朱金慧，狄中泉，王增利

（1.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，西昌615000；2.零八一電子集團有限公司，成都611731）

一種基于FPGA的雷達導航系統(tǒng)數(shù)據(jù)高效管理與檢索方法

朱金慧1，狄中泉2，王增利1

（1.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，西昌615000；2.零八一電子集團有限公司，成都611731）

傳統(tǒng)導航雷達信號采集回放系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)構(gòu)建和管理?；诓僮飨到y(tǒng)，不能滿足高帶寬數(shù)據(jù)的實時存儲與回放。針對此問題，提出了一種基于FPGA的兩級文件管理與檢索方法，第一級根據(jù)文件信息粗略地定位到文件，第二級根據(jù)B碼時間等信息定位到具體數(shù)據(jù)包。利用FPGA的并行處理特性完成信息系統(tǒng)建立、文件系統(tǒng)建立和數(shù)據(jù)檢索，實現(xiàn)了高速海量數(shù)據(jù)的高效管理與檢索。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方式相比，本文所述的數(shù)據(jù)管理與檢索方式占用存儲空間小，邏輯簡單，易于硬件實現(xiàn)。

文件管理；檢索；數(shù)據(jù)定位

0 引言

隨著導航雷達信號帶寬和中頻頻率的提高，雷達信號采集回放設備所需的存儲、傳輸帶寬也大幅增加。面對越來越龐大的數(shù)據(jù)量，在高速數(shù)據(jù)信息存儲、回放系統(tǒng)中，必須采用高性能的記錄管理機制，這個機制需要具備如下特征：

1）效率高；

2）邏輯簡單，利于硬件實現(xiàn)；

3）便于建立與檢索；

4）占用存儲空間??；

5）檢索信息可擴展。

傳統(tǒng)信號采集回放系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢索采用CPU軟件檢索方式，檢索速度慢；而且，CPU檢索常基于操作系統(tǒng)下的文件格式，文件索引系統(tǒng)占用空間較大，導致高帶寬數(shù)據(jù)存儲、回放時，尋址較慢，制約了存取速度。針對此問題，本文通過采用兩級檢索方式，利用FPGA建立小巧的文件管理系統(tǒng)，借助FPGA并行處理特性，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效存儲與檢索。

1 海量數(shù)據(jù)高效管理與檢索思想

利用基于FPGA的并行架構(gòu)，使文件管理、存儲和回放等模塊并行運行并有機結(jié)合，同時配合模塊間的層次結(jié)構(gòu)，逐層將任務細分為簡單硬件操作。

存儲管理模塊作為主模塊，控制存儲和回放模塊按規(guī)則動作，數(shù)據(jù)的存儲和回放基于指令配合塊讀寫操作。

數(shù)據(jù)存儲過程中，存儲管理模塊負責不斷分配空地址塊給存儲模塊。同時，記錄相關地址塊配套檢索信息（例如B碼時間等），記錄管理模塊將地址塊信息和檢索信息一同記錄到記錄管理子系統(tǒng)的存儲器中，形成類似FAT表的記錄管理文件。存儲子模塊接收到記錄管理模塊的指令后，根據(jù)起始地址，將有效數(shù)據(jù)按照塊大小寫入地址塊中；同時接收新的指令準備下一個塊的操作。

數(shù)據(jù)回放過程中，用戶通過主機界面檢索記錄管理模塊建立的記錄管理文件，用戶只需要設定相關檢索關鍵信息，檢索模塊則根據(jù)檢索關鍵信息檢索記錄管理文件。由于記錄管理文件相對于實際的數(shù)據(jù)體要小巧得多，同時記錄檢索模塊基于FPGA的硬件，檢索效率遠勝于CPU，可以快速地實現(xiàn)信息檢索。當檢測到相關信息之后，記錄管理模塊返回相關起始地址塊信息，主機即可通過下達相關回放指令，將滿足檢索條件的數(shù)據(jù)讀取、回放。

回放模塊帶有第二級信息檢索模塊，這一層模塊負責對有效數(shù)據(jù)內(nèi)的信息進行檢索，可以從有效數(shù)據(jù)中檢索到相關數(shù)據(jù)包頭等信息，進行更精確地檢索與回放操作。

通過上述兩級數(shù)據(jù)檢索功能，通過FPGA可以實現(xiàn)高效高精準的信息檢索功能。

2 海量數(shù)據(jù)高效管理與檢索系統(tǒng)架構(gòu)

針對上述思想，通過建立3套系統(tǒng)，有效保證數(shù)據(jù)高效檢索。

2.1 信息系統(tǒng)建立

信息系統(tǒng)建立作為數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)的基礎，為后續(xù)數(shù)據(jù)文件建立以及數(shù)據(jù)檢索，提供了有效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)高效的文件系統(tǒng)建立與定位。同時，數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)必須能夠滿足適應CPU主機檢索以及FPGA硬件檢索雙重特性的檢索能力。由于CPU主機一般是基于X86架構(gòu)的，它具有復雜、靈活但低效率的特點；FPGA硬件系統(tǒng)，具備了高效快速但算法必須簡單的特點。為了實現(xiàn)最終的數(shù)據(jù)檢索技術并結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)處理模塊處理能力的特點，信息系統(tǒng)建立必須具備如下特點：

1）兼顧CPU與FPGA處理特點；

2）能夠快速實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量檢索；

3）數(shù)據(jù)檢索定位精度高；

4）占用有效數(shù)據(jù)空間??；

5）檢索條件可擴展，可更換，可升級。

針對上述要求，可建立一套信息系統(tǒng)，為實現(xiàn)上述目標提供第一層保障，信息系統(tǒng)建立流程圖如圖1所示。

圖1 信息系統(tǒng)建立流程圖Fig.1 Diagram of file system creation

如圖1所示，信息系統(tǒng)建立流程分為3個重要步驟。第一步，必須保證模擬采樣數(shù)據(jù)在時域上處于同步狀態(tài)。隨后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，需進行針對B碼時間信息的數(shù)據(jù)檢索。實際應用中，檢索信息可以是任意數(shù)據(jù)編碼，系統(tǒng)并不會理解翻譯信息檢索內(nèi)容含義，它只會與二進制代碼比較，只要保證需要檢索的內(nèi)容在整個記錄文件信息中是唯一的，就可以保證檢索的準確性與唯一性。為實現(xiàn)上述目標，需要將有效檢索信息（此處為B碼時間信息）準確無誤地添加到高速通道采樣數(shù)據(jù)流中。FPGA內(nèi)部必須具備一套嚴格時鐘控制的邏輯，以便接收到PRT觸發(fā)信號后，在PRT有效數(shù)據(jù)前，添加包含有效檢索信息的標準PRT數(shù)據(jù)包頭數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)流內(nèi)，數(shù)據(jù)包生成模塊打入了標準時間戳，此PRT數(shù)據(jù)包時間戳，為系統(tǒng)提供了簡單高效的檢索方式，使得D/A回放模塊中，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的PRT精度回放檢索控制。

具備了標準數(shù)據(jù)流之后，數(shù)據(jù)流被發(fā)送到存儲控制管理系統(tǒng)，在FPGA中建立文件檢索。由于保存所有數(shù)據(jù)包的B碼時間，一方面給文件系統(tǒng)帶來龐大的處理壓力，另一方面將額外占用大量的數(shù)據(jù)存儲空間，造成浪費。針對這一問題，可采取數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊管理機制，只保存文件塊內(nèi)第一個PRT數(shù)據(jù)包B碼時間與最后一個PRT數(shù)據(jù)包的B碼時間；由于B碼時間是單調(diào)變化的，同時它的數(shù)據(jù)量已經(jīng)極度降低（實際比率為文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊大小比PRT數(shù)據(jù)包平均大?。?，適合CPU主機進行檢索處理。

2.2 文件系統(tǒng)建立

文件系統(tǒng)建立需要5個步驟。

1）文件系統(tǒng)內(nèi)首先記錄文件名稱、建立日期、工作模式等信息，用于用戶通過上位機檢索到感興趣的記錄文件。當用戶在上位機通過界面設定好系統(tǒng)參數(shù)并確認開始工作后，系統(tǒng)內(nèi)首先建立新文件，并填寫相應信息到文件系統(tǒng)中。

2）文件系統(tǒng)開始在SSD陣列中分配第一個數(shù)據(jù)塊（96MB空間）用于數(shù)據(jù)保存，并保存該數(shù)據(jù)塊在SSD陣列中的起始LBA地址，形成文件地址鏈表。

3）數(shù)據(jù)流不斷地向這數(shù)據(jù)塊內(nèi)填充PRT數(shù)據(jù)包，同時，文件管理系統(tǒng)記錄了此數(shù)據(jù)塊第一個PRT數(shù)據(jù)包內(nèi)的B碼時間。SSD陣列中的第一個96MB數(shù)據(jù)塊內(nèi)被不斷地PRT數(shù)據(jù)包填充，直到此數(shù)據(jù)塊被填充滿。

4）第一個96MB數(shù)據(jù)塊被PRT數(shù)據(jù)包填充完成之后，文件系統(tǒng)會同時記錄下此數(shù)據(jù)塊中的最后一個PRT數(shù)據(jù)包包含的B碼時間，隨后將此數(shù)據(jù)塊中包含的所有PRT數(shù)據(jù)包起始與結(jié)束B碼時間記錄在文件系統(tǒng)中。此時，文件系統(tǒng)記錄了文件所占用的SSD陣列地址塊、此地址塊中對應數(shù)據(jù)包的B碼時間范圍。

5）文件系統(tǒng)不斷配數(shù)據(jù)包并往復上述操作，直至存儲過程結(jié)束。

如圖2所示，PRT數(shù)據(jù)包不斷地寫入SSD陣列，同時文件系統(tǒng)不斷地分配SSD陣列地址塊并將地址塊首地址以及地址塊內(nèi)保存的PRT數(shù)據(jù)包的B碼時間范圍記錄到文件系統(tǒng)中。至此，形成了三級檢索的文件系統(tǒng)：

1）基于文件名稱、日期與工作模式等信息的人工檢索；

2）基于B碼時間起始與結(jié)束范圍的CPU檢索；

3）基于精確 B碼時間的 PRT數(shù)據(jù)包 FPGA檢索。

圖2 不斷分配地址空間塊并填充數(shù)據(jù)Fig.2 Allocating space and filling data

2.3 數(shù)據(jù)檢索

當信息系統(tǒng)和文件系統(tǒng)建立后，即可按圖3所示的數(shù)據(jù)檢索（定位）流程進行數(shù)據(jù)定位。

圖3 數(shù)據(jù)定位系統(tǒng)流程圖Fig.3 Diagram of data locating system

當用戶需要精確地從某一個PRT開始回放原始數(shù)據(jù)或上傳主機時，用戶通過圖3所示的三級定位，便可準確地定位到用戶期望的PRT數(shù)據(jù)包。

首先，用戶通過上位機顯控界面中的文件列表管理組件，刷新文件列表，查看文件信息，通過搜索、排列文件系統(tǒng)保存的文件名稱、文件建立時間、系統(tǒng)工作模式信息，選擇目標文件，快速完成第一級定位工作。

隨后，第二級定位系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的B碼時間，與文件系統(tǒng)內(nèi)保存的96MB數(shù)據(jù)包起始結(jié)束B碼時間進行比較，定位到具體數(shù)據(jù)存儲地址。

3 結(jié)論

本文所述的海量數(shù)據(jù)高效管理與檢索技術，已成功應用于某導航雷達中頻采集設備上。實驗驗證表明，記錄管理模塊建立的記錄管理文件是靈活、高效的，它的體積與用戶要求的檢索功能的多少直接相關。若功能簡單，則體積小巧；功能復雜，則體積龐大。但是，信息檢索速度幾乎不會受到功能多少的影響。當用戶設定了檢索條件后，檢索系統(tǒng)只讀取用戶相關的檢索內(nèi)容即可完成檢索，不必要讀取完整的記錄管理文件，大大提高了海量數(shù)據(jù)的管理和檢索效率。

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A Method of Effective Data Searching and Management Using FPGA in Navigation Radar System

ZHU Jin-hui1，DI Zhong-quan2，WANG Zeng-li1
（1.Xichang Satellite Launch Center，Xichang 615000；2.081 Electronics Technology Co.，Ltd，Chengdu 611731）

In traditional navigation radar's signal sampling and replaying system，file system creation and management always rely on operating system，which cannot satisfy wideband data storing and replaying in real time.To resolve this problem，this article proposes a two-level file managing and searching method which is realized on FPGA.In the first-level step，we can roughly locate related files via file information，and in the second-level，we can precisely locate the data packets which we want via information such as the B code time and so on.Information system，file system and data location can all be processed in parallel through FPGA.We realized managing and searching efficiently in wideband large-scale data system.The method described in this article for data managing and searching occupies smaller space and has simpler logic，in the same time the method is easier to be realization compared with traditional data managing methods.

file management；file searching；file locating

TP392

A

1674-5558（2017）01-01377

10.3969 /j.issn.1674-5558.2017.06.003

2017-02-26

朱金慧，男，本科，測控技術與儀器專業(yè)，工程師，研究方向為雷達系統(tǒng)總體技術。