SCA 異構平臺系統波形部署技術研究與實現*

趙 蕾

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

傳統電臺通常是針對特定的波形和任務設計的，電臺之間互通往往存在問題。因此美國國防部于1997 年批準了聯合戰術無線電通信系統（JTRS，Joint Tactical Radio Systems）計劃。軟件無線電的目標是在開放的、可擴展的、模塊化的通用平臺上，構建可重構、可配置、可升級、可互通的構件化軟件，更多的電臺功能由軟件實現，而不是通過硬件實現[1]。美軍基于軟件無線電技術開展了長期的研究工作，聯合規劃執行辦公室（JPEO：Joint Program Executive Office）制定了軟件通信架構（SCA，Software Communication Architecture）標準。SCA 通過面向對象方法劃分軟件/硬件結構，建立了開放的系統標準，提供了與具體實現無關的軟件無線電開發框架。

SCA 標準在實踐中不斷演進更新，JTRS 先后發布1.0 到4.1 多個版本，目前各國現役裝備大都基于2.2 和2.2.2 版本設計的。2019 年美國國防部正式宣布在美軍陸海空戰術裝備中全面強制部署SCA 4.1 標準，取代之前部署的SCA 2.2.2 標準[2]。SCA4.1 與SCA2.2.2 的主要區別在于修改了部分接口、增加了組件定義、支持組件的可裁剪、優化并統一了組件的注冊管理機制、支持嵌套應用等，以更好支持各量級平臺設備和提升系統軟件運行效率。

SCA4.1 已不強制使用CORBA（Common Object Request Broker Architecture）作為傳輸機制，但在目前的技術條件下CORBA 仍然是SCA 傳輸機制的首要選擇，因為CORBA 支持IDL，對組件間端口通信比較友好。另一方面，為了滿足高速的數字信號處理發展需求，需要采用DSP 和FPGA 芯片做信號處理，但是DSP 和FPGA 版本的CORBA 產品在資源消耗和傳輸性能上不能滿足系統需求，所以DSP 和FPGA 沒有運行CORBA，而是采用MHAL（Modem Hardware Abstract Layer）進行通信，導致使用CORBA 作為通信機制的核心框架不能對DSP和FPGA 上的軟硬件資源進行管理。本文提出了一種基于代理的SCA 波形部署設計方案，在GPP 上構建代理，通過代理對DSP 和FPGA 的組件加卸載及組件的基礎應用接口進行管理。

1 硬件架構

本文采用硬件架構如圖 1 所示，包括天線、射頻前端、射頻信道、2 塊信號處理模塊、數據處理模塊，信號處理模塊中包含兩片Tsi6678 DSP 和 兩片485T FPGA 芯片，數據處理模塊采用P2020 處理器，支持4 通道。DSP、FPGA 和GPP 之間通過1x 2.5Gbps Rapid IO 串行總線互連，DSP 與FPGA 中間通過EMIF 互連。

圖1 系統硬件架構

2 系統軟件設計

系統軟件構架如圖2 所示[3]，由操作系統、傳輸機制、核心框架控制組件、設備與服務、應用及應用組件組成。操作系統為系統運行的所有軟件（包括應用、設備和服務等）提供多線程、文件系統等支持；傳輸機制為組件間提供通信方法；核心框架控制組件完成對系統軟硬件資源的管理，包括設備服務的啟動和應用的部署管理；設備組件對硬件平臺中的設備進行封裝，為應用提供訪問設備資源的標準接口；服務是平臺提供的各種非硬件的、由軟件實現的組件。

圖2 系統軟件架構

2.1 系統建模

對系統的軟硬件資源進行抽象建模，建模包括應用建模和節點建模，應用是對功能軟件的抽象，節點是對硬件的抽象。應用由組件構成，組件劃分原則要注意劃分粒度，如果粒度太大，不便于組件的復用，如果粒度太小，就會導致資源利用率太低，重構時間長。節點建模主要是對設備和服務的建模，設備主要包括可加載/可執行設備、標準外設設備，將獨立于波形、不隨波形切換變化的軟件部分抽象為服務。

GPP 上通常部署網絡層、鏈路層等組件和核心框架軟件，DSP、FPGA 組件不支持CORBA 中間件，因此在GPP 上為DSP 組件和FPGA 組件抽象出代理組件，為DSP 設備和FPGA 設備抽象出代理設備。

應用組件可根據系統需要裁減繼承基礎應用接口，本文中應用組件繼承了ComponentIdentifier、PortAccessor、LifeCycle、PropertySet、ControllableInterface 接口。

2.2 代理組件設計

DSP 組件和FPGA 組件通過部署在GPP 上的代理組件接受核心框架的管理。DSP 組件和FPGA 組件軟件由基礎應用接口和功能軟件兩部分構成，基礎應用接口負責接收執行代理組件發送的生命周期管理、控制管理及屬性管理等命令，功能軟件完成信號處理算法功能。核心框架應用管理組件通過裝配組件調用代理組件的基礎應用接口，代理組件封裝MHAL 消息包，使用MHAL 傳輸機制發送消息給DSP 組件和FPGA 組件，DSP 組件和FPGA 組件基礎應用接口接收執行控制指令，通過MHAL 回傳執行結果給代理組件，代理組件工作原理如圖3 所示。

圖3 代理組件工作原理

2.3 代理設備設計

核心框架通過運行在GPP 上的代理設備完成DSP 組件和FPGA 組件的加載。代理設備是可執行設備，實現文件映射管理、加載、卸載、執行和終止組件功能。文件映射完成代理組件與DSP 組件和FPGA 組件的映射；核心框架在創建應用時，代理設備DSP Device 和FPGA Device 首先加載代理組件，然后封裝加載控制消息，通過MHAL 傳輸機制給DSP 和FPGA 的加載管理程序發送消息，加載管理加載并執行指定的程序，并將處理結果回傳給代理設備，代理設備工作原理如圖4 所示。

2.4 波形部署預案設計

SCA 核心框架創建波形應用時如不指定設備與組件的部署關系，應用工廠會根據組件運行所需（如處理器、操作系統、處理能力等）要求來自動查找匹配加載設備；但是在系統開發中，需要考慮負載均衡和代理關系，故本文采用另外一種指定部署預案的方式。部署預案既可以根據自定義策略解析SAD（Software Assembly Descriptor）和DCD（Device Configuration Descriptor）動態生成，也可如圖5 所示，預先規劃應用組件與設備的部署關系[4][5][6]。

圖4 代理設備工作原理

圖5 波形部署預案圖

2.5 波形部署過程

波形部署流程如圖 6 所示,可視化人機界面與核心框架控制組件通過CORBA 傳輸機制進行交互實現波形部署。通過可視化人機界面拖拽待部署波形到指定通道，選擇對應的部署預案，解析部署預案獲得波形組件與設備的部署關系，判斷是否是已創建過的應用工廠，如果不是，執行安裝應用操作創建應用工廠；根據組件與設備的部署關系創建應用，首先加載組件到指定的設備，建立組件間的連接，再初始化所有應用組件；啟動應用，即啟動組件間的數據通信。

3 系統驗證

依據硬件架構設計實現節點如圖7 所示，節點包括DomainManager、DeviceManager、GPPDevice、代 理設備、MHALDevice、ControlService、SerialDevice[4][5][6]。

GPPDevice 是GPP 設備，負責加卸載GPP 組件；DSPDevice 是DSP 代理設備，負責加卸載DSP代理組件和DSP 組件；FPGADevice 是FPGA 代理設備，負責加卸載FPGA 代理組件和FPGA 組件；MHALDevice 負責GPP 組件與非GPP 組件之間的通信；ControlService 是控制服務，負責與上位機通信、參數配置、數據轉發；SerialDevice 是串口設備，為波形組件提供標準的串口訪問接口。

圖6 波形部署流程

圖7 節點模型

構建應用模型如圖8 所示，包括Assembly、ProtocolComp、AudioComp、WfParamConfigComp、DSPComp、FPAGComp 組件。ProtocolComp 負責協議處理，與ControlService 通信；AudioComp 負責音頻處理；WfParamConfigComp 負責波形參數配置。在部署階段，DSPComp、FPAGComp 是代理組件。

4 結 語

本文研究了SCA 異構平臺系統波形部署技術，針對核心框架不能管理DSP 和FPGA 上軟硬件資源的問題，提出一種基于代理的SCA 波形部署設計方法。該方法在異構硬件平臺上，為DSP 和FPGA 設計實現了代理設備和代理組件，構建應用波形和節點，進行功能驗證，結果表明方案可行，解決了DSP 和FPGA 軟件接入SCA 系統的問題，可為基于SCA 異構架構的軟件無線電臺的設計和開發提供參考。