SCA 異構(gòu)平臺系統(tǒng)波形部署技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)*

趙 蕾

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

傳統(tǒng)電臺通常是針對特定的波形和任務(wù)設(shè)計(jì)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(zhǔn)了聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電通信系統(tǒng)（JTRS，Joint Tactical Radio Systems）計(jì)劃。軟件無線電的目標(biāo)是在開放的、可擴(kuò)展的、模塊化的通用平臺上，構(gòu)建可重構(gòu)、可配置、可升級、可互通的構(gòu)件化軟件，更多的電臺功能由軟件實(shí)現(xiàn)，而不是通過硬件實(shí)現(xiàn)[1]。美軍基于軟件無線電技術(shù)開展了長期的研究工作，聯(lián)合規(guī)劃執(zhí)行辦公室（JPEO：Joint Program Executive Office）制定了軟件通信架構(gòu)（SCA，Software Communication Architecture）標(biāo)準(zhǔn)。SCA 通過面向?qū)ο蠓椒▌澐周浖?硬件結(jié)構(gòu)，建立了開放的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，提供了與具體實(shí)現(xiàn)無關(guān)的軟件無線電開發(fā)框架。

SCA 標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)踐中不斷演進(jìn)更新，JTRS 先后發(fā)布1.0 到4.1 多個(gè)版本，目前各國現(xiàn)役裝備大都基于2.2 和2.2.2 版本設(shè)計(jì)的。2019 年美國國防部正式宣布在美軍陸海空戰(zhàn)術(shù)裝備中全面強(qiáng)制部署SCA 4.1 標(biāo)準(zhǔn)，取代之前部署的SCA 2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)[2]。SCA4.1 與SCA2.2.2 的主要區(qū)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(yōu)化并統(tǒng)一了組件的注冊管理機(jī)制、支持嵌套應(yīng)用等，以更好支持各量級平臺設(shè)備和提升系統(tǒng)軟件運(yùn)行效率。

SCA4.1 已不強(qiáng)制使用CORBA（Common Object Request Broker Architecture）作為傳輸機(jī)制，但在目前的技術(shù)條件下CORBA 仍然是SCA 傳輸機(jī)制的首要選擇，因?yàn)镃ORBA 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(shù)字信號處理發(fā)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(chǎn)品在資源消耗和傳輸性能上不能滿足系統(tǒng)需求，所以DSP 和FPGA 沒有運(yùn)行CORBA，而是采用MHAL（Modem Hardware Abstract Layer）進(jìn)行通信，導(dǎo)致使用CORBA 作為通信機(jī)制的核心框架不能對DSP和FPGA 上的軟硬件資源進(jìn)行管理。本文提出了一種基于代理的SCA 波形部署設(shè)計(jì)方案，在GPP 上構(gòu)建代理，通過代理對DSP 和FPGA 的組件加卸載及組件的基礎(chǔ)應(yīng)用接口進(jìn)行管理。

1 硬件架構(gòu)

本文采用硬件架構(gòu)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)硬件架構(gòu)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件構(gòu)架如圖2 所示[3]，由操作系統(tǒng)、傳輸機(jī)制、核心框架控制組件、設(shè)備與服務(wù)、應(yīng)用及應(yīng)用組件組成。操作系統(tǒng)為系統(tǒng)運(yùn)行的所有軟件（包括應(yīng)用、設(shè)備和服務(wù)等）提供多線程、文件系統(tǒng)等支持；傳輸機(jī)制為組件間提供通信方法；核心框架控制組件完成對系統(tǒng)軟硬件資源的管理，包括設(shè)備服務(wù)的啟動(dòng)和應(yīng)用的部署管理；設(shè)備組件對硬件平臺中的設(shè)備進(jìn)行封裝，為應(yīng)用提供訪問設(shè)備資源的標(biāo)準(zhǔn)接口；服務(wù)是平臺提供的各種非硬件的、由軟件實(shí)現(xiàn)的組件。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)建模

對系統(tǒng)的軟硬件資源進(jìn)行抽象建模，建模包括應(yīng)用建模和節(jié)點(diǎn)建模，應(yīng)用是對功能軟件的抽象，節(jié)點(diǎn)是對硬件的抽象。應(yīng)用由組件構(gòu)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(fù)用，如果粒度太小，就會導(dǎo)致資源利用率太低，重構(gòu)時(shí)間長。節(jié)點(diǎn)建模主要是對設(shè)備和服務(wù)的建模，設(shè)備主要包括可加載/可執(zhí)行設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)設(shè)備，將獨(dú)立于波形、不隨波形切換變化的軟件部分抽象為服務(wù)。

GPP 上通常部署網(wǎng)絡(luò)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(shè)備和FPGA 設(shè)備抽象出代理設(shè)備。

應(yīng)用組件可根據(jù)系統(tǒng)需要裁減繼承基礎(chǔ)應(yīng)用接口，本文中應(yīng)用組件繼承了ComponentIdentifier、PortAccessor、LifeCycle、PropertySet、ControllableInterface 接口。

2.2 代理組件設(shè)計(jì)

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(chǔ)應(yīng)用接口和功能軟件兩部分構(gòu)成，基礎(chǔ)應(yīng)用接口負(fù)責(zé)接收執(zhí)行代理組件發(fā)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(yīng)用管理組件通過裝配組件調(diào)用代理組件的基礎(chǔ)應(yīng)用接口，代理組件封裝MHAL 消息包，使用MHAL 傳輸機(jī)制發(fā)送消息給DSP 組件和FPGA 組件，DSP 組件和FPGA 組件基礎(chǔ)應(yīng)用接口接收執(zhí)行控制指令，通過MHAL 回傳執(zhí)行結(jié)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(shè)備設(shè)計(jì)

核心框架通過運(yùn)行在GPP 上的代理設(shè)備完成DSP 組件和FPGA 組件的加載。代理設(shè)備是可執(zhí)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)文件映射管理、加載、卸載、執(zhí)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(chuàng)建應(yīng)用時(shí)，代理設(shè)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(jī)制給DSP 和FPGA 的加載管理程序發(fā)送消息，加載管理加載并執(zhí)行指定的程序，并將處理結(jié)果回傳給代理設(shè)備，代理設(shè)備工作原理如圖4 所示。

2.4 波形部署預(yù)案設(shè)計(jì)

SCA 核心框架創(chuàng)建波形應(yīng)用時(shí)如不指定設(shè)備與組件的部署關(guān)系，應(yīng)用工廠會根據(jù)組件運(yùn)行所需（如處理器、操作系統(tǒng)、處理能力等）要求來自動(dòng)查找匹配加載設(shè)備；但是在系統(tǒng)開發(fā)中，需要考慮負(fù)載均衡和代理關(guān)系，故本文采用另外一種指定部署預(yù)案的方式。部署預(yù)案既可以根據(jù)自定義策略解析SAD（Software Assembly Descriptor）和DCD（Device Configuration Descriptor）動(dòng)態(tài)生成，也可如圖5 所示，預(yù)先規(guī)劃應(yīng)用組件與設(shè)備的部署關(guān)系[4][5][6]。

圖4 代理設(shè)備工作原理

圖5 波形部署預(yù)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(jī)界面與核心框架控制組件通過CORBA 傳輸機(jī)制進(jìn)行交互實(shí)現(xiàn)波形部署。通過可視化人機(jī)界面拖拽待部署波形到指定通道，選擇對應(yīng)的部署預(yù)案，解析部署預(yù)案獲得波形組件與設(shè)備的部署關(guān)系，判斷是否是已創(chuàng)建過的應(yīng)用工廠，如果不是，執(zhí)行安裝應(yīng)用操作創(chuàng)建應(yīng)用工廠；根據(jù)組件與設(shè)備的部署關(guān)系創(chuàng)建應(yīng)用，首先加載組件到指定的設(shè)備，建立組件間的連接，再初始化所有應(yīng)用組件；啟動(dòng)應(yīng)用，即啟動(dòng)組件間的數(shù)據(jù)通信。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

依據(jù)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)如圖7 所示，節(jié)點(diǎn)包括DomainManager、DeviceManager、GPPDevice、代 理設(shè)備、MHALDevice、ControlService、SerialDevice[4][5][6]。

GPPDevice 是GPP 設(shè)備，負(fù)責(zé)加卸載GPP 組件；DSPDevice 是DSP 代理設(shè)備，負(fù)責(zé)加卸載DSP代理組件和DSP 組件；FPGADevice 是FPGA 代理設(shè)備，負(fù)責(zé)加卸載FPGA 代理組件和FPGA 組件；MHALDevice 負(fù)責(zé)GPP 組件與非GPP 組件之間的通信；ControlService 是控制服務(wù)，負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；SerialDevice 是串口設(shè)備，為波形組件提供標(biāo)準(zhǔn)的串口訪問接口。

圖6 波形部署流程

圖7 節(jié)點(diǎn)模型

構(gòu)建應(yīng)用模型如圖8 所示，包括Assembly、ProtocolComp、AudioComp、WfParamConfigComp、DSPComp、FPAGComp 組件。ProtocolComp 負(fù)責(zé)協(xié)議處理，與ControlService 通信；AudioComp 負(fù)責(zé)音頻處理；WfParamConfigComp 負(fù)責(zé)波形參數(shù)配置。在部署階段，DSPComp、FPAGComp 是代理組件。

4 結(jié) 語

本文研究了SCA 異構(gòu)平臺系統(tǒng)波形部署技術(shù)，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(shè)計(jì)方法。該方法在異構(gòu)硬件平臺上，為DSP 和FPGA 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了代理設(shè)備和代理組件，構(gòu)建應(yīng)用波形和節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行功能驗(yàn)證，結(jié)果表明方案可行，解決了DSP 和FPGA 軟件接入SCA 系統(tǒng)的問題，可為基于SCA 異構(gòu)架構(gòu)的軟件無線電臺的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供參考。