Jiayang

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

Introduced the (SPECtral Analysis) SAR imaging algorithm based on the two TMS320C6678 project. In this paper, the principle of (Analysis SAR) SPECtral imaging algorithm is briefly introduced, focus on the description of the algorithm of implementation of the project, focusing on the implementation process of DSP multi-core synchronization, synchronization between 2 pieces of DSP, multi core and multi channel EDMA transmission and a large amount of data access and the solving measures are introduced, and gives the implementation results. Compared with other imaging algorithms, it can be concluded that the SPECAN algorithm is the most ideal project to realize the imaging algorithm in the fast and real time processing.

SPECAN imaging processing algorithm; TMS320C6678; multicore programming

TN958.3

A

2016-05-05

李佳洋(1984-),男,四川成都人,工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理以及雷達(dá)信號(hào)偵察處理。