段求輝

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

隨著航空電子技術(shù)的不斷發(fā)展，航空電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的分布式模擬結(jié)構(gòu)一直演變到目前的綜合式積木結(jié)構(gòu)[1]。在綜合式積木結(jié)構(gòu)中，航電系統(tǒng)的數(shù)字計算被集中在一起，利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)或貨架產(chǎn)品，設(shè)計成高度綜合化的通用處理平臺－綜合核心處理機，以降低系統(tǒng)費用。

機載傳感器作為航電系統(tǒng)的重要組成部分，其信號處理和數(shù)據(jù)處理在航電系統(tǒng)的數(shù)字計算中占有舉足輕重的地位。本文針對機載射頻傳感器系統(tǒng)數(shù)字計算的特點，對綜合化核心處理機(ICP)架構(gòu)設(shè)計的考量因素進行了分析，并給出了一個具體核心處理機的設(shè)計和實現(xiàn)結(jié)果。

1 ICP架構(gòu)特征

1.1 架構(gòu)的基本特征

從計算用途來看，ICP需要完成傳感器系統(tǒng)(包括雷達、通信、導航、識別、電子戰(zhàn)和光電傳感器等)[2]的信號處理、數(shù)據(jù)處理運算，以及多傳感器數(shù)據(jù)融合、導航計算、火控計算、干擾控制、顯示控制等任務(wù)處理功能，并且這些計算和處理的數(shù)據(jù)是突發(fā)的或受外部激勵導致的，而且往往多種計算是同時存在的，因此ICP應(yīng)該具備并行計算機的體系結(jié)構(gòu)特征，類似于商業(yè)計算中定義的支持多道程序運行或多用戶應(yīng)用的多處理器計算機。此外，作為多個?傳感器共用的處理核心，ICP必須有多個I/O和各種傳感器或者其他航電設(shè)備連接，因此其必須是一個多入多出的計算機系統(tǒng)。

從軟件實現(xiàn)的角度來看，完整的ICP體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該同時包括硬件特征以及為了支撐用戶編程的軟件特征，即ICP的體系結(jié)構(gòu)特征還應(yīng)包括編程模型以及通信抽象，其中編程模型是程序員在編程時所看到的ICP特征，通信抽象則表現(xiàn)為ICP的通信原語，為應(yīng)用程序和系統(tǒng)實現(xiàn)之間的一個邊界。圖1是參照David E.Culler等人提出的并行計算機體系結(jié)構(gòu)抽象層次[3]所定義的ICP體系結(jié)構(gòu)抽象層次。

圖1 ICP體系結(jié)構(gòu)抽象層次Fig.1 Abstract level of the ICP

在ICP體系結(jié)構(gòu)抽象層次中，編程模型定義了應(yīng)用程序的各部分之間是如何協(xié)調(diào)一致和實現(xiàn)信息交互的，主要包括3種:多道程序、共享地址、消息傳遞[3]。

編程模型通過下面的通信抽象映射成ICP中的具體實現(xiàn)，通信抽象在ICP中的實現(xiàn)可以是由操作系統(tǒng)提供的通信支持或者是專門為ICP編寫的通信支持庫。整個抽象層次的最底層是支持ICP實現(xiàn)的各種硬件資源，其設(shè)計既要滿足ICP的應(yīng)用需求和體系結(jié)構(gòu)的要求，同時還需要考慮工程約束，如成本、可擴展性等。

1.2 ICP體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的考量因素

從使用的角度來看，ICP的架構(gòu)設(shè)計必須同時滿足兩個方面的需求，一是滿足數(shù)字計算所需的運算性能需求，二是滿足最終購買用戶關(guān)心的成本、體積、重量和可擴展性等需求。

通俗來講，運算性能可以用程序執(zhí)行時間來衡量，它可大致分解成兩部分，一是處理器執(zhí)行程序所花費的時間，還有就是程序執(zhí)行通信所花費的時間。其中處理器執(zhí)行程序的時間花費和處理器自身的硬件性能以及程序或具體算法的特性有關(guān)，一般只能通過選取性能更優(yōu)良的處理器芯片或改進具體算法來優(yōu)化，本文對此不作討論。而程序執(zhí)行通信的時間花費與編程因素和硬件因素都有關(guān)，是ICP架構(gòu)設(shè)計所關(guān)心的，一般可采用以下的通信代價模型來描述:

其中，CT(n)為傳輸n字節(jié)數(shù)據(jù)的代價;FT為程序中通信操作的次數(shù);T(n)為通信時間開銷;TOL指可以和其他有用工作同時進行的通信操作部分，例如計算以及其他通信等，這意味著部分通信代價被程序的并行性所抵消。

對于ICP這種需要支持高頻度通信的設(shè)備來說，通信代價模型中通信時間部分所占比重必須比較小，這意味著ICP必須是低負載、低網(wǎng)絡(luò)延時以及很小的占用度。對通信代價的關(guān)注決定了ICP在通信頻率或通信量增加時，其內(nèi)部通信體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該能很好的適應(yīng)，從而不會造成計算性能的大幅度下降。

傳統(tǒng)上通信時間開銷T(n)采用與傳輸帶寬采用線形模型來描述:

其中，n為需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量;B是傳輸通路的帶寬;T0為常量，即啟動傳輸所花費的時間。

在實際使用中，情況較為復雜，例如傳輸方式可能是流水線方式，傳輸通路上可能有多個地方需要緩存數(shù)據(jù)，多個并發(fā)傳輸之間往往要競爭傳輸資源，等等，因此一般采用以下改進模型來描述:

其中，Ts(n)指處理器用來啟動傳輸所花費的時間。這可以是一個固定的開銷，也可能是n的線性函數(shù)，取決于具體的傳輸機制;TO(n)被定義為占用度，它表示數(shù)據(jù)通過通信路徑上最慢的部件時所用的時間，部件包括緩沖區(qū)、交換機和通信輔助部件等，在只考慮通路帶寬限制因素時占用度可以表示為n/B;TDelay(n)表征的是一個最小的數(shù)據(jù)單位經(jīng)過數(shù)據(jù)通路所花費的時間，也即所謂的傳輸路徑延時。

ICP的成本、體積、重量和可擴展性等需求一般通過架構(gòu)中的資源模塊化、通用化、資源的可共享、可重構(gòu)以及架構(gòu)的開放性等綜合化因素來解決。

資源的模塊化、通用化意味著在硬件設(shè)計時將硬件按功能分類，同類的硬件模塊對外提供相同的接口定義以及功能服務(wù)。在軟件設(shè)計方面則需要設(shè)計軟件中間件，該軟件對下屏蔽硬件資源的具體差異，包括處理器的差異、通信電路差異以及模塊內(nèi)部支持資源如定時、BIT等的差異;對上提供應(yīng)用軟件所需的統(tǒng)一接口抽象，實現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用、數(shù)據(jù)通信等功能。

資源的可共享和可重構(gòu)除了資源必須通用外，還必須保證資源之間是可任意連接或者連接是可靈活配置的。一般來說，采用集中式總線或者交換網(wǎng)絡(luò)都能實現(xiàn)這種靈活互連的需求，但是如果考慮到前面討論的通信代價，顯然交換網(wǎng)絡(luò)比集中式總線更具有優(yōu)勢。

ICP架構(gòu)的開放性主要通過兩個技術(shù)特征來保證，一是將功能進行封裝，定義標準統(tǒng)一的接口，二是具體實現(xiàn)技術(shù)應(yīng)對功能透明。前一個特征保證不同承制商根據(jù)相同標準設(shè)計的組件是可以互換的，后一個特征保證了需求與技術(shù)的無關(guān)性，從而可以允許承制商選擇低成本商用貨架構(gòu)件(COTS[4])來實現(xiàn)組件。

2 綜合核心處理機設(shè)計實例

本文給出的ICP設(shè)計實例主要用于機載射頻類傳感器的數(shù)據(jù)計算功能，以及整個系統(tǒng)的控制、調(diào)度和管理功能。

ICP對外采用光纖通道(FC)網(wǎng)絡(luò)與3個傳感器前端和1個模擬顯控互連，通過FC網(wǎng)絡(luò)可以直接實現(xiàn)ICP內(nèi)部模塊之間，以及ICP與外部的高速數(shù)據(jù)傳輸。此外，ICP對外還采用CAN總線、RS485總線、離散量等同備份控制等機載設(shè)備互連。供電方面，ICP輸入270 V DC高壓直流電源，通過電源模塊轉(zhuǎn)換為28 V直流電壓供給內(nèi)部其他模塊使用。ICP中提供兩塊電源模塊，支持雙余度供電及電源管理。

2.1 硬件架構(gòu)設(shè)計

ICP中的硬件資源采用模塊化封裝，結(jié)構(gòu)采用傳導散熱及盲插設(shè)計。方案設(shè)計時，參考聯(lián)合標準航空電子委員會(ASAAC)的模塊設(shè)計規(guī)范，對不同模塊的功能、性能、組成結(jié)構(gòu)、對外接口、結(jié)構(gòu)、供電等進行了詳細的定義，并盡可能地將不同模塊中類似功能單元的技術(shù)要求進行歸一化處理，形成標準功能單元，這些標準功能單元主要包括模塊支持單元(MSU)、處理單元、路由單元(RU)、網(wǎng)絡(luò)接口單元(NIU)、電源支持部件(PSE)和模塊物理接口(MPI)，如圖2所示。

圖2 通用功能模塊內(nèi)部組成Fig.2 General structure of the CFM

模塊支持單元(MSU)由非易失存儲電路(NvRAM、FLASH)、測溫電路、授時對時電路、RTC電路、模塊內(nèi)部通信電路組成，主要用于支持模塊的BIT監(jiān)測、時間管理、狀態(tài)記錄等功能。通過MSU，ICP可以實現(xiàn)對模塊的計時和溫度監(jiān)測功能進行維護。此外，MSU內(nèi)部存儲的模塊制造商名、序列號、生產(chǎn)日期、CFM類型、硬件版本號、軟件版本號、網(wǎng)絡(luò)數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)接口類型、網(wǎng)絡(luò)ID等嵌入式信息可用于支持模塊動態(tài)配置、維修、升級等操作。模塊內(nèi)部通信電路主要包括SRIO交換電路、Mailbox電路，用于支持模塊內(nèi)部兩個處理單元之間的高帶寬、低延時通信功能。

處理單元(PU)提供模塊的具體功能，其組成配置因各模塊功能不同有著明顯的差異，用于提供不同的功能特征。例如數(shù)據(jù)處理單元(DP)的構(gòu)成為標準的商用處理器及大容量動態(tài)存儲器(SDRAM)，而大容量存儲的處理單元(MMM)的構(gòu)成則為商用處理器+SDRAM+非易失大容量存儲器(64 GB)。

路由單元(RU)提供模塊內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)接口單元(NIU)、處理單元(PU)和模塊支持單元(MSU)之間的互聯(lián)通信功能。RU也提供網(wǎng)絡(luò)輸入鏈路和網(wǎng)絡(luò)輸出鏈路之間的直接互聯(lián)。由于本實例的ICP模塊采用的處理器集成了RU的功能，因而不需要再設(shè)計單獨的RU電路。

網(wǎng)絡(luò)接口單元(NIU)執(zhí)行模塊處理單元對外的網(wǎng)絡(luò)通信功能，主要由FC協(xié)議處理電路、電/光轉(zhuǎn)換電路和光收發(fā)電路組成，用于實現(xiàn)FC網(wǎng)絡(luò)接口功能。

電源支持部件(PSE)提供外部統(tǒng)一電壓轉(zhuǎn)換至模塊內(nèi)部的電壓功能，即將電源模塊輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為模塊內(nèi)部電路工作所需的直流電壓。

模塊物理接口(MPI)定義模塊的物理特性、機械結(jié)構(gòu)、光接口、電接口和冷卻接口等，在進行具體設(shè)計時，對模塊的殼體、拔插組件、鎖緊裝置和連接器類型等進行了統(tǒng)一。

通過采用上述標準功能單元組成模塊，保證了ICP內(nèi)部模塊的標準化和通用化。本實例中ICP內(nèi)部的模塊共有5種，如表1所示。

表1 ICP模塊類別Table1 The ICP module class

2.2 軟件架構(gòu)設(shè)計

ICP中的軟件采用層次化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括用戶軟件層、軟件隔離層和模塊支持層，在不同軟件層之間定義有開放式標準接口，使得不同廠家開發(fā)的軟件可以很方便的進行集成。整個ICP的軟件層次如圖3所示。

圖3 ICP軟件架構(gòu)Fig.3 Software architecture of the ICP

各層軟件功能定義如下:

用戶軟件層:包括用于完成各種傳感器信號處理和數(shù)據(jù)處理的軟件、傳感器系統(tǒng)控制管理軟件等，該層軟件的特點是完全與平臺具體實現(xiàn)無關(guān)，可以在ICP內(nèi)部同類模塊之間動態(tài)加載和運行，也很容易在不同ICP平臺之間遷移;

軟件隔離層:包括操作系統(tǒng)和軟件中間件，為用戶軟件提供多種服務(wù)，如操作系統(tǒng)服務(wù)(包括進程管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及系統(tǒng)應(yīng)用等幾部分)、文件操作(本地和遠程)服務(wù)、數(shù)據(jù)通信服務(wù)、交換網(wǎng)絡(luò)管理等，同時向用戶軟件屏蔽平臺實現(xiàn)差異，實現(xiàn)多任務(wù)管理、硬件資源管理以及ICP對外數(shù)據(jù)交互等;

模塊支持層:主要對操作系統(tǒng)和軟件中間件提供硬件訪問的支撐服務(wù)，包括硬件驅(qū)動程序、硬件自檢(BIT)、網(wǎng)絡(luò)鏈路層協(xié)議管理、ICP系統(tǒng)引導、程序固化、外部接口操作等功能。

ICP中操作系統(tǒng)配置的是風河公司的Vx-Works5.5產(chǎn)品。由于VxWorks具有較好的可剪裁性，允許用戶自定義系統(tǒng)，因此VxWorks操作系統(tǒng)本身提供了良好的接口定義，用于和應(yīng)用軟件以及硬件驅(qū)動之間的接口。因此，ICP不同軟件層之間的接口定義是在VxWorks操作系統(tǒng)提供的接口基礎(chǔ)上進行進一步的細化、封裝和規(guī)范，以保證接口的兼容性和開放性。

通過軟件的層次化設(shè)計、軟件接口的標準化設(shè)計，對應(yīng)用層軟件屏蔽了底層細節(jié)，再結(jié)合模塊通用化設(shè)計，使得應(yīng)用軟件在ICP內(nèi)部可遷移，功能可重構(gòu)。

2.3 總線互連設(shè)計

ICP內(nèi)部模塊之間采用FC交換網(wǎng)絡(luò)互連，同時該網(wǎng)絡(luò)也是ICP與外部航電設(shè)備交互數(shù)據(jù)的主干通信網(wǎng)絡(luò)。FC網(wǎng)絡(luò)的交換結(jié)構(gòu)以2個16端口FC交換機(NSM)為核心，通過NSM級連成一個具有30個通信端口的大規(guī)模星型交換結(jié)構(gòu)。整個互連拓撲如圖4所示。

圖4 ICP內(nèi)外連接圖Fig.4 Connection of the ICP

整個ICP的模塊間FC網(wǎng)絡(luò)由交換模塊(NSM)和網(wǎng)絡(luò)接口單元(NIU)共同組成，采用航空電子環(huán)境FC協(xié)議(FC－AE)，使用匿名消息傳輸(ASM)[5]。

NSM模塊采用無阻交換結(jié)構(gòu)，提供16路2.125 Gb/s通信速率的FC交換端口，在 FC二層(幀和信號層)提供用于網(wǎng)絡(luò)通信的高速互聯(lián)接口，滿足 FC－FS、FC－PI－4 以及 FC－SW－2 協(xié)議標準要求，并支持路由表遠程動態(tài)加載，支持單播、組播以及廣播通信方式，支持網(wǎng)絡(luò)隱式注冊和注銷功能。單塊NSM點到點無阻交換效率大于線速的90%，約 180 MB/s，端到端交換延遲不大于 12.5 μs，兩塊NSM級聯(lián)端到端交換延遲不大于30 μs。

各模塊中網(wǎng)絡(luò)接口單元(NIU)對模塊內(nèi)部提供基于標準的PCI、PCI－E或RapidIO總線的主機通信接口，對外提供2.125 Gb/s通信速率的FC光纖接口，其硬件包括協(xié)議處理、通信配置存儲器、消息收發(fā)緩沖、設(shè)備管理控制器、光收發(fā)器等部件，能獨立完成ASM協(xié)議的消息收發(fā)調(diào)度、FC協(xié)議組幀/解析以及數(shù)據(jù)收發(fā)錯誤處理等功能。NIU與模塊內(nèi)部處理器之間采用DMA數(shù)據(jù)傳輸機制來提高從FC網(wǎng)絡(luò)上收發(fā)數(shù)據(jù)的效率。

通過采用上述資源互連設(shè)計，可大大降低傳輸模型中的Ts、TO參數(shù)，并且提高通信代價模型中的TOL參數(shù)。在Ts方面，由于采用DMA傳輸機制，處理器啟動一次傳輸只需要花費十幾個程序周期的固定開銷。在TO方面，由于NSM的設(shè)計時延為小于12.5 μs，NIU中采用FPGA硬件邏輯實現(xiàn)協(xié)議處理及緩存管理，因此其時延根據(jù)數(shù)據(jù)包的大小不同大概在幾微秒到幾十微秒，因此整個TO最大為幾十微秒。此外，由于NSM采用的是無阻交換結(jié)構(gòu)，因此在目的地不相同時，多個并發(fā)傳輸之間不存在資源搶占的問題。另一方面，由于NIU能獨立完成FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)以及消息管理等工作，因此除了發(fā)送數(shù)據(jù)時需要處理器啟動DMA會占用極少的處理器時間外，大部分的通信代價能被程序的并行性所抵消。

3 綜合核心處理機實現(xiàn)結(jié)果

在最終實現(xiàn)的 ICP樣機中，功能電路方面，GPP、GPIO、MMM 3 類模塊的處理單元(PU)、模塊支持單元(MSU)、網(wǎng)絡(luò)接口單元(NIU)和電源支持部件(PSE)實現(xiàn)了通用化設(shè)計，其中PU配置包括PPC8641 處 理 器、512 MB 的 DDR II SDRAM、128 KB的NvRAM以及128 MB的FLASH;MSU配置包括PPC8641調(diào)試接口、時間同步邏輯、RTC、模塊復位電路等;PSE配置28 V DC轉(zhuǎn)5 V DC、3.3 V DC等所需工作電壓的電壓轉(zhuǎn)換電路;NIU配置包括用于FC協(xié)議處理及PCI－E接口協(xié)議處理的FPGA、光電收發(fā)接口以及高速數(shù)據(jù)緩存電路。根據(jù)模塊的功能不同，上述通用單元的數(shù)量配置略有差異，例如，GPP配置了2個PU和2個NIU，而GPIO和MMM則只配置了1個PU和1個NIU。

此外，在機械、冷卻和電氣接口方面，ICP中各類模塊也實現(xiàn)了歸一化。各模塊的結(jié)構(gòu)形式相同，由模塊殼體、連接器、拔插組件、鎖緊裝置組成，模塊外形尺寸為160 mm(寬度)×233.4 mm(深度)，厚度除了PSM為39 mm外，其他均為24 mm，各模塊的拔插組件、鎖緊裝置等均可互換。在電氣接口方面，除了PSM和NSM外，其他模塊的電連接器完全相同，都通過一個有光信號、電信號和電源信號的連接器與母板進行通信。ICP中各模塊采用傳導冷卻，模塊的熱量通過模塊殼體傳導至機架側(cè)壁，由機架將模塊熱量帶到機架外部。

在性能方面，整個ICP共包括16個工作頻率為1 GHz(單片極限處理能力為2.3 GIPS)的PowerPC處理器，每個處理器配備有獨立的512 MB的DDR II SDRAM用于程序和數(shù)據(jù)的高速緩存，任意兩個處理器之間可以通過全交換的FC網(wǎng)絡(luò)進行通信，該網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能測試結(jié)果如表2所示。表中應(yīng)用延時是指處理器應(yīng)用軟件層所觀察到的數(shù)據(jù)傳輸延時，主要包括FC協(xié)議處理、數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)收發(fā)緩存所花費的時間，最大為每字節(jié)42.45 μs，在大數(shù)據(jù)包傳輸時可進一步降低到每字節(jié)21.24 μs。考慮到數(shù)據(jù)傳輸主要由各模塊的NIU硬件以及NSM共同完成，不占用處理器資源，傳輸和處理可以并發(fā)進行，因此通過合理地設(shè)計應(yīng)用軟件，通信代價CT(n)還可以大幅度降低。此外，全交換結(jié)構(gòu)設(shè)計使得多點之間并發(fā)通信時交換機不會導致CT(n)惡化，能滿足多傳感器并發(fā)運行的需求。

在整個ICP實現(xiàn)的后期，新設(shè)計了SP模塊和SPIO模塊，用于實現(xiàn)光電傳感器的信號處理和數(shù)據(jù)處理。這兩種模塊采用DSP實現(xiàn)PU單元，其他組成單元與GPP模塊類似，充分證明了ICP架構(gòu)的開放性和良好的擴展性。

表2 網(wǎng)絡(luò)傳輸性能測試結(jié)果Table2 Performance test result of network transmission

4 結(jié)束語

綜合核心處理機是航電系統(tǒng)高度綜合化的重要組成部分。本文設(shè)計的核心處理機，通過對模塊內(nèi)部組成電路進行組件化、歸一化的設(shè)計，軟件層次化的設(shè)計，接口的標準化、歸一化設(shè)計，無阻塞全交換互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以及底層通信支持部件的自主通信管理設(shè)計，在實現(xiàn)ICP內(nèi)部資源通用化、功能可重構(gòu)以及架構(gòu)開放性的同時，還保證了ICP具備強大的運算性能、良好的擴展性。實現(xiàn)結(jié)果表明，通過上述設(shè)計，各功能模塊內(nèi)部四分之三的電路組成可以完全一樣，大大降低了系統(tǒng)的集成和維護難度。此外，在通信代價方面，不考慮通信與計算重疊時，啟動一次數(shù)據(jù)通信代價大約耗時42 μs，在考慮通信與計算重疊時，理想情況下通信代價可以優(yōu)化到納秒量級。

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