1、引言
近年來，導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苓\(yùn)算及信號(hào)處理的要求越來越高。對(duì)目前大多數(shù)基于VME總線的并行多處理器系統(tǒng)而言，總線帶寬已經(jīng)成為制約系統(tǒng)處理能力的瓶頸。VME64X的總線帶寬為320Mb/s，已經(jīng)不能滿足要求高吞吐量、低延遲的系統(tǒng)，迫切需要一種新的運(yùn)算架構(gòu)來滿足實(shí)時(shí)高性能的導(dǎo)航和信號(hào)處理需求。PICMG協(xié)會(huì)在ATCA構(gòu)架的基礎(chǔ)上提出了一種MicroTCA構(gòu)架。
2、AdvancedTCA構(gòu)架
ATCA(advanced telecom computing architecture)高級(jí)電信計(jì)算構(gòu)架采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交換互連結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸$接口信道建立在LVDS(低壓差分信號(hào))差分對(duì)基礎(chǔ)之上,電氣特性達(dá)到3.125GHz，數(shù)據(jù)編碼使用8b/10b編碼機(jī)制。交換互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為：雙星型、雙-雙星型和全網(wǎng)狀。
ATCA構(gòu)架能夠?qū)崿F(xiàn)6.25Gbit/s的速率，高達(dá)2.5Tbps的總帶寬，支持熱插拔和冗余備份，99.999%的可靠性，每板高達(dá)200W的散熱功率。此外還支持不同通訊協(xié)議之間的互連，包括以太網(wǎng)和光纖傳輸、InfiniBand、RapidIO、PCI Express等。
由于成本較高，占用空間大，設(shè)備管理和冷卻供電復(fù)雜，以及必須使用載板來容納AMC模塊，使得ATCA構(gòu)架適用于大規(guī)模、集中式的電信應(yīng)用。
3、MicroTCA構(gòu)架
3.1 MicroTCA主要標(biāo)準(zhǔn)
兼容ATCA、AMC.0規(guī)范；可裁減的成本、尺寸以及模塊；模塊化的設(shè)計(jì)；可擴(kuò)展的背板帶寬，1~40Gb/s；300mm、19英寸可上架機(jī)箱，支持高級(jí)系統(tǒng)管理；每個(gè)AMC模塊20~80W的散熱；支持-40℃~+65℃的溫度范圍；可靠性99.9%~99.999%；最低8年的使用壽命；支持星型、雙星型和全網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；支持熱插拔。
3.2 MicroTCA系統(tǒng)構(gòu)成
1個(gè)典型的MicroTCA系統(tǒng)包括：12塊AMC模塊、1個(gè)或2個(gè)MCH(MicroTCA Carrier Hub)、互連背板以及電源、散熱等模塊(見圖1)。MicroTCA系統(tǒng)支持AMC.0的所有規(guī)格的板卡。MCH是MicroTCA系統(tǒng)的主要組成部分之一，功能類似于載板，以容納AMC模塊。作為載板集中器，MCH能夠同時(shí)進(jìn)行12個(gè)AMC模塊之間的互連和管理。
圖1 MicroTCA系統(tǒng)架構(gòu)
4、AMC構(gòu)架
AMC是新一代擴(kuò)展卡的規(guī)范，支持熱插拔，支持高速互連，支持豐富的處理器構(gòu)架，主要面向于通信和嵌入式領(lǐng)域，同時(shí)具有低成本和模塊化的靈活配置。
AMC模塊是MicroTCA系統(tǒng)的重要組成部分，通過對(duì)AMC模塊的使用能很容易地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展、模塊化設(shè)計(jì)，從而方便地實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)功能。AMC模塊包括CPU、DSP模塊、網(wǎng)絡(luò)處理器(NPU)、存儲(chǔ)模塊以及各種各樣的I/O模塊。
MicroTCA系統(tǒng)支持如圖2所示的6種尺寸的AMC模塊。
圖2 AMC模塊的規(guī)格
不同尺寸的AMC模塊能夠容納的器件是不同的，并且都有自己潛在的應(yīng)用范圍。用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用領(lǐng)域靈活地選擇相應(yīng)的模塊。
5、MicroTCA信號(hào)處理機(jī)
采用如圖3所示的MicroTCA雙冗余構(gòu)架構(gòu)造了一套信號(hào)處理機(jī)。
該系統(tǒng)主要由CPU控制板、DSP信號(hào)處理板、網(wǎng)絡(luò)通信板、數(shù)據(jù)采集板(A/D、D/A)、存儲(chǔ)模塊和機(jī)箱構(gòu)成。
AMC處理器模塊采用英國并行公司的PR AMC/33x，該處理器配備2.0GHz Intel Pentium M處理器，支持PCI Express x8(AMC.1)、2個(gè)千兆以太網(wǎng)(AMC.2)、2個(gè)串行ATA150(AMC.3)。具有強(qiáng)大的處理能力和高速的數(shù)據(jù)傳輸。
信號(hào)處理模塊(AMC DSP)采用Surf公司的DSP模塊SurfRider AMC板，單板可最多容納8顆TI C6455 DSP，板載FPGA管理接口通信。
存儲(chǔ)模塊采用Kontron公司的AM4500，最大120GB的存儲(chǔ)量。兼容AMC.3規(guī)范。
網(wǎng)絡(luò)模塊采用Kontron公司的AM4300，帶4個(gè)10/100/1000Mb自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，支持PCI Express x8、x4、x2、x1鏈路。兼容AMC.2規(guī)范。
MicroTCA機(jī)箱采用德國Rittal公司的3U 14槽19英寸可上架機(jī)箱。
圖3 信號(hào)處理機(jī)結(jié)構(gòu)圖
通過AM4300可同時(shí)將4路千兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)引入系統(tǒng)，通過背板互連將數(shù)據(jù)送入SurfRider模塊進(jìn)行DSP處理，同時(shí)可將數(shù)據(jù)送入AMC4500進(jìn)行同步存儲(chǔ)。處理器AMC模塊PR AMC/33x負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度。該系統(tǒng)可運(yùn)行VxWorks及Linux等主流操作系統(tǒng)，還支持Vxworks進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理。
5.1 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖4。整個(gè)系統(tǒng)采用MicroTCA并行構(gòu)架，由信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、存儲(chǔ)模塊和控制器模塊構(gòu)成。各模塊之間通過AMC規(guī)范定義的各種高速總線進(jìn)行互連。本系統(tǒng)中包括Serial RapidIO、Fiber Channel、Ethernet、PCI Express。
圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
信號(hào)處理模塊由兩塊DSP多處理器板構(gòu)成。從功能上劃分，用第一片DSP處理板C6455完成速度補(bǔ)償以及抗異步干擾模塊、脈沖壓縮模塊的功能；用第二片C6455完成動(dòng)目標(biāo)處理模塊、非相參積累模塊、雜波圖以及恒虛警檢測(cè)(CFAR)模塊及點(diǎn)跡提取模塊的功能。兩板之間通過Serial RapidIO進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。峰值速率高達(dá)3.125GBps。
每塊處理板包含8顆TI DSP定點(diǎn)處理器C6455，主頻高達(dá)1GHz，每DSP帶32M DDR2 DRAM，運(yùn)算節(jié)點(diǎn)之間通過共享內(nèi)存提高系統(tǒng)通信能力。單顆DSP運(yùn)算能力達(dá)8000 MIPS，每塊信號(hào)處理板運(yùn)算能力高達(dá)64000 MIPS。8顆C6455之間也通過RapidIO進(jìn)行連接構(gòu)成并行處理系統(tǒng)。存儲(chǔ)模塊和采集模塊完成導(dǎo)航數(shù)據(jù)的高速采集和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。DSP信號(hào)處理板硬件構(gòu)架見圖5。
圖5 信號(hào)處理板構(gòu)架
5.2 軟件設(shè)計(jì)
信號(hào)處理以及實(shí)時(shí)成像對(duì)運(yùn)算量和實(shí)時(shí)性要求很高，往往無法由單顆DSP完成。本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)可以對(duì)系統(tǒng)中的任一片或幾片DSP模塊進(jìn)行相應(yīng)功能的編程，多個(gè)模塊組成的并行處理系統(tǒng)保證實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理能力。用本系統(tǒng)進(jìn)行脈沖壓縮時(shí)，采用串行處理方法，將數(shù)字脈壓的卷積過程轉(zhuǎn)化成三步運(yùn)算，即先將輸入信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，再乘上與輸入信號(hào)相匹配的濾波系數(shù)，將乘積進(jìn)行逆傅立葉變換，最終得到脈沖壓縮結(jié)果。于是，可將處理任務(wù)分解成三個(gè)流水處理過程：(1)FFT；(2)復(fù)數(shù)乘法；(3)IFFT。即將信號(hào)的卷積實(shí)現(xiàn)從(1)式到(3)式的變換。
y(n)=x(n)*h(n) (1)
式中x(n)為輸入信號(hào)，h(n)為匹配濾波系數(shù)，用FFT法實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈壓，即完成：
y(n)=IFFT(X(jω)·H(jω)) (2)
y(n)=IFFT(FFT(X(n))·FFT(h(n))) (3)
按照算法的數(shù)據(jù)流走向分別分配給相應(yīng)的DSP芯片完成FFT、復(fù)乘和逆FFT，采用這樣的串行處理%能夠把數(shù)據(jù)在一個(gè)包內(nèi)處理并傳送至下一流程，無需考慮數(shù)據(jù)的等待和拼合，處理流程加快，程序容易編制。
6、結(jié)論
文中構(gòu)建的基于MicroTCA構(gòu)架的DSP并行處理導(dǎo)航系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)VME、CPCI總線系統(tǒng)帶寬方面的不足，先進(jìn)的構(gòu)架支持RapidIO、PCI Express、Fiber Channel以及Ethernet等高速總線的背板互連.系統(tǒng)的信號(hào)處理能力可以通過增加信號(hào)處理板很容易地進(jìn)行擴(kuò)張。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，處理能力強(qiáng)，帶寬高，實(shí)時(shí)性好且支持-40℃~+65℃的溫度范圍。隨著MicroTCA構(gòu)架被PICMG制定為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，MicroTCA構(gòu)架將會(huì)更多地應(yīng)用于地面導(dǎo)航、雷達(dá)成像等領(lǐng)域。