許富龍，張 強，李 鵬，羅 玲

(1.中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，四川 廣漢 618307；2.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

軟件無線電(Software Defined Radio,SDR)[1]是一種新型的無線電體系結(jié)構(gòu)，它通過硬件和軟件的結(jié)合使無線電系統(tǒng)或設(shè)備具有可重配置能力[2]，使相同的硬件可以通過軟件定義來獲得不同的功能。硬件通用化、功能軟件化是SDR系統(tǒng)的主要特點。在開放、可擴展、結(jié)構(gòu)精簡的硬件通用平臺上，如何實現(xiàn)標準化的波形軟件建模、開發(fā)和部署，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，是SDR系統(tǒng)研發(fā)中需要解決的關(guān)鍵問題之一。在此背景下，軟件通信架構(gòu)(Software Communication Architecture,SCA)應運而生。

SCA起源于2000年，作為一個開放的軟件架構(gòu)標準，它規(guī)定一組與波形功能無關(guān)的通用接口和規(guī)則，使基于此開發(fā)的波形應用軟件具有良好的可移植性、可重用性和互操作性。2015年，SCA4.1版本發(fā)布，該版本對舊版進行了大量變革，例如支持功能裁剪等。

盡管SCA圍繞SDR普適性的目標不斷發(fā)展，但其通用的定位導致其接口功能臃腫，運行效率較低[3-4]。在注重效益的SDR工業(yè)領(lǐng)域，尤其是機載SDR領(lǐng)域，基于SCA規(guī)范的研發(fā)常常遭遇困難。為此，本文將根據(jù)機載SDR的實際特點，分析機載領(lǐng)域?qū)CA架構(gòu)的實際需求，并從功能裁剪和加載流程優(yōu)化兩方面提出SCA核心框架的優(yōu)化技術(shù)，解決SCA架構(gòu)在機載SDR中的應用問題。

1 機載SDR系統(tǒng)介紹

1.1 機載SDR系統(tǒng)硬件平臺

圖1是典型的機載SDR硬件平臺[5]，由通用射頻收發(fā)模塊和信號信息處理模塊通過數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)互連而成。通用射頻收發(fā)模塊用于射頻信號的上下變頻、濾波和射頻信號與數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)換。信號信息處理模塊完成數(shù)字信號處理和信息協(xié)議處理[5-6]，其處理實際由模塊上的波形軟件完成。

圖1 機載SDR系統(tǒng)典型硬件結(jié)構(gòu)

信號信息處理模塊主要包括通用處理器(General Purpose Processors，GPP)、數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)等多種類型的處理器和Flash器件。當系統(tǒng)運行時，各處理器從文件系統(tǒng)中加載所需的波形應用軟件，執(zhí)行相應的信號和信息處理程序，實現(xiàn)無線電功能。

1.2 機載SDR系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

機載SDR系統(tǒng)采用圖2所示的SCA軟件結(jié)構(gòu)。其中，底層驅(qū)動之上、波形應用之下的軟件統(tǒng)稱為運行環(huán)境(Operating Environment，OE)。OE為波形應用軟件提供完善的運行平臺環(huán)境，并負責軟件平臺管理和組件執(zhí)行。OE主要包括嵌入式操作系統(tǒng)、傳輸機制、核心框架、平臺設(shè)備組件和服務組件。

圖2 SCA軟件結(jié)構(gòu)

SCA核心框架是OE的核心管理單元。SCA核心框架軟件實現(xiàn)SCA規(guī)范要求的API接口，管理平臺軟硬件資源，并負責波形軟件在系統(tǒng)中的加載、創(chuàng)建、執(zhí)行、配置和銷毀。SCA核心框架包含一套標準接口定義，使按照該接口開發(fā)的波形組件可以直接被核心框架調(diào)用和管理。因此，SCA核心框架使波形應用與平臺的集成變得簡單，增強了波形軟件的可移植性。

1.3 機載環(huán)境下SCA架構(gòu)的實際需求

雖然SCA能提升SDR系統(tǒng)的軟件開發(fā)和集成效率，但其接口冗余、資源浪費、性能較低等缺點難以滿足機載需求。

實際上，機載SDR系統(tǒng)的體積、功耗等要求制約了硬件系統(tǒng)的資源規(guī)模[7];同時,為了滿足DO-178C標準[8]，SCA核心框架必須具備輕量、高效的特點。因此，必須對臃腫冗余的核心框架進行優(yōu)化改進。

2 功能單元裁剪

功能單元裁剪既符合SCA 4.1規(guī)范優(yōu)化思路，也與機載軟件精簡緊湊的要求相一致。

2.1 波形安裝/卸載能力裁剪

SCA規(guī)范包含波形應用的安裝和卸載能力。波形必須被“安裝”到系統(tǒng)中，才能獲得該波形應用的工廠對象,當不再需要一個波形時，可通過“卸載”將其移除。

機載SDR系統(tǒng)不需要波形安裝和卸載能力。雖然安裝行為會對波形的軟件裝配描述文件(Software Assembly Descriptor，SAD)及其依賴的關(guān)聯(lián)文件進行校驗，但該能力裁剪后仍然可以通過優(yōu)化保證安全，簡化運行流程，有利于減小軟件規(guī)模提高和運行效率。

2.2 系統(tǒng)組件的動態(tài)注銷能力裁剪

為支持設(shè)備熱插拔，SCA規(guī)范提供了系統(tǒng)組件(設(shè)備組件和服務組件)的運行時動態(tài)注冊/注銷能力。機載SDR系統(tǒng)在運行時不會插拔硬件模塊，所以不需要此能力。雖然在研發(fā)階段，該能力支持在不重啟系統(tǒng)的條件下多次加卸載系統(tǒng)組件，為測試工作提供便利，但加卸載系統(tǒng)組件的行為常常是由軟件運行錯誤引起的，此時為排查軟件錯誤，重啟是更為常用的方法。此外，裁剪此能力一定程度上簡化了核心框架的復雜性，所以兼具瘦身和可靠性提升的優(yōu)點。

3 加載流程優(yōu)化

SCA系統(tǒng)中存在兩種組件：系統(tǒng)組件和波形組件。系統(tǒng)組件通常在啟動階段由設(shè)備管理器根據(jù)設(shè)備配置描述文件(Device Configuration Descriptor，DCD)依次加載，而波形組件則在功能創(chuàng)建時由應用工廠根據(jù)其SAD描述文件進行加載。雖然兩種組件的加載時機不同、實施加載行為的主體不同，但其加載過程實質(zhì)上是類似的，都可以采用本文的加載流程優(yōu)化方法。為便于描述，后面主要針對波形組件來闡述加載流程優(yōu)化設(shè)計。

3.1 問題分析

波形創(chuàng)建的步驟包括組件加載、組件執(zhí)行、端口連接和波形配置。其中，組件加載因為需要搬移數(shù)據(jù)而較為耗時。在分布式環(huán)境下，組件的加載需要先從文件系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)，再通過總線傳輸?shù)侥康奶幚砥?。因此，波形組件的加載速度主要取決于文件系統(tǒng)性能、總線傳輸速率。顯然，當系統(tǒng)設(shè)計完成時，這兩個參數(shù)就已經(jīng)確定。

可以從更高層面來分析波形加載時間問題。通常，一個波形應用包括多個組件，而這些組件一般部署在不同處理器上。因此，一個波形應用的“總”加載時間，還取決于各組件是串行加載還是并行加載。

3.1.1 SCA規(guī)范對波形加載的限制

SCA規(guī)范定義LoadableInterface接口用于組件加載，并要求可加載設(shè)備(LoadableDevice)實現(xiàn)該接口。該接口的load函數(shù)定義如下：

void load(in FileSystem fs,in string fileName,in LoadType loadKind);

raises(InvalidState,InvalidLoadKind,InvalidFileName,LoadFail)。

其中，參數(shù)fs指定被加載文件所在的文件系統(tǒng)，filename是被加載文件名，loadKind指定加載類型。

當創(chuàng)建一個波形應用時，首先為其每一個組件分配合適的處理器，而每一個處理器對應一個可加載設(shè)備組件。隨后，SCA核心框架調(diào)用相應的可加載設(shè)備組件的load函數(shù)，完成組件加載。因為load是同步函數(shù)，所以核心框架的波形創(chuàng)建進程在調(diào)用load時會被阻塞，直到組件加載結(jié)束后才從load返回。因此，SCA規(guī)范的組件加載實際是串行執(zhí)行的。例如波形Wave1有三個組件Comp1～3，分別要部署在處理器A、B和C，核心框架的加載行為類似于圖3(a)的偽代碼，其時間特性如圖3(b)所示。

圖3 SCA規(guī)范的波形加載示意圖

波形加載的總時長約為各組件加載時長之和，即

(1)

式中：ti是第i個組件的加載耗時，n是組件數(shù)量，t′是分布式環(huán)境下的命令傳輸耗時?？梢姡ㄐ渭虞d耗時較長，限制了系統(tǒng)性能。

3.1.2 SDR硬件架構(gòu)對波形加載的影響

出于對成本、性能等方面的考慮，不同的SDR系統(tǒng)在硬件設(shè)計上差異較大。SCA規(guī)范不對SDR的硬件做過多約束，使得硬件架構(gòu)設(shè)計具有很大的靈活性。

圖4列舉了兩種SDR硬件架構(gòu)。圖4(a)有三個文件系統(tǒng)，采用交換總線與處理器相連；圖4(b)為控制成本，通過共享總線將一個文件系統(tǒng)(File System,FS)與處理器相連。這里仍以前面的波形加載為例，討論兩種硬件架構(gòu)對加載的影響。

圖4 影響加載的兩種硬件架構(gòu)

對于圖4(a)的硬件結(jié)構(gòu)，多文件系統(tǒng)提升了文件服務能力。如果三個波形組件分別存儲在三個FS，并行加載不會使單個FS的負荷增大。同時，交換總線也使點到點的帶寬不會因為同時傳輸而下降。因此，并行加載的性能如圖5所示，此時加載總時間約為單個組件加載時間中的最大值：

圖5 波形組件并行加載的時間特性

(2)

對于圖4(b)的硬件結(jié)構(gòu)，單文件系統(tǒng)和共享總線下的并行加載不能顯著提升時間性能，甚至可能因形成瓶頸而使性能惡化。一方面，單文件系統(tǒng)在提供多個大文件的并行讀操作時，工作負荷增大，調(diào)度開銷增加，其性能相對于串行讀取可能更低；另一方面，總線鏈路共享使多個數(shù)據(jù)流的同時傳輸相互影響。此時采用串行加載更為合適。

3.1.3 優(yōu)化原則

通過上述分析可知，“改串為并”，即采用并行方式加載波形組件是優(yōu)化加載時間性能的一個有效方法，但前提是硬件系統(tǒng)能夠為并行加載提供支持。對不適合并行加載的情形，例如上述共享式硬件架構(gòu)、從單文件系統(tǒng)中加載多個組件、組件間存在依賴關(guān)系導致無法并行加載等，仍適宜采用串行加載。實際上，很多SDR系統(tǒng)往往同時存在適合并行加載和適合串行加載的情形。因此，“串并共存”，即根據(jù)實際系統(tǒng)的具體情況來靈活配置和指定波形的加載方式，才是最符合實際需要的，這正是本文加載流程優(yōu)化設(shè)計的基本原則。該原則能夠根據(jù)實際系統(tǒng)的特點，充分發(fā)揮硬件系統(tǒng)的并行加載潛力，既提升了時間性能，同時也能很好地兼容SCA規(guī)范。

3.2 加載流程優(yōu)化設(shè)計

3.2.1 接口設(shè)計

SCA規(guī)范的load函數(shù)是同步函數(shù)。為支持并行加載，本文設(shè)計了如圖6所示的異步加載接口。

圖6 異步加載接口及調(diào)用關(guān)系

(1)增加asynLoad函數(shù)

在SCA規(guī)范的標準接口LoadableInterface中增加asynLoad函數(shù)。該函數(shù)由loadableDevice組件實現(xiàn)，供核心框架調(diào)用。

void asynLoad(in FileSystem fs,in string fileName,in LoadType loadKind,in loadResultCallbackObj resultCallbackObj);

raises(InvalidState,InvalidLoadKind,InvalidFileName)。

asynLoad函數(shù)是異步(非阻塞)函數(shù)，它在啟動波形加載過程后立即返回，不等待波形加載行為結(jié)束。因此，該函數(shù)執(zhí)行時間極短，不會使調(diào)用的進程睡眠。波形創(chuàng)建進程可以連續(xù)調(diào)用多個LoadableDevice的asynLoad函數(shù)，使多個組件并行加載。

相比load函數(shù)，asynload多了一個參數(shù)resultCallbackObj，該參數(shù)是一個loadResultCallbackObj類型的對象引用(指針)，供loadableDevice組件在波形組件加載結(jié)束時通過回調(diào)將加載結(jié)果返回。該參數(shù)的細節(jié)見下一小節(jié)。

(2)新增LoadResultCallbackInterface接口

異步函數(shù)asynLoad無法向調(diào)用者返回加載結(jié)果，必須采用回調(diào)方式讓LoadableDevice在加載結(jié)束時上報加載結(jié)果。為此，增加LoadResultCallbackInterface接口，該接口只有一個resultCallback函數(shù)。

void resultCallback(in string fileName,in LoadResultType loadResult)。

其中，參數(shù)fileName指明被加載的波形組件，loadResult指出加載結(jié)果，LoadableDevice組件在完成加載后調(diào)用該函數(shù)將結(jié)果告知波形創(chuàng)建進程。

在核心框架內(nèi)部，LoadResultCallbackObj對象應實現(xiàn)LoadResultCallbackInterface接口。應用工廠組件根據(jù)需要創(chuàng)建多個LoadResultCallbackObj對象。一個LoadResultCallbackObj對象對應一個LoadableDevice組件。該對象將作為asynload函數(shù)的最后一個參數(shù)傳遞給LoadableDevice組件。

3.2.2 建模設(shè)計

為支持靈活的并/串行加載，需要設(shè)計一種標準的建模方法。SAD描述文件用于描述一個波形應用的組件列表、裝配方法和內(nèi)部連接等特性。因此，本文選擇在SAD存儲組件的加載配置信息。該配置信息只包含一個加載批次(LoadBatch)屬性，具體設(shè)計如下：

(1)LoadBatch屬性是1～255的整型值，用于表示一個組件被加載的批次。

(2)LoadBatch屬性的具體位置是在SAD partitioning:componentplacement:componentinstantiation:componentproperties。每一個波形組件(實例)都對應一個componentproperties元素，用于存儲該組件(實例)在創(chuàng)建及初始配置過程中所需使用的屬性值。因此，每一個組件(實例)都對應一個LoadBatch屬性。

當創(chuàng)建一個波形應用時，核心框架讀取其SAD文件獲知每一個組件的LoadBatch。如果未設(shè)置LoadBatch，核心框架將采用SCA規(guī)范的標準加載流程，從而實現(xiàn)對SCA規(guī)范的兼容。

3.2.3 算法設(shè)計

對一個波形應用的多組件加載，采用“多批次的并行加載”設(shè)計：同一批次內(nèi)采用并行加載，而不同批次之間是串行加載。組件的加載次序由其LoadBatch決定：先加載LoadBatch為1的組件，再加載LoadBatch為2的組件……直到所有組件都被加載。若多個組件的LoadBatch同為i，則它們將在第i批次中并行加載。

一個波形應用的加載流程算法偽代碼如下：

1 fori=1;i<=255;i++ do

2 將批次號(LoadBatch)為i的所有組件，構(gòu)成集合Ф;//Ф內(nèi)的組件將并行加載

3 if(Ф不為空) then

4 forn=1;n<=|Ф|;n++ do //|Ф|代表Ф中組件個數(shù)，Фn指Ф集合中第n個組件

5 獲取組件Фn的部署設(shè)備loadDev,回調(diào)對象cbObj,文件系統(tǒng)fs,文件名fn;

6 loadDev->asynload(fs,fn,EXECUTABLE,cbObj);//asynload調(diào)用后立即返回

7 end for

8

9 while(1) do

10 waitForLoadResult();//進程將睡眠,直到收到Ф中某組件的加載結(jié)果后才喚醒

11 if(Ф中所有組件的加載結(jié)果已收齊)

12 break;//跳出while循環(huán),本批次組件加載完畢；

13 end if

14 end while

15

16 if(此波形的所有組件都已執(zhí)行加載動作)

17 break;//跳出for循環(huán),此波形加載結(jié)束！

18 end if

19 end if

20 end for

4～7行的for語句循環(huán)調(diào)用asynLoad函數(shù)，使第i批次的所有n個組件并行加載。9～14行的while語句用于等待第i批次n個組件的加載結(jié)果。每當執(zhí)行到10行時，波形創(chuàng)建進程將睡眠等待，直到LoadDevice組件調(diào)用resultCallback函數(shù)上報加載結(jié)果時，該進程才被喚醒，此時采用11行if語句檢查n個組件的加載結(jié)果是否已收齊：若是，本批次加載結(jié)束；否則將回到10行繼續(xù)等待其他組件的加載結(jié)果。當程序執(zhí)行到16行時，本批次的加載已完成，此時若該波形的所有組件都已加載，則流程結(jié)束；否則將啟動下一批次加載。

上述算法可以靈活地使波形的多個組件以任意期望的順序和串/并方式被加載，滿足任意系統(tǒng)對波形加載流程的優(yōu)化需要。

4 實驗驗證

實驗采用信號處理測試平臺。該平臺集成通用信號處理模塊，包含PPC、DSP和FPGA等高性能處理單元。為便于測試，編寫了相關(guān)測試設(shè)備組件和測試波形組件。

4.1 功能驗證

結(jié)果表明，采用本文優(yōu)化技術(shù)的核心框架能夠正常啟動和運行，當設(shè)置了各個組件LoadBatch值時，核心框架能夠讀取LoadBatch值并按模型意圖正確地實施組件加載。

4.2 實驗分析

實驗結(jié)果表明，采用本文優(yōu)化技術(shù)，核心框架的啟動時間有所縮短。表1是波形加載時間的優(yōu)化結(jié)果，可以看出，并行加載可有效縮短波形加載時間。組件數(shù)量為2的數(shù)據(jù)表明，各組件尺寸的差異越小，并行加載的時間優(yōu)化效果越好。此外，當組件數(shù)量為4時，優(yōu)化效果有所下降，這是因為4個組件被分成了兩個批次進行加載。

表1 波形加載時間優(yōu)化結(jié)果

上述結(jié)果表明，本文的優(yōu)化技術(shù)可有效降低核心架構(gòu)的自身開銷，提升架構(gòu)性能。

5 結(jié) 論

本文分析了SCA架構(gòu)在機載SDR系統(tǒng)中的不足，并從功能裁剪和加載流程優(yōu)化兩方面提出了核心框架優(yōu)化方法。實驗結(jié)果表明，該方法不僅使架構(gòu)更精簡，而且能充分地發(fā)揮硬件系統(tǒng)的并行加載潛力，有效提升機載系統(tǒng)中SCA架構(gòu)的可用性，對面向機載SDR系統(tǒng)的SCA核心框架優(yōu)化具有一定指導意義。