SCA 架構(gòu)中通信中間件技術(shù)研究

呂廣喆，李亞暉，劉 陶

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空工業(yè)計算所，陜西 西安 710068）

0 引 言

飛機(jī)間混合編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)是未來空戰(zhàn)的重要形式。為了更好地完成無人機(jī)間、無人機(jī)與有人機(jī)間的“協(xié)同”，需要航電系統(tǒng)的公共資源進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和布署，形成一種“統(tǒng)一平臺”，用以支持飛機(jī)間角色分配、任務(wù)下達(dá)、編隊(duì)協(xié)同等作戰(zhàn)計劃。根據(jù)目前的航電系統(tǒng)劃分，航電系統(tǒng)的核心處理計算機(jī)接收各傳感器、雷達(dá)、電子對抗系統(tǒng)、容器網(wǎng)絡(luò)接口（Container Network Interface，CNI）等分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對各分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對整個航電系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行解算、分析和處理，再將計算后的結(jié)果通過航電總線傳回各個分系統(tǒng)。由于各個分系統(tǒng)屬于智能終端設(shè)備，具備數(shù)據(jù)處理、信號處理、總線數(shù)據(jù)解算處理的能力，因此將這3 個部分集中到核心處理計算機(jī)進(jìn)行處理，提升了平臺的資源利用率。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合，軟件架構(gòu)上需參考軟件通信架構(gòu)（Software Communication Architecture，SCA）實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備與應(yīng)用軟件的解耦，如圖1 所示[1]。

圖1 SCA 軟件架構(gòu)

SCA 是一種基于服務(wù)化和軟件組件化思想提出的信號處理領(lǐng)域的可擴(kuò)展軟件架構(gòu)。基于SCA 架構(gòu)開發(fā)的軟件無線電設(shè)備系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：信號處理硬件設(shè)備與軟件解耦，升級維護(hù)簡單，應(yīng)用采用組件化開發(fā)方式，能夠有效降低成本。目前，裝備領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的SCA2.2.2 規(guī)范在小型軟件無線電設(shè)備研發(fā)方面面臨許多問題，如SCA 架構(gòu)太過復(fù)雜、功耗過不能適應(yīng)嵌入式應(yīng)用場景、CORBA 中間件實(shí)時性差等一系列問題。2012 年再次發(fā)布的SCA4.0 標(biāo)準(zhǔn)在系統(tǒng)升級、輕量化方面做了更多的考慮，重新描述了操作系統(tǒng)、通信中間件、核心框架和應(yīng)用之間的關(guān)系。現(xiàn)在不少SCA 的開源軟件、貨架產(chǎn)品開始遵循SCA4.0 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)[2]。

1 SCA 概述

SCA 核心框提供標(biāo)準(zhǔn)的接口和服務(wù)支持應(yīng)用程序運(yùn)行，控制、管理波形應(yīng)用的安裝、加卸載以及配置。它的核心框架通過對底層軟件和硬件的抽象，實(shí)現(xiàn)了自動裝配、智能化管理的統(tǒng)一接口，包括應(yīng)用管理接口、框架接口、框架服務(wù)接口、域配置文件等幾個部分[3]。

應(yīng)用管理接口包括端口、端口提供者、生命周期管理接口、可測試對象、屬性集、資源和資源工廠，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用組件的生命周期管理。端口包括應(yīng)用組件對外提供的接口以及組件需要調(diào)用的接口；端口提供者為所有提供了端口的組件提供端口獲取操作；生命周期管理接口為組件數(shù)據(jù)和資源提供初始化和釋放操作；可測試對象實(shí)現(xiàn)組件的測試；屬性集支持對組件屬性進(jìn)行訪問；資源是指根據(jù)核心框架定義的基本接口實(shí)現(xiàn)的波形組件，該類接口可以操作波形組件；資源工廠用于創(chuàng)建和撤銷資源。

框架接口提供對信號處理系統(tǒng)的控制能力，提供對應(yīng)用、設(shè)備和設(shè)備管理器的注冊、注銷等控制接口。

框架服務(wù)接口提供分布式文件訪問能力，具備讀、寫、創(chuàng)建、刪除、復(fù)制文件等功能，包括文件、文件系統(tǒng)、文件管理器等。

域配置文件描述了信號處理系統(tǒng)中硬件設(shè)備、應(yīng)用組件的關(guān)鍵特征，支持資源通過組合的方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。在啟動、初始化、安裝應(yīng)用組件時需要獲取配置文件的信息。

SCA 的啟動過程如下：首先進(jìn)行系統(tǒng)加電，完成各個硬件模塊的初始化，直到SCA 核心框架的加載和初始化完成。通常先啟動的是域管理器所在的節(jié)點(diǎn)，然后才是其他節(jié)點(diǎn)。

系統(tǒng)加電后啟動操作系統(tǒng)，然后運(yùn)行SCA 框架，讀取配置文件，啟動核心框架的服務(wù)注冊功能；接著加載設(shè)備管理模塊，初始化文件系統(tǒng)，為設(shè)備管理器和設(shè)備提供存儲支持；接下來啟動通信中間件，支持發(fā)布訂閱的異步通信機(jī)制；之后，設(shè)備管理器會啟動日志服務(wù)，日志服務(wù)提供一個短期的內(nèi)存日志，用來記錄系統(tǒng)消息、軟硬件的錯誤和警告信息；啟動后設(shè)備管理器會創(chuàng)建域管理器，管理系統(tǒng)中的硬件和軟件資源，創(chuàng)建、控制波形；各個設(shè)備以組件形式注冊到核心框架中[4]。SCA 啟動過程如圖2 所示。

圖2 SCA 啟動過程

波形安裝過程：調(diào)用域管理器安裝應(yīng)用的接口，創(chuàng)建應(yīng)用工廠，應(yīng)用工廠實(shí)例化、初始化、配置波形應(yīng)用的每個組件，創(chuàng)建組件間連接，最后實(shí)例化波形應(yīng)用。

波形卸載過程：卸載波形應(yīng)用程序時，首先調(diào)用應(yīng)用組件釋放對象的接口，斷開程序間的連接、釋放系統(tǒng)資源、卸載應(yīng)用程序文件，如果此波形應(yīng)用的應(yīng)用工廠無其他波形實(shí)例，可以調(diào)用域管理器卸載應(yīng)用的接口，卸載應(yīng)用工廠[5]。

2 輕量SCA 架構(gòu)

當(dāng)前機(jī)載系統(tǒng)多采用IMA 系統(tǒng)架構(gòu)，隨著技術(shù)的發(fā)展更加強(qiáng)調(diào)低功耗、實(shí)時、容錯能力。而傳統(tǒng)的SCA 架構(gòu)中，CORBA 中間件定義的約束較多、傳輸實(shí)時性有限，已經(jīng)不能完全滿足未來機(jī)載系統(tǒng)的要求。此外，SCA 架構(gòu)對系統(tǒng)容錯能力的考慮不足。因此，本文將針對機(jī)載系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)重新設(shè)計SCA 架構(gòu)，如圖3 所示。

該架構(gòu)包括應(yīng)用程序、通用服務(wù)軟件層、操作系統(tǒng)層、硬件層。

應(yīng)用程序：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)特定應(yīng)用功能，包括資源管理、無線電波處理、波形參數(shù)管理、信息加工及利用等功能。

通用服務(wù)軟件層：提供多處理器間互聯(lián)互通服務(wù)，包括物理總線管理、處理器及其應(yīng)用軟件間通信機(jī)制、日志服務(wù)、文件管理、在線升級、系統(tǒng)管理等平臺服務(wù)。平臺軟件層采用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)軟件和硬件抽象層為應(yīng)用提供通信，封裝物理總線及硬件部件接口的協(xié)議細(xì)節(jié)，采用系統(tǒng)管理支持系統(tǒng)的容錯處理，使用分布式文件系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程文件的訪問操作。

操作系統(tǒng)層：提供軟件運(yùn)行環(huán)境，包括物理總線管理、處理器及外設(shè)資源管理、接口資源驅(qū)動等設(shè)備適配層軟件，分別部署在主處理器上，協(xié)處理器可根據(jù)情況考慮是否部署操作系統(tǒng)。

硬件層：提供支持信號處理的硬件單元，主控處理使用CPU，協(xié)處理器可采用數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）或現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）等設(shè)備。

3 SCA 通信中間件

SCA 通信中間件分為2 個部分，一部分解決不同硬件之間的通信問題，采用DDS 軟件實(shí)現(xiàn)；另一部分解決主處理器與協(xié)處理器之間的通信問題，采用MHAL 邏輯軟件實(shí)現(xiàn)。

DDS 為應(yīng)用提供發(fā)布訂閱接口，支持發(fā)布訂閱、自發(fā)現(xiàn)、消息隊(duì)列，通過操作系統(tǒng)適配層可支持多種操作系統(tǒng)，如Linux、Windows、FreeRTOS、VxWorks 等，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸插件支持不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；提供可配置的服務(wù)質(zhì)量適應(yīng)不同的應(yīng)用場景；提供2 種端點(diǎn)發(fā)現(xiàn)機(jī)制：靜態(tài)發(fā)現(xiàn)和動態(tài)發(fā)現(xiàn)，其中動態(tài)發(fā)現(xiàn)在可信賴的通信通道完成自動的端點(diǎn)信息交換，對用戶透明。發(fā)布訂閱軟件架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 發(fā)布訂閱軟件架構(gòu)

主處理器與協(xié)處理器之間的通信需要解決接口定義、消息序列化、消息路由、底層傳輸協(xié)議適配的問題。該通信機(jī)制需要分別在通用處理器、信號處理、現(xiàn)場可編程門陣列設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，提高單個系統(tǒng)內(nèi)部的易集成性和互操作性。

接口定義為上層業(yè)務(wù)提供了通信接口定義方法；消息序列化實(shí)現(xiàn)消息封裝與解析，消息路由實(shí)現(xiàn)發(fā)送源到目的地址之間的鏈路；底層傳輸協(xié)議針對不同硬件層的傳輸協(xié)議進(jìn)行了適配，適配不同的通信協(xié)議、通信接口，使得不同類型的處理器和操作系統(tǒng)的差異不再對外暴露。對于特定設(shè)備的傳輸協(xié)議、硬件平臺，通過傳輸機(jī)制協(xié)議適配層的修改，可實(shí)現(xiàn)平臺擴(kuò)展。

本文選擇MHAL 為機(jī)載軟件無線電系統(tǒng)上基于消息通信機(jī)制的波形應(yīng)用組件提供一致的通信接口。該接口應(yīng)支持部署在通用處理器、數(shù)字信號處理器、FPGA 上的波形組件通信。波形側(cè)接口由MHAL API提供。MHAL 平臺側(cè)接口由硬件平臺根據(jù)其特定架構(gòu)進(jìn)行定義。

計算單元可以通過MHAL 通信函數(shù)提供的路由能力訪問其他任意單元，所有MHAL CE 的消息格式相同。MHAL 的參考模型如圖5 所示。MHAL 接口規(guī)定了不同計算單元間的通信協(xié)議接口。

圖5 MHAL 參考模型

硬件抽象層通信服務(wù)由通信函數(shù)聯(lián)合接口組件提供。接口組件為應(yīng)用提供消息傳輸能力，通信函數(shù)為應(yīng)用提供消息路由能力。波形應(yīng)用使用硬件通信服務(wù)獲取不同硬件模塊的數(shù)據(jù)消息和控制消息。

接口組件由軟件驅(qū)動或FPGA 接口組成。軟件驅(qū)動通過操作宿主平臺特定傳輸方式來提供消息傳輸功能，而FPGA 接口則是建立針對平臺物理接口的一套消息傳輸機(jī)制。

信源通過MHAL 通信函數(shù)發(fā)送消息，信宿通過MHAL 通信函數(shù)對它的調(diào)用來接收消息。信源和信宿間由通信服務(wù)提供異步可變長度的消息服務(wù)，可在相同或不同硬件模塊上，同一硬件模塊內(nèi)組件間的通信不要求采用通信函數(shù)通信。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合未來裝備發(fā)展的趨勢分析了現(xiàn)有軟件通信架構(gòu)存在的問題，結(jié)合機(jī)載領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)設(shè)計了具備輕量化、容錯功能的軟件通信架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了軟硬件平臺解耦、屏蔽底層硬件差異性。突破了SCA架構(gòu)中通信中間件技術(shù)，使用DDS、MHAL 解決了模塊間、模塊內(nèi)的通信問題，對于提升信號處理的擴(kuò)展性及綜合化能力具有重要意義。