基于多核處理器的雷達(dá)多通道處理與優(yōu)化

文/竇澤華 黎賀

隨著作戰(zhàn)場(chǎng)景的日益復(fù)雜，以及雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達(dá)處理通道數(shù)越來越多,帶寬(采樣率)越來越高。以泰勒斯公司的GM200雷達(dá)為例，處理通道數(shù)大于20個(gè)，采樣率5MHz，總數(shù)據(jù)率大于6.4Gbps；另一方面現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)快速發(fā)展，運(yùn)算量較傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)大幅增加。高數(shù)據(jù)率、大運(yùn)算量，對(duì)后端處理的需求越來越高。

幸運(yùn)的是處理器的能力也在不斷進(jìn)步，多核CPU，眾核GPU的出現(xiàn)，使得高數(shù)據(jù)率、大運(yùn)算量的處理成為可能。以目前市場(chǎng)上的商用服務(wù)為例，四顆CPU（E5或E7）架構(gòu)的服務(wù)器，最大有60個(gè)計(jì)算核。如此多的計(jì)算核（并且按照發(fā)展趨勢(shì)CPU核的數(shù)量會(huì)越來越多），雷達(dá)信息處理軟件該如何設(shè)計(jì)，以便充分發(fā)揮其計(jì)算性能。

本文以實(shí)際工程中的某產(chǎn)品為例，探討多核CPU下的使用方案，并在實(shí)施過程中對(duì)不必要的多余內(nèi)存操作進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高處理通過率。為后續(xù)雷達(dá)高數(shù)據(jù)率、大運(yùn)算量處理提供工程參考。

1 需求分析

1.1 產(chǎn)品介紹

某雷達(dá)通道數(shù)24個(gè)，采樣率5MHz，分6根光纖，每個(gè)光纖傳輸4個(gè)通道數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)量6.7Gbps。如圖1所示。

雷達(dá)陣面下行的每個(gè)光纖內(nèi)4個(gè)通道的數(shù)據(jù)打包格式如圖2所示。

對(duì)信息處理而言，第一級(jí)處理的任務(wù)是將6根光纖數(shù)據(jù)接收緩存，并完成光纖之間的數(shù)據(jù)同步、通道數(shù)據(jù)拆分（將屬于同一個(gè)通道的數(shù)據(jù)整理在一起），以方便后續(xù)處理。其對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)的頻繁操作，使其成為整個(gè)信息處理的瓶頸。本文就以通道拆分為例，研究多核CPU的高數(shù)據(jù)率、大運(yùn)算量的應(yīng)用。

圖2：光纖內(nèi)多通道數(shù)據(jù)格式

圖3：方法（1）處理器執(zhí)行示意圖

圖4：方法（2）處理器執(zhí)行示意圖

1.2 處理平臺(tái)介紹

本文使用基于2顆Intel志強(qiáng)E5處理器的刀片服務(wù)器作為處理平臺(tái)，其關(guān)鍵參數(shù)如下：

（1）計(jì)算資源：雙路Intel Xeon E5-2648L v3（12核，1.8GHz）

（2）內(nèi)存資源：板載DDR4 2133MT/s 64GB

該處理平臺(tái)除去操作系統(tǒng)、中間件驅(qū)動(dòng)使用的4個(gè)核，總計(jì)有20個(gè)核用于計(jì)算。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 方案比較

根據(jù)上述需求，通道拆分需要完成6根光纖數(shù)據(jù)的拆分重組，基于多核處理器有多種并行處理方法：

方法（1）按光纖數(shù)量并行，6根光纖并行處理，按照此方法，只有6個(gè)核在運(yùn)行，有14個(gè)核處于空閑狀態(tài)，處理時(shí)間T1；

方法（2）按24個(gè)通道并行，由于處理平臺(tái)只有20個(gè)計(jì)算核，一次并行20個(gè)通道，剩下的4個(gè)通道還得處理一遍，此時(shí)會(huì)有16個(gè)核處于空閑狀態(tài)，處理時(shí)間2T2；

方法（3）按數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)并行，一次并行20個(gè)點(diǎn)，依次執(zhí)行，最后一次執(zhí)行可能不足20個(gè)點(diǎn)，處理時(shí)間

三種方法的并行示意圖如圖3、圖4、圖5所示。

方案（1）和方案（2）并行顆粒度較粗，均會(huì)出現(xiàn)多個(gè)核的空閑，且每次執(zhí)行時(shí)間較長，沒有充分發(fā)揮多核的性能。只有在光纖數(shù)量、通道數(shù)量是核的整數(shù)倍時(shí)，效率最高，但實(shí)際工程中該情況較少；方案（3）并行顆粒度最細(xì)，雖然在最后一次執(zhí)行也存在部分核的空閑，但每次執(zhí)行只處理1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，執(zhí)行時(shí)間短，整體效率最高。在工程中，也可以考慮舍棄最后小于20（即核的數(shù)量）個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)影響甚微。

根據(jù)上述分析，多核并行處理，要求并行的顆粒度越細(xì)，執(zhí)行效率越高。

2.2 方案實(shí)施

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)多通道收數(shù)預(yù)處理的處理流程如下（圖6）：

（1）6個(gè)核并行接收6根光纖的數(shù)據(jù)；

（2）通道拆分前，完成6根光纖數(shù)據(jù)的合并；

（3）通道拆分：6根光纖24個(gè)通道的數(shù)據(jù)整理；

（4）通道整理，按需求完成有效通道的整理。

2.3 方案優(yōu)化

對(duì)初步方案的處理性能進(jìn)行測(cè)試，整體數(shù)據(jù)通過率7.05Gbps。相比輸入數(shù)據(jù)率6.7Gbps，系統(tǒng)余量只有5%，處理能力臨界，存在系統(tǒng)飽和的風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)照流程圖，步驟（3）的通道拆分經(jīng)過方案的比較，提升空間不大。初步方案為考慮軟件的通用性，在通道拆分前后對(duì)數(shù)據(jù)整理以滿足步驟（3）通道拆分接口的簡化統(tǒng)一，但其對(duì)內(nèi)存訪問頻繁，占據(jù)一半的處理時(shí)間。

按照盡量減少對(duì)內(nèi)存的訪問原則，對(duì)初步方案作以下優(yōu)化：2.3.1 多核光纖收數(shù)

步驟（1）設(shè)計(jì)6個(gè)核并行接收6根光纖的數(shù)據(jù)，同樣存在并行顆粒度過粗，處理核空閑，效率不高。改進(jìn)為6根光纖串行收數(shù)，每根光纖20個(gè)核并行訪問內(nèi)存。

2.3.2 舍棄多光纖數(shù)據(jù)合并，

步驟（2）的數(shù)據(jù)合并是為了方便步驟（3）通道拆分的執(zhí)行。舍棄該步驟后，步驟（3）的通道拆分采用6根光纖串行，依次調(diào)用通道拆分函數(shù)完成6根光纖的數(shù)據(jù)拆分。因?yàn)橥ǖ啦鸱质前磾?shù)據(jù)點(diǎn)并行，所以6根光纖串行處理，并不會(huì)降低效率改造后的流程圖

2.3.3 舍棄拆分后的通道整理

通道拆分后，在某些應(yīng)用模式下，24個(gè)通道中的部分?jǐn)?shù)據(jù)并不完全需要，或者需要調(diào)整數(shù)據(jù)順序，方便后續(xù)的處理，因此需要對(duì)拆分后的24個(gè)通道再進(jìn)行一次整理。

舍棄該步驟后，結(jié)合第2.3.2條優(yōu)化，在每根光纖數(shù)據(jù)拆分的同時(shí)，根據(jù)應(yīng)用模式需求，完成拆分后的數(shù)據(jù)存放。

最終優(yōu)化后的處理流程如圖7所示。

優(yōu)化后的整體數(shù)據(jù)通過率大于14Gbps，比初始方案提高1倍，系統(tǒng)余量50%，大大滿足系統(tǒng)需求。可見內(nèi)存作為處理器的外設(shè)存儲(chǔ)設(shè)備，是多核/眾核高性能處理器的性能瓶頸，對(duì)處理能力的影響巨大。工程使用過程中，應(yīng)盡量減少對(duì)內(nèi)存的頻繁訪問操作。

3 結(jié)束語

本文基于24核雙CPU處理平臺(tái)，探討了雷達(dá)多通道的處理方式。

（1）多核并行顆粒度越細(xì)，對(duì)多核的利用效率越高。對(duì)于后續(xù)的脈沖壓縮、CFAR等需要訪問相鄰數(shù)據(jù)的算法，可考慮將數(shù)據(jù)劃分成若干片段進(jìn)行并行，最大程度接近最優(yōu)的方案；

（2）內(nèi)存作為處理器的外設(shè)，已成為高性能處理的瓶頸，處理過程中應(yīng)盡量較少對(duì)內(nèi)存的讀寫操作，以此提高整體通過率。

基于上述多核多通道并行處理的方法，已經(jīng)在某軟件化雷達(dá)項(xiàng)目中成功應(yīng)用。

圖5：方法（3）處理器執(zhí)行示意圖

圖6：多通道預(yù)處理流程圖

圖7：多通道預(yù)處理流程圖