呂 鵬，韓新力，官友廉

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第二十二研究所，河南 新鄉(xiāng) 266107；3.中國人民解放軍75798部隊，廣東 汕頭 515063)

0 引言

美軍在JTRS計劃中提出了軟件通信體系結(jié)構(gòu)(Software Communication Architecture，SCA)，全面制定了軟、硬件體系架構(gòu)及波形API規(guī)范，并成功地進行了驗證[1]。SCA一經(jīng)提出就迅速成為這一領(lǐng)域的研究熱點，并為SDR論壇接受，推薦為商業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

SCA是軟件無線電技術(shù)的核心，是其開放性、靈活性和可擴展性的基本保證[2]。該技術(shù)已經(jīng)在一些單板卡或者簡單的通信設(shè)備平臺上應(yīng)用，并針對這些平臺設(shè)計了專用的通信協(xié)議和處理流程。尤其是信號處理系統(tǒng)(SPS)，它是軟件無線電臺中非常重要的功能單元。該系統(tǒng)依靠的硬件抽象層設(shè)計主要是DSP，F(xiàn)PGA芯片，但是不僅因為芯片廠商和產(chǎn)品信號的多樣性，同時還有其應(yīng)用的硬件平臺結(jié)構(gòu)的多樣性，使其在應(yīng)用的時候會出現(xiàn)各式各樣的問題[3-4]。

因此，通過VPX硬件平臺搭配專用的硬件處理器(DSP，F(xiàn)PGA)，并結(jié)合SCA硬件抽象層上的DSP，F(xiàn)PGA芯片搭建一個標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺，將極大地解決平臺數(shù)據(jù)通信接口不統(tǒng)一帶來的各種應(yīng)用問題。

1 SCA及VPX硬件平臺

SCA作為一種獨立于具體應(yīng)用的軟件無線電體系結(jié)構(gòu)[5]，其實現(xiàn)目標(biāo)是極大地提高通信系統(tǒng)的互操作性和使用的靈活性，便于系統(tǒng)升級和維護，能夠提高工作效率和管理成本[6]。

SCA軟件操作環(huán)境為運行于硬件平臺上的波形應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)化接口和核心服務(wù)[7]。該操作環(huán)境包含符合SCA規(guī)范的核心框架，定義了開放的軟件接口、組件部署及動態(tài)配置方法、硬件抽象、軟件架構(gòu)管理體系、日志服務(wù)及分布式文件系統(tǒng)等諸多要素，對嵌入式通信環(huán)境中應(yīng)用組件進行配置，管理和連接。

利用SCA軟件操作環(huán)境，能夠達到基于不同的硬件平臺、不同的操作系統(tǒng)、采用不同編程語言編寫的應(yīng)用程序之間互聯(lián)互通的目的，并把各種對象的屬性和操作封裝在不同的接口之中[8]。基于以上特點，用戶可以自由訪問不同異構(gòu)平臺上的資源和對象，大大增強這些資源和對象的可重用性。

SCA硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由射頻模塊、通用數(shù)字信號處理模塊、交換模塊、嵌入式計算機模塊和通用接口模塊組成，其主要優(yōu)點是提高了硬件模塊設(shè)計和實現(xiàn)的通用性和開放性，降低了系統(tǒng)開發(fā)的成本，節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)時間。

圖1 SCA硬件平臺結(jié)構(gòu)Fig.1 SCA hardware platform structure diagram

具體表現(xiàn)為：

① 通用性：基于軟件無線電，采用GPP+DSP+ FPGA+AD/DA，具有良好可編程特性和動態(tài)加載功能。

② 開放性：當(dāng)前主流的高速接口SRIO、以太網(wǎng)和PCIE等標(biāo)準(zhǔn)總線，均可接入滿足標(biāo)準(zhǔn)的、現(xiàn)有或未來的各類處理模塊之中。

③ 標(biāo)準(zhǔn)性：用API封裝底層硬件、通信通道方便應(yīng)用，讓用戶專注于應(yīng)用功能的實現(xiàn)。

④ 高性能性：處理器高性能，通信通道高速率、高精度，以滿足系統(tǒng)實時性等要求[9]。

現(xiàn)在主流的VPX硬件平臺主要有AD9361/AD9371射頻直采模塊或模擬信道等模擬模塊，經(jīng)過ADC數(shù)字化，進入數(shù)字處理部分，包括FPGA，DSP等，最后將處理后的結(jié)果進行波形輸出。

本文在VPX平臺上通過板間運行多對串行總線和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)實現(xiàn)平臺內(nèi)部各個板卡間的DSP和FPGA的數(shù)據(jù)高速傳輸和處理，同時利用SCA硬件抽象層對DSP和FPGA進行“自定義”式的接口統(tǒng)型，并完成數(shù)字處理的功能。這樣就實現(xiàn)了軟硬件設(shè)備的高度標(biāo)準(zhǔn)化，方便后續(xù)各種形式的應(yīng)用。該設(shè)計不僅提高了軟硬件的重用性，也極大地降低了軟硬件的聯(lián)試時間，提高了工作效率。

2 硬件抽象層簡介

為了解決不同處理器之間對外接口的不同而導(dǎo)致的編程、聯(lián)試效率過低的問題，加載到所需硬件設(shè)備上的軟件組件接口就必須符合各自不同處理器接口要求，并通過SCA的硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer Connectivity，HAL-C)對其進行接口的統(tǒng)一[10]。

SCA軟件操作環(huán)境如圖2所示。硬件抽象層是介于硬件平臺和運行于硬件平臺的軟件之間，用于抽象硬件單元的對外接口，并通過SCA定義的一系列標(biāo)準(zhǔn)的接口API函數(shù)，實現(xiàn)與外部單元的通信[11]。通過該方式，可以極大地降低硬件設(shè)備對軟件系統(tǒng)的依賴程度，有效緩解對各種組件重新編寫所產(chǎn)生的工作量，達到提高工作效率的目的。

圖2 SCA軟件操作環(huán)境Fig.2 SCA software operating environment

3 硬件抽象層設(shè)計

硬件抽象層主要是為了解決不同硬件組件間的接口的不一致性所導(dǎo)致的傳輸效率過低的問題，通過對硬件接口的統(tǒng)一規(guī)范，利用API函數(shù)實現(xiàn)硬件組件與外界的交互[12]。

一個標(biāo)準(zhǔn)的硬件抽象層結(jié)構(gòu)主要由多個處理元件和硬件抽象層組成?，F(xiàn)在主流的VPX平臺下的數(shù)字處理單元模塊主要是由DSP組件和FPGA組件組成，其中DSP負(fù)責(zé)指令收發(fā)、數(shù)據(jù)傳輸和算法處理等功能；FPGA負(fù)責(zé)處理對接收的數(shù)據(jù)并與DSP進行數(shù)據(jù)通信的工作，其中指令和數(shù)據(jù)通信主要通過SRIO，EMIF等總線接口實現(xiàn)。

VPX數(shù)字處理單元結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中每個DSP或者FPGA組件均會包含功能模塊和對外接口模塊2部分，功能模塊為連接組件模塊，該模塊可以實現(xiàn)一些具體的功能，比如FFT、數(shù)字下變頻和濾波等單一的功能模塊，也可以是信號分析、AM解調(diào)等具體功能模塊。外接口模塊主要實現(xiàn)組件與組件或者與硬件抽象層相連層間進行指令或者數(shù)據(jù)的傳輸?shù)冉换スδ?，比如DSP組件與FPGA組件之間如何傳輸，采用什么總線接口等都是由對外接口模塊負(fù)責(zé)的，而功能模塊則對這些不需要關(guān)心。

圖3 VPX數(shù)字處理單元結(jié)構(gòu)Fig.3 VPX digital processing unit structure diagram

3.1 DSP硬件抽象層設(shè)計

設(shè)計DSP硬件抽象層的目的是為在包含DSP的SCA硬件平臺上實現(xiàn)不同計算單元上組件間管理的統(tǒng)一性和通信的標(biāo)準(zhǔn)化，為不同計算單元上波形軟件和平臺軟件之間的組件級通信提供標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和接口，最大限度提高波形應(yīng)用在不同硬件平臺上的可移植性和重用性[13]。

由于DSP支持C++的編程，并且在現(xiàn)實的設(shè)計中，使用需求靈活、通道資源復(fù)雜，因此采取利用嵌入式操作系統(tǒng)，同時結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)SCA編程相結(jié)合的方式。在建立DSP組件時，通過界面化的方式選擇DSP的組件類型，生成對應(yīng)模塊類的.cpp和.h文件(比如FFT類)。創(chuàng)建后，類文件中會自動生成其類的構(gòu)造函數(shù)，析構(gòu)函數(shù)，建立、刪除、運行、停止及釋放等功能標(biāo)準(zhǔn)的接口函數(shù)，將所需要運行的各個功能和算法依次對應(yīng)地填加到相應(yīng)的函數(shù)中即可。例如地址的申請，初始化參數(shù)可以添加到構(gòu)造函數(shù)或者建立函數(shù)中，每次運行的算法添加到運行函數(shù)中，地址的釋放添加到釋放函數(shù)中等。通過以上設(shè)置可以方便快捷地調(diào)試和驗證算法的正確性。

為了便于硬件抽象層DSP軟件模塊的設(shè)計，軟件編程人員在不需要知道軟件功能模塊與DSP外部交互接口的情況下，可以通過DSP操作系統(tǒng)對與DSP關(guān)聯(lián)的硬件驅(qū)動進行SCA標(biāo)準(zhǔn)的封裝，將不同的芯片驅(qū)動進行功能性的API函數(shù)封裝[14]。同時針對不同的通信總線，比如EMIF、千兆網(wǎng)和SRIO等進行標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一封裝，讓使用者可以在不了解總線的情況下，只要根據(jù)所需接收發(fā)送數(shù)據(jù)速率的要求就可以進行API函數(shù)的調(diào)用，實現(xiàn)DSP與外部組件的交互。

3.2 FPGA硬件抽象層設(shè)計

由于FPGA和DSP在執(zhí)行數(shù)字信號處理功能在模式上不同，運行于FPGA上的波形組件的開發(fā)不像DSP一樣支持C++函數(shù)，大多需要用VHDL等硬件描述語言進行開發(fā)[15]。FPGA開發(fā)組件模型如圖4所示，主要由提供者端口、使用者端口、事件信源和事件信宿組成。事件信源和事件信宿主要是組件間利用事件進行通信，除事件外的其余通信方式均由可提供者端口和使用者端口實現(xiàn)。當(dāng)2個FPGA組件之間進行通信時，一個為事件信源，另一個為事件信宿，事件信源和事件信宿間的信號線一一對應(yīng)，或者一個為提供者端口，另一個為使用者端口，提供者端口和使用者端口間的信號線一一對應(yīng)。這些信號線運行在硬件抽象層，由一組標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的接口組成。FPGA的硬件抽象層通過這些標(biāo)準(zhǔn)的接口實現(xiàn)對底層驅(qū)動的屏蔽以及完成與其他組件的交互。

圖4 FPGA組件模型Fig.4 FPGA component model

信號線完成了硬件抽象層基本信號的定義，如表1所示。通過這12個信號可以完成幾乎所有的FPGA內(nèi)在的功能模塊和對外接口的編寫，這樣編寫的組件可以在無需修改的情況下移植到另一個平臺。既降低了開發(fā)的復(fù)雜度，提升了工作效率，又方便利用FPGA進行后期波形處理。

表1 FPGA硬件抽象層信號定義
Tab.1 FPGA hardware abstract layer signal definition

序號信號定義信號說明1XXX_CLK時鐘信號2XXX_Reset復(fù)位信號3XXX_WR_EN寫使能4XXX_RD_EN讀使能5XXX_Addr地址6XXX_InvaildAddr無效地址7XXX_Data數(shù)據(jù)8XXX_vaildData數(shù)據(jù)有效使能9XXX_Event事件10XXX_Keep有效/無效字節(jié)數(shù)11XXX_Lens長度12XXX_Sel片選

4 結(jié)束語

VPX平臺下SCA硬件抽象層設(shè)計是在SCA4.0協(xié)議的基礎(chǔ)上，介紹了VPX硬件平臺，并在SCA的硬件抽象層上對DSP和FPGA進行組件化編程，最后通過SCA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對它們進行內(nèi)在模塊和對外接口的封裝，使其具有更好的可重用性、可移植性及可操作性。不僅減少了程序的開發(fā)難度，而且縮短了接口的聯(lián)試時間，為后續(xù)算法模塊的開發(fā)、移植及調(diào)試起到了極大推動作用。同時結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)對DSP類的編寫，使DSP編程變得更加簡單易用，有效提高了軟件模塊的開發(fā)效率。