許富龍，張 強(qiáng)，李 鵬，羅 玲

(1.中國民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)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(diǎn)。在開放、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)精簡的硬件通用平臺(tái)上，如何實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的波形軟件建模、開發(fā)和部署，縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)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(yīng)運(yùn)而生。

SCA起源于2000年，作為一個(gè)開放的軟件架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)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(jìn)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(biāo)不斷發(fā)展，但其通用的定位導(dǎo)致其接口功能臃腫，運(yùn)行效率較低[3-4]。在注重效益的SDR工業(yè)領(lǐng)域，尤其是機(jī)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(jī)載SDR的實(shí)際特點(diǎn)，分析機(jī)載領(lǐng)域?qū)CA架構(gòu)的實(shí)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(jī)載SDR中的應(yīng)用問題。

1 機(jī)載SDR系統(tǒng)介紹

1.1 機(jī)載SDR系統(tǒng)硬件平臺(tái)

圖1是典型的機(jī)載SDR硬件平臺(tái)[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(shí)際由模塊上的波形軟件完成。

圖1 機(jī)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(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，各處理器從文件系統(tǒng)中加載所需的波形應(yīng)用軟件，執(zhí)行相應(yīng)的信號和信息處理程序，實(shí)現(xiàn)無線電功能。

1.2 機(jī)載SDR系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

機(jī)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(dòng)之上、波形應(yīng)用之下的軟件統(tǒng)稱為運(yùn)行環(huán)境(Operating Environment，OE)。OE為波形應(yīng)用軟件提供完善的運(yùn)行平臺(tái)環(huán)境，并負(fù)責(zé)軟件平臺(tái)管理和組件執(zhí)行。OE主要包括嵌入式操作系統(tǒng)、傳輸機(jī)制、核心框架、平臺(tái)設(shè)備組件和服務(wù)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(shí)現(xiàn)SCA規(guī)范要求的API接口，管理平臺(tái)軟硬件資源，并負(fù)責(zé)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用與平臺(tái)的集成變得簡單，增強(qiáng)了波形軟件的可移植性。

1.3 機(jī)載環(huán)境下SCA架構(gòu)的實(shí)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(fèi)、性能較低等缺點(diǎn)難以滿足機(jī)載需求。

實(shí)際上，機(jī)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(shí),為了滿足DO-178C標(biāo)準(zhǔn)[8]，SCA核心框架必須具備輕量、高效的特點(diǎn)。因此，必須對臃腫冗余的核心框架進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

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(jī)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(yīng)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(yīng)用的工廠對象,當(dāng)不再需要一個(gè)波形時(shí)，可通過“卸載”將其移除。

機(jī)載SDR系統(tǒng)不需要波形安裝和卸載能力。雖然安裝行為會(huì)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(jìn)行校驗(yàn)，但該能力裁剪后仍然可以通過優(yōu)化保證安全，簡化運(yùn)行流程，有利于減小軟件規(guī)模提高和運(yùn)行效率。

2.2 系統(tǒng)組件的動(dòng)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(wù)組件)的運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)注冊/注銷能力。機(jī)載SDR系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)不會(huì)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(yùn)行錯(cuò)誤引起的，此時(shí)為排查軟件錯(cuò)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(fù)雜性，所以兼具瘦身和可靠性提升的優(yōu)點(diǎn)。

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(dòng)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(shí)由應(yīng)用工廠根據(jù)其SAD描述文件進(jìn)行加載。雖然兩種組件的加載時(shí)機(jī)不同、實(shí)施加載行為的主體不同，但其加載過程實(shí)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(jì)。

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?yàn)樾枰嵋茢?shù)據(jù)而較為耗時(shí)。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)侥康奶幚砥鳌Ｒ虼?，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(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成時(shí)，這兩個(gè)參數(shù)就已經(jīng)確定。

可以從更高層面來分析波形加載時(shí)間問題。通常，一個(gè)波形應(yīng)用包括多個(gè)組件，而這些組件一般部署在不同處理器上。因此，一個(gè)波形應(yīng)用的“總”加載時(shí)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(shí)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(dāng)創(chuàng)建一個(gè)波形應(yīng)用時(shí)，首先為其每一個(gè)組件分配合適的處理器，而每一個(gè)處理器對應(yīng)一個(gè)可加載設(shè)備組件。隨后，SCA核心框架調(diào)用相應(yīng)的可加載設(shè)備組件的load函數(shù)，完成組件加載。因?yàn)閘oad是同步函數(shù)，所以核心框架的波形創(chuàng)建進(jìn)程在調(diào)用load時(shí)會(huì)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(shí)際是串行執(zhí)行的。例如波形Wave1有三個(gè)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(shí)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(shí)長約為各組件加載時(shí)長之和，即

(1)

式中：ti是第i個(gè)組件的加載耗時(shí)，n是組件數(shù)量，t′是分布式環(huán)境下的命令傳輸耗時(shí)?？梢?，波形加載耗時(shí)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(jì)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(jì)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(gè)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(gè)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(wù)能力。如果三個(gè)波形組件分別存儲(chǔ)在三個(gè)FS，并行加載不會(huì)使單個(gè)FS的負(fù)荷增大。同時(shí)，交換總線也使點(diǎn)到點(diǎn)的帶寬不會(huì)因?yàn)橥瑫r(shí)傳輸而下降。因此，并行加載的性能如圖5所示，此時(shí)加載總時(shí)間約為單個(gè)組件加載時(shí)間中的最大值：

圖5 波形組件并行加載的時(shí)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(shí)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(gè)大文件的并行讀操作時(shí)，工作負(fù)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(gè)數(shù)據(jù)流的同時(shí)傳輸相互影響。此時(shí)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(shí)間性能的一個(gè)有效方法，但前提是硬件系統(tǒng)能夠?yàn)椴⑿屑虞d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(gè)組件、組件間存在依賴關(guān)系導(dǎo)致無法并行加載等，仍適宜采用串行加載。實(shí)際上，很多SDR系統(tǒng)往往同時(shí)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(shí)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(shí)際需要的，這正是本文加載流程優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則。該原則能夠根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的特點(diǎn)，充分發(fā)揮硬件系統(tǒng)的并行加載潛力，既提升了時(shí)間性能，同時(shí)也能很好地兼容SCA規(guī)范。

3.2 加載流程優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 接口設(shè)計(jì)

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(jì)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(biāo)準(zhǔn)接口LoadableInterface中增加asynLoad函數(shù)。該函數(shù)由loadableDevice組件實(shí)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(dòng)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(shí)間極短，不會(huì)使調(diào)用的進(jìn)程睡眠。波形創(chuàng)建進(jìn)程可以連續(xù)調(diào)用多個(gè)LoadableDevice的asynLoad函數(shù)，使多個(gè)組件并行加載。

相比load函數(shù)，asynload多了一個(gè)參數(shù)resultCallbackObj，該參數(shù)是一個(gè)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(shí)通過回調(diào)將加載結(jié)果返回。該參數(shù)的細(xì)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(shí)上報(bào)加載結(jié)果。為此，增加LoadResultCallbackInterface接口，該接口只有一個(gè)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(jìn)程。

在核心框架內(nèi)部，LoadResultCallbackObj對象應(yīng)實(shí)現(xiàn)LoadResultCallbackInterface接口。應(yīng)用工廠組件根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)LoadResultCallbackObj對象。一個(gè)LoadResultCallbackObj對象對應(yīng)一個(gè)LoadableDevice組件。該對象將作為asynload函數(shù)的最后一個(gè)參數(shù)傳遞給LoadableDevice組件。

3.2.2 建模設(shè)計(jì)

為支持靈活的并/串行加載，需要設(shè)計(jì)一種標(biāo)準(zhǔn)的建模方法。SAD描述文件用于描述一個(gè)波形應(yīng)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(chǔ)組件的加載配置信息。該配置信息只包含一個(gè)加載批次(LoadBatch)屬性，具體設(shè)計(jì)如下：

(1)LoadBatch屬性是1～255的整型值，用于表示一個(gè)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(gè)波形組件(實(shí)例)都對應(yīng)一個(gè)componentproperties元素，用于存儲(chǔ)該組件(實(shí)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(gè)組件(實(shí)例)都對應(yīng)一個(gè)LoadBatch屬性。

當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)波形應(yīng)用時(shí)，核心框架讀取其SAD文件獲知每一個(gè)組件的LoadBatch。如果未設(shè)置LoadBatch，核心框架將采用SCA規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)加載流程，從而實(shí)現(xiàn)對SCA規(guī)范的兼容。

3.2.3 算法設(shè)計(jì)

對一個(gè)波形應(yīng)用的多組件加載，采用“多批次的并行加載”設(shè)計(jì)：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(gè)組件的LoadBatch同為i，則它們將在第i批次中并行加載。

一個(gè)波形應(yīng)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(gè)數(shù)，Фn指Ф集合中第n個(gè)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(jìn)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(dòng)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(gè)組件并行加載。9～14行的while語句用于等待第i批次n個(gè)組件的加載結(jié)果。每當(dāng)執(zhí)行到10行時(shí)，波形創(chuàng)建進(jìn)程將睡眠等待，直到LoadDevice組件調(diào)用resultCallback函數(shù)上報(bào)加載結(jié)果時(shí)，該進(jìn)程才被喚醒，此時(shí)采用11行if語句檢查n個(gè)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(dāng)程序執(zhí)行到16行時(shí)，本批次的加載已完成，此時(shí)若該波形的所有組件都已加載，則流程結(jié)束；否則將啟動(dòng)下一批次加載。

上述算法可以靈活地使波形的多個(gè)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用信號處理測試平臺(tái)。該平臺(tái)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(yàn)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(dòng)和運(yùn)行，當(dāng)設(shè)置了各個(gè)組件LoadBatch值時(shí)，核心框架能夠讀取LoadBatch值并按模型意圖正確地實(shí)施組件加載。

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文優(yōu)化技術(shù)，核心框架的啟動(dòng)時(shí)間有所縮短。表1是波形加載時(shí)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(shí)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(shí)間優(yōu)化效果越好。此外，當(dāng)組件數(shù)量為4時(shí)，優(yōu)化效果有所下降，這是因?yàn)?個(gè)組件被分成了兩個(gè)批次進(jìn)行加載。

表1 波形加載時(shí)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(jī)載系統(tǒng)中SCA架構(gòu)的可用性，對面向機(jī)載SDR系統(tǒng)的SCA核心框架優(yōu)化具有一定指導(dǎo)意義。