錢宏文，陳光威

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

0 引言

微電子技術(shù)持續(xù)迭代演化，處理器集成越來越多的功能單元，為適應(yīng)日趨復(fù)雜多變的衛(wèi)星生活服務(wù)需求，包含CPU、FPGA、DSP 等的異構(gòu)處理器需要滿足面向不同功能任務(wù)需求的系統(tǒng)功能，進(jìn)而完成相應(yīng)的功能任務(wù)，完成在不同功能任務(wù)下軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)工作[1]。但是DSP、FPGA 等利用硬件底層語言進(jìn)行功能定制，設(shè)計(jì)周期漫長(zhǎng)，靈活性差，因此設(shè)計(jì)異構(gòu)處理器結(jié)合可重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能靈活部署[2]。在芯片級(jí)別的設(shè)計(jì)重構(gòu)已有較多研究，結(jié)合系統(tǒng)功能接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化設(shè)計(jì)，功能模組模塊化可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，達(dá)到系統(tǒng)可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員物質(zhì)救援偵察任務(wù)、圖景采集遙感成像任務(wù)、數(shù)據(jù)信息通信任務(wù)等功能可動(dòng)態(tài)部署的目的[3?5]。

為了使異構(gòu)處理器具備實(shí)現(xiàn)高帶寬、大數(shù)據(jù)在軌即時(shí)處理、多種應(yīng)用任務(wù)順序執(zhí)行、軟硬件資源靈活調(diào)度和動(dòng)態(tài)管理的能力，本文構(gòu)建出一種可實(shí)現(xiàn)異構(gòu)處理器系統(tǒng)功能在線動(dòng)態(tài)重載的實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)時(shí)按照不同時(shí)段功能需求差異進(jìn)行資源動(dòng)態(tài)分配，并協(xié)調(diào)處理器內(nèi)部控制流及數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)重建。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)部署設(shè)計(jì)滿足異構(gòu)處理器信號(hào)即時(shí)處理、多任務(wù)即時(shí)重構(gòu)、資源高效靈活智能調(diào)用等需求。

1 整體框架

1.1 異構(gòu)處理器總體架構(gòu)

本設(shè)計(jì)以異構(gòu)處理器為基礎(chǔ)，異構(gòu)處理器集成在一個(gè)基于VPX 標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱內(nèi)。處理區(qū)包括主控單元、信號(hào)預(yù)處理單元、信號(hào)處理單元、存儲(chǔ)單元、電源單元等。系統(tǒng)總線分為控制總線和高速數(shù)據(jù)總線，高速數(shù)據(jù)總線為背板高速串行接口連接。平臺(tái)在硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)上采用通用平臺(tái)設(shè)計(jì)理念，配置大容量交換背板，支持各功能板卡實(shí)時(shí)無阻塞數(shù)據(jù)傳輸[6?7]。

在管理和業(yè)務(wù)層面，設(shè)計(jì)了統(tǒng)一機(jī)框管理總線（SPI），板卡管理總線（千兆以太網(wǎng)），高速數(shù)據(jù)總線（SRIO），已達(dá)到板卡的通信接口統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)。軟件統(tǒng)一配置管理硬件運(yùn)行情況，各條總線的傳輸由軟件監(jiān)管，具備軟件化系統(tǒng)的條件。在平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)上支持嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），為軟件平臺(tái)提供通用的處理能力和標(biāo)準(zhǔn)通信接口，通過底層驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)操作系統(tǒng)的支持，并通過操作系統(tǒng)提供對(duì)應(yīng)用環(huán)境描述（AEP）、組件間通信機(jī)制和服務(wù)、核心框架的支持。平臺(tái)可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要靈活選用不同功能、不同數(shù)量的功能板卡。呈載異構(gòu)處理器架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 星載異構(gòu)處理器架構(gòu)

1.2 異構(gòu)處理器功能單元

如圖1 所示，異構(gòu)處理器架構(gòu)主要由三部分構(gòu)成，分別為中頻數(shù)字信號(hào)預(yù)處理單元、信號(hào)處理單元及主控單元。

中頻數(shù)字信號(hào)預(yù)處理單元包含的部件有：高性能FPGA、光電收發(fā)模塊等。主要完成對(duì)數(shù)字光纖輸入的單通道中頻數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)、交換及信號(hào)預(yù)處理。數(shù)據(jù)交換模塊接收到光纖送過來的中頻數(shù)字信號(hào)，根據(jù)主控單元的控制和配置指令，將數(shù)據(jù)分發(fā)到不同的信號(hào)處理單或存儲(chǔ)單元。信號(hào)預(yù)處理主要完成脈沖信號(hào)檢測(cè)、數(shù)字下變頻、寬帶信號(hào)數(shù)字信道化和大規(guī)模定點(diǎn)傅里葉變換（FFT）等功能，最后將信道化的有效輸出結(jié)果輸入至信號(hào)處理部分。

信號(hào)處理單元用來接收信號(hào)預(yù)處理部分傳遞過來的有效數(shù)據(jù)，或生成數(shù)字中頻或者基帶波形。信號(hào)處理模塊主要的執(zhí)行單元有：FPGA、DSP 及其它集成電路等。模塊的復(fù)雜性可根據(jù)使用的波形和任務(wù)所選擇的速率而定，主要完成電子偵察、遙感、通信任務(wù)功能等預(yù)處理之后的信號(hào)處理功能。信號(hào)處理資源設(shè)計(jì)具備可訪問和可動(dòng)態(tài)部署重構(gòu)的硬件接口，具備全連通的控制和數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)資源接口可描述和可抽象。

主控單元實(shí)現(xiàn)軟件化處理器功能加載和重構(gòu)、系統(tǒng)控制和資源調(diào)度，并完成對(duì)綜合射頻傳感區(qū)波束指向、波束數(shù)目、工作頻率、帶寬、增益、數(shù)模轉(zhuǎn)換速率、收發(fā)模式及同時(shí)工作射頻通道等的控制。它由多個(gè)CPU 構(gòu)成，承載嵌入式操作系統(tǒng)、軟件應(yīng)用和支持配置的接口等。主控單元在軟件控制下支持操作系統(tǒng)，完成控制、接口管理、電子偵察、遙感、通信功能加載、重構(gòu)和模塊發(fā)現(xiàn)等功能，并通過上層操作系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和功能重載。

2 異構(gòu)處理器動(dòng)態(tài)部署的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

異構(gòu)處理器滿足根據(jù)功能需求進(jìn)行定義和重構(gòu)；并支持應(yīng)用構(gòu)件功能的靈活部署，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員物質(zhì)救援偵察、圖景采集遙感成像、數(shù)據(jù)信息通信等功能實(shí)現(xiàn)的支持，適應(yīng)軟件化系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

2.1 異構(gòu)處理器資源管理

針對(duì)不同的異構(gòu)資源設(shè)備，如ARM、DSP、FPGA，每個(gè)設(shè)備都具有自己的資源調(diào)用方式以達(dá)到可動(dòng)態(tài)部署的目的，但是對(duì)于這些設(shè)備需要一個(gè)統(tǒng)一的Agent（代理）來管理，這個(gè)Agent 會(huì)根據(jù)上層下發(fā)來的任務(wù)選擇合適的設(shè)備進(jìn)行下發(fā)。比如數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)任務(wù)會(huì)下發(fā)到DSP 設(shè)備的Agent 上，再經(jīng)過相應(yīng)的Agent 下發(fā)到具體的設(shè)備。同樣計(jì)算量比較大的計(jì)算任務(wù)如矩陣運(yùn)算、數(shù)據(jù)加密與解密會(huì)下發(fā)到FPGA 的Agent。這個(gè)統(tǒng)一的Agent 可以稱為Service Provider（服務(wù)供應(yīng)商），其主要完成以下工作：

(1)接收上層下發(fā)來的通用任務(wù)，提取通用任務(wù)的特點(diǎn)評(píng)估各個(gè)任務(wù)使用資源的偏好值。

(2)根據(jù)每個(gè)任務(wù)的使用資源的偏好值決定各任務(wù)即將下發(fā)的設(shè)備類型，如FPGA 和DSP。

下發(fā)任務(wù)后收集任務(wù)執(zhí)行的結(jié)果并返回到上層，同時(shí)會(huì)收集各個(gè)任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間、資源消耗等信息，以優(yōu)化下一次的任務(wù)調(diào)度。異構(gòu)資源管理總體框架設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 異構(gòu)資源管理總體架構(gòu)

2.2 預(yù)處理單元的動(dòng)態(tài)部署設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

預(yù)處理單元功能任務(wù)執(zhí)行，主要依托Xilinx 公司Ultrascale+系列高性能FPGA 作為預(yù)處理單元核心計(jì)算模塊，因此在配合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人員物質(zhì)救援偵察、圖景采集遙感成像、數(shù)據(jù)信息通信等功能動(dòng)態(tài)部署過程中，就預(yù)處理單元而言主要是對(duì)該單元模塊內(nèi)FPGA 進(jìn)行動(dòng)態(tài)可重構(gòu)。

2.2.1 FPGA 可重構(gòu)技術(shù)

可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)是指在軟件的控制下，利用系統(tǒng)中的可重用資源，如FPGA 等可重構(gòu)邏輯器件，根據(jù)應(yīng)用的需要重新構(gòu)造一個(gè)新的計(jì)算平臺(tái)，達(dá)到接近專用硬件設(shè)計(jì)的高性能。它避免了微處理器計(jì)算模式因取指、譯碼等步驟導(dǎo)致的性能損失，同時(shí)也消除了專用集成電路ASIC 計(jì)算模式因?yàn)榍捌谠O(shè)計(jì)制造的復(fù)雜過程帶來的高代價(jià)和不可重用等缺陷。可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)結(jié)合了通用處理器和ASIC 兩者的優(yōu)點(diǎn)，能夠提供硬件功能的效率和軟件的可編程性。其核心突破就是能夠動(dòng)態(tài)進(jìn)行硬件電路配置，這種配置方式靈活而高效，通過硬件描述語言HDL以可編程的方式來完成并實(shí)現(xiàn)電路的構(gòu)建。通過引入可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)既保持了設(shè)計(jì)的靈活性，同時(shí)也獲得了專有用途硬件電路的等價(jià)性能[8?9]。

動(dòng)態(tài)可重構(gòu)是指在可編程器件的運(yùn)行過程中，當(dāng)某一階段運(yùn)行結(jié)束后，在系統(tǒng)不掉電的情況下，加載存儲(chǔ)于片外存儲(chǔ)器的配置文件，動(dòng)態(tài)地完成系統(tǒng)功能的切換。這種重構(gòu)方式重構(gòu)時(shí)間短，系統(tǒng)功能的切換速度快，并且不影響其他硬件區(qū)域的運(yùn)行；全局動(dòng)態(tài)可重構(gòu)是指在重構(gòu)時(shí)向 FPGA 重新加載包含全部邏輯資源的配置文件，重構(gòu)前后片上邏輯全部改變。

2.2.2 FPGA 動(dòng)態(tài)部署的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)階段通過FPGA 全局動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了預(yù)處理單元功能的動(dòng)態(tài)部署，在設(shè)計(jì)之初，利用FPGA 全局資源，根據(jù)不同作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃，完成人員物質(zhì)救援偵察、圖景采集遙感成像、數(shù)據(jù)信息通信干擾防竊、通信導(dǎo)航增強(qiáng)等一系列功能任務(wù)分別在預(yù)處理單元FPGA 上的代碼實(shí)現(xiàn)及編譯，獲取對(duì)應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)下的對(duì)應(yīng)不同的配置文件。注意對(duì)應(yīng)不同功能需求需要保證各個(gè)任務(wù)狀態(tài)下FPGA 設(shè)計(jì)的MicroBlaze 框架一致且能覆蓋主控端對(duì)預(yù)處理單元各個(gè)任務(wù)的指令控制[10?11]。對(duì)配置文件采取MicroBlaze 軟核配合波形組件任務(wù)的方式完成全局在線動(dòng)態(tài)可重構(gòu)bit 文件的設(shè)計(jì)和制作，生成的一系列聚合MicroBlaze 軟核功能的配置文件通過以太網(wǎng)上傳至主控板SD 卡。

因預(yù)處理單元所選用的FPGA 為高端Ultrascale+系列，其加載bit 文件的大小高達(dá)1 Gb，為保證對(duì)高性能FPGA 實(shí)現(xiàn)快速需求功能切換，滿足快速完成加載的需要，特設(shè)置高速加載總線。

高速加載總線在背板體現(xiàn)為單路Serdes 總線，由主控板發(fā)出，由節(jié)點(diǎn)板的CPLD 解析其協(xié)議。為降低對(duì)CPLD 的要求，采用專用的串并轉(zhuǎn)換收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。最快波特率支持至24 bit×75 MHz=1.8 Gb/s。串并收發(fā)器的設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 串并轉(zhuǎn)換收發(fā)器

在動(dòng)態(tài)部署過程中，主控單元通過以太網(wǎng)接收來自上位機(jī)控制界面的指令，選擇預(yù)先生成的對(duì)應(yīng)功能任務(wù)的配置文件，通過DMA 下發(fā)給主控邏輯端，經(jīng)串并轉(zhuǎn)換處理，通過selectmap 在線加載的方式，在不斷電重啟的前提下，基于同一套硬件實(shí)現(xiàn)波形組件的重新加載，完成任務(wù)的切換。預(yù)處理單元?jiǎng)討B(tài)部署實(shí)現(xiàn)多波形組件任務(wù)，如圖4 所示。

圖4 預(yù)處理單元?jiǎng)討B(tài)部署實(shí)現(xiàn)多波形組件任務(wù)

圖5 Monitor 和Agent 通信及動(dòng)態(tài)部署框圖

2.3 信號(hào)處理單元的動(dòng)態(tài)部署設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

信號(hào)處理單元涉及的資源主要是DSP，項(xiàng)目中涉及的DSP 有n個(gè)核心，即相當(dāng)于n個(gè)單核CPU，一個(gè)核心在某一個(gè)時(shí)刻只能運(yùn)行一個(gè)服務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)多種功能動(dòng)態(tài)部署，需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)Monitor（檢查員）服務(wù)，負(fù)責(zé)DSP核心資源的動(dòng)態(tài)部署。設(shè)置DSP 核0 運(yùn)行的是Monitor服務(wù)，Monitor 服務(wù)負(fù)責(zé)的內(nèi)容有與核心框架進(jìn)行通信、服務(wù)分發(fā)、資源信息查詢和服務(wù)例程引導(dǎo)重構(gòu)[12?13]。下面分別進(jìn)行說明。

2.3.1 與DSP Agent 通信

Monitor 服務(wù)使用Micro-DDS（Data Distribution Service，DDS）中間件來與ARM 上的核心框架進(jìn)行通信。Micro-DDS 使用的是發(fā)布訂閱模式，Monitor 既可作為發(fā)布者，也可作為訂閱者。作為發(fā)布者，則是將DSP 資源和服務(wù)信息傳送到核心框架；作為訂閱者，則是接受核心框架發(fā)送的指令信息[14?15]。

Monitor 服務(wù)在DSP 啟動(dòng)的時(shí)候就要開始運(yùn)行，Monitor 負(fù)責(zé)將那些與DSP 綁定的在Flash 緩存上的功能例程信息通過Micro-DDS 中間件上傳到Agent，Agent 收到后將DSP 上的服務(wù)以及設(shè)備對(duì)應(yīng)IP 和Port 等信息注冊(cè)到服務(wù)映射表，這樣核心框架可以根據(jù)映射表，依靠Micro-DDS 給DSP 設(shè)備發(fā)送指令啟動(dòng)并運(yùn)行指定服務(wù)功能。

為了完成上述復(fù)雜功能，DSP 和核心框架需要自定義一套通信協(xié)議。通信協(xié)議包含的基本內(nèi)容有服務(wù)分發(fā)、查詢、例程下載和刪除以及服務(wù)運(yùn)行結(jié)果返回。在工作核心上的服務(wù)運(yùn)行結(jié)束后即使將結(jié)果返回給Agent。

在動(dòng)態(tài)部署過程中，服務(wù)管理層下發(fā)指定作戰(zhàn)任務(wù)指令到主控單元，主控單元根據(jù)指令信息通過DSP Agent 下發(fā)指定需求功能信息到所有DSP 核0 的Monitor，Monitor解析指令并根據(jù)指令啟動(dòng)從Flash 特定地址空間重載功能任務(wù)，功能任務(wù)動(dòng)態(tài)重配置完成后上報(bào)當(dāng)前核資源信息及功能任務(wù)信息和運(yùn)行狀態(tài)，完成任務(wù)的切換。

2.3.2 Agent 設(shè)計(jì)

DSP Agent 是作為在ARM 上部署的服務(wù)控制單元，功能包括：

(1)與所屬的DSP Monitor 進(jìn)行通信；

(2)服務(wù)分發(fā)的負(fù)載均衡；

(3)管理在DSP 上的服務(wù)(包括IP、端口等信息)；

(4)保活機(jī)制（定時(shí)檢測(cè)服務(wù)狀態(tài))。

其中服務(wù)分發(fā)需要設(shè)計(jì)調(diào)度負(fù)載均衡的調(diào)度策略，根據(jù)服務(wù)運(yùn)行情況和系統(tǒng)負(fù)載將服務(wù)指令分發(fā)到合適的設(shè)備上。常見的調(diào)度策略有FCFS(先來先服務(wù))、短作業(yè)優(yōu)先和優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法等。由于服務(wù)運(yùn)行時(shí)間不可預(yù)測(cè)，故Monitor 要根據(jù)服務(wù)指令接受順序和服務(wù)本身優(yōu)先級(jí)計(jì)算服務(wù)權(quán)重，將權(quán)重作為優(yōu)先級(jí)參考指標(biāo)進(jìn)行調(diào)度。

2.3.3 接口設(shè)計(jì)

主控單元需要向服務(wù)管理層提供統(tǒng)一的API，使得服務(wù)管理層無需關(guān)注服務(wù)運(yùn)行的設(shè)備差異，只關(guān)注服務(wù)以及編排本身。因此主控單元ARM 控制端需要為底層硬件DSP 做適配，即給對(duì)應(yīng)DSP 控制的Agent 的封裝接口，提供基本的通信、指令收發(fā)、服務(wù)上傳等功能。

主控單元提供的用于DSP Agent 與DSP 設(shè)備進(jìn)行通信的接口如表1 所示。

表1 Agent 提供與DSP 設(shè)備進(jìn)行通信的接口表

DSP_Agent 負(fù)責(zé)管理幾個(gè)DSP 設(shè)備，給Service_Provider 提供統(tǒng)一的服務(wù)調(diào)用接口，同時(shí)根據(jù)服務(wù)設(shè)備使用情況進(jìn)行負(fù)載均衡。常見的負(fù)載均衡算法有輪詢法、隨機(jī)法、源地址哈希法、加權(quán)輪詢法、加權(quán)隨機(jī)法和最小連接數(shù)法。

現(xiàn)總結(jié)DSP_Agent 給Service_Provider 封裝的接口如表2 所示。

表2 DSP_Agent 給Service_Provider 封裝的接口表

2.4 動(dòng)態(tài)部署后的控制鏈路及數(shù)據(jù)通路重建

異構(gòu)處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)指令控制信息交互總線為千兆以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)交互鏈路為SRIO(Serial RapidIO)，在任務(wù)功能重構(gòu)過程中需要對(duì)FPGA 及DSP 內(nèi)的功能配置文件進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)，這會(huì)打斷重構(gòu)之前建立的千兆以太網(wǎng)連接、SRIO 鏈路，需要重建網(wǎng)絡(luò)連接及SRIO鏈接。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)連接，預(yù)處理單元?jiǎng)討B(tài)重配置后需要自動(dòng)重新運(yùn)行內(nèi)部MicroBlaze 內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)初始化及網(wǎng)絡(luò)本端口配置流程，從而主控端千兆網(wǎng)口與預(yù)處理單元千兆網(wǎng)重新建立連接。信號(hào)處理單元?jiǎng)討B(tài)重配置后也要自動(dòng)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)初始化，才能建立DSP 與系統(tǒng)千兆網(wǎng)的重新連接，進(jìn)而承擔(dān)起新作戰(zhàn)任務(wù)下的指令數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。本設(shè)計(jì)當(dāng)前系統(tǒng)各單元網(wǎng)絡(luò)連接通路如圖6 所示。

圖6 異構(gòu)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)框圖

對(duì)于SRIO 系統(tǒng)連接，系統(tǒng)多種功能任務(wù)動(dòng)態(tài)重配置，有部分功能任務(wù)需要對(duì)預(yù)處理單元及信號(hào)處理單元同時(shí)重配置，有部分作戰(zhàn)任務(wù)只需要重配置預(yù)處理單元，不同功能任務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)流向需求不同從而要求任務(wù)動(dòng)態(tài)配置時(shí)SRIO 交換路由配置更新。結(jié)合本系統(tǒng)SRIO互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)經(jīng)過使用三片SRIO 交換芯片路由，且有部分通路需要經(jīng)兩級(jí)交換芯片路由，這會(huì)導(dǎo)致在動(dòng)態(tài)配置過程中出現(xiàn)根據(jù)特定功能需求，兩級(jí)交換芯片在功能重構(gòu)后全部路由重配及配置后與各單元SRIO接口通過維護(hù)包進(jìn)行ACK_ID 的再次握手的需求；以及特定功能需求下，只需要一級(jí)交換芯片在功能重構(gòu)后進(jìn)行路由重配時(shí)，與另外一級(jí)路由設(shè)備的再握手或隔離。以此保證功能動(dòng)態(tài)配置后的數(shù)據(jù)鏈路調(diào)整及通暢。本系統(tǒng)SRIO 系統(tǒng)連接通路如圖7 所示。異構(gòu)系統(tǒng)SRIO 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)重建流程如圖8 所示。

圖7 異構(gòu)系統(tǒng)SRIO 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)框圖

圖8 異構(gòu)系統(tǒng)SRIO 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)重建流程

3 測(cè)試與驗(yàn)證

3.1 預(yù)處理單元FPGA 動(dòng)態(tài)部署測(cè)試

異構(gòu)處理器完成預(yù)處理單元、主控單元、指令及數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)建后，基于系統(tǒng)需求在預(yù)處理單元設(shè)計(jì)了人員物質(zhì)救援偵察任務(wù)、圖景采集遙感成像任務(wù)、數(shù)據(jù)信息通信、數(shù)據(jù)信息通信干擾防竊、通信導(dǎo)航增強(qiáng)5種不同的功能代碼設(shè)計(jì)，并生成支持可動(dòng)態(tài)部署的融合MicroBlaze 應(yīng)用的5 種配置文件。異構(gòu)處理器實(shí)物機(jī)箱如圖9 所示。展開功能完整且高強(qiáng)度多次測(cè)試，經(jīng)過5種應(yīng)用交替循環(huán)超過50 次動(dòng)態(tài)部署切換，結(jié)果如圖10～圖14 所示。結(jié)果證明異構(gòu)處理器應(yīng)用對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)的預(yù)處理單元?jiǎng)討B(tài)部署5 種應(yīng)用全部工作穩(wěn)定，并且加載時(shí)長(zhǎng)都在1 s 以下，滿足6 s 以內(nèi)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)的系統(tǒng)需求。而且系統(tǒng)涉及的5 種應(yīng)用配置文件高達(dá)50 MB，應(yīng)用常規(guī)手段，其配置文件通過JTAG 加載時(shí)間超過220 s，且資料查詢顯示對(duì)FPGA 更新已知?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)中跟新配置10 MB 大小的配置數(shù)據(jù)也需要40 s，因此本動(dòng)態(tài)部署設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)性及動(dòng)態(tài)部署靈活度更高。

圖9 異構(gòu)處理器實(shí)物機(jī)箱

圖10 人員物質(zhì)救援偵察任務(wù)偵測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖11 圖景采集遙感成像任務(wù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖12 圖景采集遙感成像任務(wù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果目標(biāo)提取后通信傳輸結(jié)果

圖13 各功能任務(wù)自主切換及動(dòng)態(tài)重配置時(shí)間結(jié)果1

圖14 各功能任務(wù)自主切換及動(dòng)態(tài)重配置時(shí)間結(jié)果2

3.2 信號(hào)處理單元DSP 動(dòng)態(tài)部署測(cè)試

在處理器系統(tǒng)完成信號(hào)處理單元?jiǎng)討B(tài)重配置需要的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，根據(jù)本處理器承擔(dān)的功能，信號(hào)處理單元需要實(shí)現(xiàn)人員物質(zhì)救援偵察任務(wù)、圖景采集遙感成像任務(wù)這兩種不同應(yīng)用功能，并生成相應(yīng)配置文件燒寫到4 片DSP 不同F(xiàn)lash 地址空間。同時(shí)根據(jù)需求設(shè)計(jì)兩種功能下主控到DSP 之間的控制交互指令及通信接口代碼。按照DSP 動(dòng)態(tài)部署流程進(jìn)行應(yīng)用切換測(cè)試，功能運(yùn)行正常，切換時(shí)間在6 s 以下，符合6 s 以內(nèi)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)指標(biāo)要求。

3.3 系統(tǒng)功能下整體功能動(dòng)態(tài)部署測(cè)試

系統(tǒng)功能聯(lián)調(diào)需要預(yù)先在存儲(chǔ)單元預(yù)存人員物質(zhì)救援偵察任務(wù)數(shù)據(jù)、圖景采集遙感成像任務(wù)數(shù)據(jù)，根據(jù)服務(wù)控制端指令，系統(tǒng)先重構(gòu)為人員物質(zhì)救援偵察任務(wù)功能模式，根據(jù)上位機(jī)模擬的衛(wèi)星掃描航跡下發(fā)回放指令，從存儲(chǔ)單元回放數(shù)據(jù)到預(yù)處理單元完成人員物質(zhì)救援偵察任務(wù)信息預(yù)處理，再將處理結(jié)果經(jīng)SRIO 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信號(hào)處理單元，最終信號(hào)處理完成的結(jié)果經(jīng)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示。人員物質(zhì)救援偵察任務(wù)完成后根據(jù)偵察結(jié)果觸發(fā)動(dòng)態(tài)部署圖景采集遙感成像任務(wù)流程，系統(tǒng)重構(gòu)穩(wěn)定后，根據(jù)衛(wèi)星航跡給出回放遙感數(shù)據(jù)指令，經(jīng)預(yù)處理單元完成遙感信號(hào)預(yù)處理后傳輸?shù)叫盘?hào)處理單元實(shí)現(xiàn)遙感圖像處理，再將處理后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回傳給上位機(jī)界面。完成圖景采集遙感成像任務(wù)的同時(shí)，依次觸發(fā)單頻帶通信、擴(kuò)頻通信、梳狀普干擾通信、高斯白噪聲干擾通信、導(dǎo)航增強(qiáng)等任務(wù)的動(dòng)態(tài)部署及圖像數(shù)據(jù)編碼傳輸、射頻發(fā)送、射頻接收解碼及傳輸圖像信息顯示等流程。

4 結(jié)論

本文以異構(gòu)處理器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種支持系統(tǒng)功能可動(dòng)態(tài)部署的方案，賦予處理器即時(shí)智能重構(gòu)、高性能、高效用的性能特征，以滿足資源靈活調(diào)度、多功能任務(wù)實(shí)時(shí)切換的目的。針對(duì)人員物質(zhì)救援偵察任務(wù)、圖景采集遙感成像任務(wù)、數(shù)據(jù)信息通信、數(shù)據(jù)信息通信干擾防竊、通信導(dǎo)航增強(qiáng)功能智能切換需求，搭建可針對(duì)高性能FPGA，多片多核DSP 配置功能在線重構(gòu)系統(tǒng)及重構(gòu)的系統(tǒng)控制鏈、數(shù)據(jù)鏈重組，實(shí)現(xiàn)了多種功能任務(wù)的快速切換及功能實(shí)現(xiàn)，在地面系統(tǒng)全流程測(cè)試中實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。以此動(dòng)態(tài)部署設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，還可以結(jié)合FPGA細(xì)顆粒度可重構(gòu)技術(shù)，在更細(xì)化的資源劃分上實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA 資源、數(shù)字信號(hào)處理資源、CPU 資源等的靈活調(diào)度及分配，使異構(gòu)處理器形成更高性能、高速、智能化特性，滿足多種計(jì)算性能和功能的需求。