基于華睿1號平臺的某雷達信號處理軟件設計與實現(xiàn)

本文結(jié)合軟件架構(gòu)和構(gòu)件化設計思路，研究并應用了基于華睿1號信號處理模塊的某雷達信號處理軟件設計方法。該方法不僅具有很好的可復用性、可移植性，而且使系統(tǒng)具有較高的處理速度，保證了系統(tǒng)的實時性。此外， 系統(tǒng)中所設計的管理層，具備了開機自檢、軟件監(jiān)測、任務緩沖等機制，給系統(tǒng)提供了很好的穩(wěn)定性能。

【關鍵詞】華睿1號平臺 信號處理 軟件架構(gòu) 軟件構(gòu)件

1 引言

近年來，對實時信號處理的要求越來越高。所用系統(tǒng)要求具有處理大量數(shù)據(jù)的能力， 這就要求系統(tǒng)硬件達到很高的運算速度，并且軟件處理程序也盡可能優(yōu)化，以保證系統(tǒng)的實時性。本文將介紹一種基于華睿1號信號處理平臺下的軟件框架與構(gòu)件設計方法。該方法具有很高的處理效率和穩(wěn)定性，在不同平臺之間具備可移植性。

2 華睿1號硬件模塊

華睿1號CPU是我國自主研制的一款4核微處理器，在處理能力和能耗方面具有明顯優(yōu)勢，運行多任務實時操作系統(tǒng)時十分穩(wěn)定。華睿1號信號處理模塊由四片華睿1號四核DSP、兩片Xilinx XC5VLX330T、RapidIO交換芯片和網(wǎng)絡交換芯片組成。四片華睿1號為模塊的處理核心，如下圖所示，每片CPU有兩個DDR通道，每通道DDR容量1GB，每片CPU的DDR容量為2GB。兩片F(xiàn)PGA為對稱設計，F(xiàn)PGA1實現(xiàn)和CPU_C的高速數(shù)據(jù)通道以及模塊的控制管理，F(xiàn)PGA2實現(xiàn)CPU_B和CPU_D的高速數(shù)據(jù)通道，F(xiàn)PGA1和FPGA2分別配置為主并模式，各自外掛一片加載flash。FPGA1外接容量為256MB的flash，支持32位文件系統(tǒng)。

3 軟件架構(gòu)設計

軟件架構(gòu)是軟件開發(fā)早期設計階段的產(chǎn)物，是關于系統(tǒng)的抽象描述。軟件架構(gòu)的正確設計和選擇，為以后的開發(fā)、集成、測試、維護各個階段的成功提供了保證。基于架構(gòu)的軟件系統(tǒng)是指由組件裝配、組合而成的軟件系統(tǒng)，它主要由組件和連接件組成。軟件架構(gòu)和組件技術的應用越發(fā)廣泛，源于它所帶來的產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、可復用性和可擴展性等優(yōu)勢。在硬件平臺種類繁多，產(chǎn)品功能各不相同的雷達信號處理領域，研究設計一個相應的軟件架構(gòu)和組件庫，是很有意義的。作為存放組件的容器，組件庫設計的好壞，直接影響到整個平臺的穩(wěn)定性和效率。

3.1 軟件架構(gòu)概念

軟件架構(gòu)（Software Architecture，簡稱SA）是在1969 年的NATO 軟件工程會議上首次提出的，直到1995 年SA 才被確立為軟件工程一個研究方向。雖然好的架構(gòu)不一定能保證可以獲得高可靠性的軟件產(chǎn)品，但建立在不良架構(gòu)基礎上的軟件不可能獲得較高的可靠性。軟件架構(gòu)就是系統(tǒng)的一個或多個結(jié)構(gòu)，它包括軟件組件、這些組件的外部可見屬性以及組件之間的相互關系。軟件架構(gòu)是由組件、連接件和配置組成；組件是架構(gòu)中的功能單元；連接件是功能單元之間進行交互的通道；配置用來說明組件和連接件是如何結(jié)合在一起的，是對組件和連接件的約束；通過配置可以確定組件是否正確連接、接口是否匹配、連接件構(gòu)成的通信是否正確等。組件（構(gòu)件）、連接件和配置是軟件架構(gòu)最基本的構(gòu)造元素。

3.2 通用軟件框架功能

通用框架是產(chǎn)品軟件的骨架，實現(xiàn)軟硬件管理接口服務，包括硬件的配置和通信，軟件的任務和構(gòu)件管理，CPU節(jié)點級動態(tài)重組管理，構(gòu)件調(diào)試管理，狀態(tài)監(jiān)測管理等，支持用戶開發(fā)、調(diào)試獨立于硬件的計算構(gòu)件。

軟件框架分為2層，配置層、管理層，配置層同中間件交互，管理層同構(gòu)件層交互。配置層實現(xiàn)與中間件的交互，主要功能有：任務配置、網(wǎng)絡配置、信號量配置、RIO初始化配置、中斷配置、存貯空間配置。管理層通過某種管理機制實現(xiàn)任務的管理，函數(shù)的管理，主要功能有部署控制、任務控制、任務緩沖、函數(shù)控制、軟件檢測、軟件調(diào)試等機制。

傳統(tǒng)框架將底層配置散落在上電程序和不同的任務函數(shù)中，無參數(shù)控制，不同產(chǎn)品應用，需要進行產(chǎn)品代碼的新增和修改，無法做到代碼的高度復用，增加重復編碼和測試工作。通用框架通過讀取配置文件（配置文件可視化界面生成）實現(xiàn)配置參數(shù)的獲取，最終完成對底層的配置，因此框架的底層配置做到了產(chǎn)品無關，不同應用產(chǎn)品只需要根據(jù)可視化的配置界面進行參數(shù)修改即可自動生成配置文件，達到不同產(chǎn)品的應用。

3.3 具體設計

配置層放置若干底層配置模塊，每個配置模塊負責對某個功能項配置，彼此之間互相獨立，串行執(zhí)行。工作原理如圖2和圖3所示。

管理層放置掛起的若干任務和一系列的管理機制。任務間、管理機制間互相獨立，掛在兩條控制總線上，一條任務控制總線（由任務控制機制實現(xiàn)），一條構(gòu)件控制總線（由構(gòu)件控制機制實現(xiàn)），可實現(xiàn)任務、構(gòu)件的自由重構(gòu)。管理機制由各自的任務、構(gòu)件組成，各管理機制間互相獨立。

4 軟件構(gòu)件設計

4.1 軟件構(gòu)件標準

面向構(gòu)件的嵌入式軟件設計方法將軟件的整個開發(fā)看作一條生產(chǎn)線，不同的軟件模塊作為構(gòu)件拼裝組成了可以運行的軟件，使得軟件復用的粒度更大。面向構(gòu)件的嵌入式軟件設計方法的主要任務是如何獲取通用的構(gòu)件，在軟件設計的過程中，很多模塊都是具有通用性的，將這些模塊進行更好的設計，從而在任何需要這些模塊的地方，直接將原有的模塊進行復用，能夠進一步提高嵌入式軟件的開發(fā)效率。

使用面向構(gòu)件的嵌入式軟件設計方法，需要軟件設計人員具有良好的抽象思維，能夠?qū)⒋笠?guī)模的軟件不斷分解成已有的小規(guī)模的構(gòu)件，從而更好地進行嵌入式的軟件設計。可視化構(gòu)件包含源碼和圖形外殼，源碼封裝在圖形外殼中，封裝由工具實現(xiàn)，源碼由人工進行增量式開發(fā)。構(gòu)件包含通用構(gòu)件和專用構(gòu)件，通用構(gòu)件覆蓋各領域、各專業(yè)，為所有應用提供基礎的應用服務，專用構(gòu)件面向特定產(chǎn)品定制、開發(fā)。

4.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與接口

計算類構(gòu)件源碼內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括：接口轉(zhuǎn)換代碼與主代碼函數(shù)，接口轉(zhuǎn)換代碼為實現(xiàn)和通用框架對接的輔助代碼，主代碼函數(shù)用于實現(xiàn)計算主體，采用VSIPL國際標準開發(fā)。

計算類構(gòu)件源碼接口統(tǒng)一定義為圖4所示接口。

4.3 基于華睿平臺的計算構(gòu)件設計

華睿1號具備矢量處理單元，處理器每次操作可完成一組同類型的數(shù)據(jù)的處理，它對硬件資源的需求量較大，但處理的并行度顯著提高，處理能力大大增強。矢量信號處理通常采用SIMD結(jié)構(gòu)，一組源數(shù)據(jù)同時進入不同的處理單元，以獲得較高的系統(tǒng)加速比。華睿1號的矢量處理單元由矢量發(fā)射隊列、矢量訪存部件、矢量運算部件和矢量寄存器堆等4個部分組成，支持定點和浮點操作。

為了提高處理性能，華睿1號可通過鎖Cache配合DMA傳輸實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理前預取。鎖Cache機制由總線對二級Cache模塊內(nèi)部的4組鎖窗口寄存器進行動態(tài)配置實現(xiàn)，每組窗口的大小可調(diào)。被鎖區(qū)域中的二級Cache塊被鎖住后，其中的指令或數(shù)據(jù)就不會被替換出去。華睿1號內(nèi)置了2個具有矩陣轉(zhuǎn)置功能的DMA模塊，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)在內(nèi)存和二級Cache之間的搬移。當二級Cache收到DMA寫請求時，如果被寫區(qū)域在二級Cache中命中且被鎖住，那么DMA將直接寫入二級Cache，實現(xiàn)將數(shù)據(jù)預取到二級Cache。

在實現(xiàn)算法的矢量計算前預先用DMA將待處理的數(shù)據(jù)搬入二級Cache，計算時CPU直接訪問二級Cache。這樣處理的運算速度相較于從DDR中直接取數(shù)據(jù)，不僅處理時間大大縮短，而且時長更穩(wěn)定。

基本計算構(gòu)件的流程圖如圖5所示。

表1顯示了在華睿1號信號處理模塊上，單核運行MTI構(gòu)件對二級Cache訪問進行運算和直接對DDR內(nèi)的數(shù)據(jù)訪問運算的處理時間對比。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合軟件架構(gòu)和構(gòu)件化設計思路， 介紹了基于華睿1號信號處理模塊的某雷達信號處理軟件設計方法。該方法具有很好的可復用性、可移植性，對于不同的產(chǎn)品，僅需要維護構(gòu)件庫和修改集成代碼，很好的降低了開發(fā)成本。系統(tǒng)實測表明該軟件開發(fā)方法具有較高的處理速度， 保證了系統(tǒng)的實時性。此外， 系統(tǒng)中所設計的管理層，具備了開機自檢、軟件監(jiān)測、任務緩沖等機制，給系統(tǒng)提供了很好的穩(wěn)定性能。

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作者簡介

施西野，男，江蘇省南京市人。碩士學位。現(xiàn)從事南京電子技術研究所信號處理軟件設計、工程師。主要研究方向為雷達信號處理。

作者單位

中電集團南京電子技術研究所 江蘇省南京市 210000