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-- 發布時間：2010-12-1 11:04:17
-- 基于G4平臺的嵌入式VxWorks系統在雷達信號處理中的應用
引 言
在雷達系統的數字信號處理中，其主要特點是數據流量大、運算量大和處理的實時性，單片高性能的DSP芯片也不能滿足處理要求，必須采用多DSP板作為數字信號處理平臺。開發復雜的多DSP板硬件平臺需要投入大量的人力而且開發風險較大，購買專業公司開發的穩定、可靠的通用數字信號處理平臺是數字信號處理領域發展的趨勢。設計人員只需致力于信號處理算法的研究，利用高級語言編寫算法軟件來完成系統要求，從開發復雜的硬件平臺中解脫出來，降低了整個信號處理系統的開發風險，縮短了開發周期。本文介紹一種通用的G4數字信號處理硬件平臺，該平臺選用基于搶占式多任務VxWorks實時操作系統作為平臺的操作系統，它能管理各種獨立任務的執行，每個任務能及時響應外部事件并且能及時處理。它為整個雷達信號處理能實時完成處理提供了很好的系統軟件支持。
G4硬件平臺的基本結構和特點
G4平臺基本結構
G4 DSP功能框圖如圖1所示。
圖1 G4 DSP功能框圖
如圖1 所示，G4 硬件平臺是一塊由4 片CPU組成的數字信號處理板， CPU是摩托羅拉公司PowerPC系列MPC7410 RISC的微處理器，處理器支持對稱多處理器技術( SMP) ，內核時鐘500 MHz，包含多個運算處理單元，支持哈佛結構和指令流水線操作，具有SIMD特點，在一個時鐘周期可執行8條指令；集成了128bit AltiVec執行單元，14 GFLOPS數據處理能力，能夠快速地完成卷積、FIR 濾波器和FFT等數字信號處理算法； 內部總線是60X總線(32位地址總線和64位數據總線) ，100MHz的外圍設備總線速度，包含32kbyte一級指令Cache和數據Cache， 支持最高2Mbit的外部L2 CACHE，支持多種內存尋址的內存管理模式。每一個處理器與外圍I/O 接口通信通過CPC710 橋的PC I總線實現，處理器間通過64 bit、66MHz Intel 21555非透明PCI橋互聯，其峰值帶寬為528Mbyte / s。
G4平臺的基本特點
G4平臺的基本特點為：
(1) 每一節點是獨立的， 包含大容量內存SDRAM (256 Mbyte) ， 16 Mbyte FLASH 用于存放系統B IT、用戶應用程序和常數表等；
(2)每一節點包含Xilinx 7410XC95144XV PLD中斷控制器，節點間可以相互發中斷請求和中斷回應，用于節點間通訊握手以及板內與板外間的通信握手；
(3)每一節點包含RS232串口，用于對節點進行軟件調試；每一節點都有JTAG接口；節點2 和4提供了64 bit/66MHz PMC (PMC - IEEE P1386. 1) ，它是一種高速的、工業標準的擴展PCI接口，可以用于擴展為圖形卡、板間通信卡、高速通信(ATM、ISDN等)卡、多媒體、或用戶根據需要進行擴展使用，峰值傳輸帶寬為1 056 Mbyte / s；節點3帶有32 bit/33MHz PCI總線，用于板間通信，或作其他擴展使用；
(4)節點1 提供VME64、100BaseT Ethernet (通過CPC710 上的32 bit/33 MHz PC I總線) ； VME64與板外的進行通信，其峰值帶寬為80 Mbyte /s； Ethernet主要用來調試； 可以單獨或多用戶同時對G4DSP板的每一個節點進行調試。
(5)節點間通過PC I橋互聯，通過PC I地址映射，每一節點都能“看見”對方的內存，能直接對其
他節點內存進行讀寫；支持DMA傳輸，完成點對點的高速數據傳輸。
G4平臺支持的軟件
G4平臺的軟件支持是開放和獨立的，不局限于某一種操作系統和某一種信號處理庫，為最大限度地保護用戶的軟件投資并快速上手開發應用程序，有利于算法的開發。
(1)支持風河公司的VxWorks/VxMP實時操作系統和VSPWorks DSP RTOS虛擬單處理器實時操作系統，開發人員面向單處理器系統編寫的源代碼，可在任意數量的處理器上執行。VSPWorks會協調好處理器之間的一切通信機制，最多可以支持1 000個處理器；
(2)支持MPI軟件公司的VSI/Pro VSIPL和Dy 4Systems公司的IXLibs- AV數字信號處理庫，專門針對MPC7410進行優化的數字信號處理算法庫，包括FFT、FIR濾波器和圖像處理函數等，執行效率高。
(3)節點間通信可以使用VxWorks實時操作系統中的共享內存組件VxMP。VxMP的數據結構駐留在所有CPU 的共享內存區域， 最多支持20個CPU。MPI軟件公司的ChaMPIon/RT是一種實時消息傳遞接口標準，采用時間驅動、事件驅動、優先權驅動編程模式和混合編程模式，并采用了面向對象編程技術，它使MP I/RTAPI更易于使用。也可以使用RadStone公司專門為G4平臺開發的消息傳遞接口RMP，充分利用硬件資源來進行消息傳遞，是一種低消耗、高效的消息傳遞方式。它們主要用于不同處理器上不同任務間的通信、同步和互斥，執行效率有所不同，都運行在VxWorks系統的應用層。
VxWorks實時操作系統的優點
VxWorks是美國風河公司推出的一個具有微內核、可裁剪的高性能、強實時操作系統，它主要有以下的優點：
(1)VxWorks具有高度可剪裁的微內核結構，需極少的RAM空間和ROM空間，內核與硬件無關，支持許多種嵌入式芯片，只需開發與硬件有關的BSP包即可，用戶可以根據需要對VxWorks直接進行配置和修改；
(2)VxWorks能快速高效地對多任務進行調度，支持中斷驅動的優先級搶占式調度和時間片輪轉調度；任務間的通訊快速靈活，任務上下文切換快，切換時間確定；任務的狀態可以動態地改變，可以在任意時刻改變任務的優先權、刪除任務等；任務也可以禁止由內核調度；中斷延遲時間短，延遲時間確定，是微秒級的； VxWorks系統任務和應用程序任務運行在SuperMode模式，系統調用開銷小；
(3)VxWorks系統具有很好的穩定性和可靠性，某一任務運行出錯，操作系統掛起當前出錯的任務，在系統中的其他任務繼續執行，并可以恢復出錯的任務；
( 4)VxWorks具有靈活方便的I/O系統，驅動程序可以在用戶的任務堆棧中運行，用戶可以隨意地添加設備的驅動程序，既可在VxWorks啟動時添加設備的驅動程序，也可在應用程序任務中隨時添加和刪除設備驅動程序；
(5)VxWorks支持強大的網絡功能，提供了TCP /IP協議、UDP / IP、FTP和TFTP服務器以及遠程過程調用RPC等，可以用于宿主機和目標機的調試或其他的網絡通信，通過TCP / IP支持多宿主機對同一個目標機進行程序下載、調試，在G4平臺上可以配置成同一宿主機對多個CPU進行程序下載、調試；
(6)提供一個直觀的、可視化的、用戶可擴充的交叉集成開發環境Tornado；采用c / c + +語言進行開發，提供了高效交叉編譯器，編譯效率可達90%以上；Tornado IDE通過宿主機上的目標服務器與目標機的目標代理進行通信，可以靜態和動態地下載應用程序模塊；支持任務級和系統級調試；任務級調試，被調試的任務暫停執行，其他任務繼續執行，系統級調試每一個任務都停止執行； Tornado IDE提供了多種純軟件調試工具:WindView (軟件邏輯分析儀)可以看到程序在動態運行時發生的情況，如任務的狀態、占用CPU的時間等； Browser定時采樣工具，把采樣后的數據(如任務隊列、堆棧、占用內存的大小等)進行分析。Tornado能準確定位開發的應用程序在硬件平臺上運行時的錯誤狀態，幫助開發者縮短開發周期；嵌入式VxWorks作為G4硬件平臺的操作系統是較好的選擇。
在雷達數字信號處理中的應用
雷達數字信號處理主要是通過高速A /D采集雷達正交基帶回波信號，然后進行數字脈沖壓縮處理、雜波抑制、恒虛警和目標檢測，最后把目標信息數據傳送給雷達終端進行顯示。采用高速A /D采集雷達回波信號，和VxWorks完成大容量數據傳輸和實時性處理管理，合理劃分任務和安排處理時序是成功實現的關鍵。
基帶信號采集
回波信號的采集使用Interactive 電路與系統公司的ICS - 554四通道14bit A /D數據采集卡，可以用內部或外部時鐘采樣，最小采樣率30MHz，最高采樣率105MHz，內部和外部兩種觸發信號；標準的PMC 接口，帶1M邏輯門FPGA 的64bit/66MHzQL5064 PCI總線接口芯片，支持master/ target DMA突發傳輸方式，未使用完的FPGA資源可根據用戶的需要配置使用；兩片64 K ×72 bit FIFO緩存，可以編程控制進行單通道數據采集，兩通道或四通道同時采集，每兩通道各占一片FIFO，每片最大采樣128 K點，單通道最大各采樣256 K點；采用捕獲和持續兩種采樣模式，在捕獲模式每一次觸發采樣點數和(在FIFO緩存大小內)總的采樣點數，然后向CPU發中斷請求，要求從CPU從緩存中取走已采樣的數據都是可編程的；為多種操作系統提供了驅動程序，如Win2dowsNT、Windows 2000、Windows XP和VxWorks實時操作系。ICS - 554的功能框圖如圖2所示。
圖2 ICS - 554框圖
在實際應用中， ICS - 554插在節點4的PMC標準接口上，采用10 kHz主觸發脈沖作為外觸發信號， 30MHz采樣時鐘， I、Q兩路采樣，每一個主觸發脈沖采樣2 048點，每一個CP I周期內要求采88個主觸發脈沖周期的數據。考慮到每一路F IFO最大只能采256K點和DMA 方式下PC I總線的實際傳輸率，保證每一個CPI的數據不會丟失和FIFO不會溢出，采用每42個主觸發脈沖周期就請求CPU開始接收在F IFO 緩存中的數據，先接收完F IFO1 中的數據，再接收F IFO2 中的數據，以后循環進行數據傳輸，直到禁止A /D采樣為止。
時序安排
信號處理系統接收雷達終端發來的控制命令和正交回波信號經過A /D采樣后的數字信號，雷達終端在CP I信號的下降沿通過VME總線發當前CPI信號的控制命令到G4板的VME內存映射空間，節點1把這些控制命令碼值拷貝到全局共享內存，控制命令碼值包括模式碼，探測距離碼等值；然后通知節點4取出當前模式碼，節點4根據模式碼對ICS- 554進行配置和允許ICS - 554開始采數并存入FIFO中。ICS - 554每采完44個主觸發脈沖周期的數據后，向節點4發中斷請求，節點4接到請求后通過節點1的全局共享內存查詢當前控制命令，接著根據模式碼配置QL5064的DMA控制器。目標內存是節點1上的共享內存，啟動DMA傳輸，把A /D采樣存入FIFO 中的數據傳給節點1， DMA傳輸完成后，節點4向節點1發出中斷請求，節點1響應請求后，查詢全局共享內存的控制命令，根據模式碼開始進行脈沖壓縮、雜波抑制、恒虛警和目標檢測等信號處理。信號處理完后通過VME總線把目標信息數據傳送到VME空間，通知雷達終端取走目標和狀態信息；其它節點的數據也是通過節點4以DMA方式傳到內存中進行處理，處理方法與節點1相似，只是節點2、3和4的目標信息數據先傳到節點1，然后由節點1通過VME總線傳給雷達終端，每個節點都獨立處理一個CP I周期的數據。從A /D FIFO緩存中傳數到各節點的順序和信號處理順序時序如圖3所示。
圖3 時序圖
在一個CP I周期內，第一個陰影部分表示當前節點前42個主觸發周期內A /D采樣完成后由FIFO的DMA傳數到節點內存的時間，第二個陰影部分是后42個主觸發周期內A /D采樣完成后由FIFO的DMA傳數到節點內存的時間，但是由于采用DMA傳輸方式，不會占用CPU處理時間(除了中斷來時很短暫地打斷CPU的處理) ，相鄰節點的數據傳輸率比相對節點的傳輸率高。
任務劃分
劃分任務的原則是能夠在每個CPI周期內實時的接收雷達終端控制命令，并能接收經過A /D采樣的正交I、Q兩路回波信號，最后及時地把處理完成后的目標信息數據傳給雷達終端。節點1負責接收本節點的A /D采樣數據和進行數字信號處理，并把處理后的目標信息數據和節點2、3和4傳來的目標信息數據傳到VME空間，通知雷達終端及時取走數據。因此在節點1上劃分為6個任務:從節點4接收A /D采樣數據任務，優先級最高； 接收節點2、3和4的目標數據并能及時送給雷達終端的任務優先級較高， 3個任務的優先級相同；系統開機和模式轉換時查詢命令任務的優先級次高，能及時響應命令并能送給節點4，重新對ICS - 554進行新的工作模式的配置；信號處理任務的優先級最低，它能保證本節點數字信號處理完成的同時，不會影響其它任務的數據傳輸。
節點4主要完成管理ICS - 554 A /D數據采集和查詢模式碼。數據采集任務配置ICS - 554 AD傳送采集后的數據到本節點和其它節點，并通知它們開始處理數據，該任務的優先級最高；模式切換任務在模式切換時，接收節點1發來的控制命令并根據模式碼對A /D進行編程控制，該任務的優先級次高；信號處理任務保證節點4在接收到新的一幀數據來之前必須完成前一幀數據處理，每個CPI周期內，A /D每采集44個主觸發周期的數據后，產生的中斷要打斷信號處理任務2次，造成該任務切換頻繁，信號處理時間拉長，因此編寫算法程序時一定要考慮節約處理時間，最后向節點1發中斷請求，通過DMA方式把目標數據傳給節點1，再傳給雷達終端，該任務的優先級最低。
節點2和3接收A /D 數據采集任務的優先級最高，并在此任務中查詢模式碼。信號處理任務的優先級最低，處理完成后的目標數據通過DMA方式傳到節點1，再傳給雷達終端。該雷達信號處理涉及多種工作模式，這里只介紹了一種簡單工作模式任務劃分，其它模式的任務劃分不在此贅述。
開發中應注意的主要問題
在開發過程中，由于采用了RMP庫，它與ICS -554的驅動程序沖突，導致ICS - 554不能正常工作，并且RMP庫的通用性強，占用的系統資源多，實時性也相對較差。在實際應用中作者根據具體開發的需要充分利用G4節點間中斷握手和共享內存的特點，開發了適合自己的節點間通信庫，提高了資源的利用率并降低了通信時間，提高了數字信號處理實時處理能力。
數字信號處理庫最好選用IXLibs- AV，該庫和VSIPL庫都針對MPC7410的AltiVec技術進行優化編寫的。IXL ibs- AV 庫函數涉及矢量運算更底層些，處理速度比VSIPL 更快，但對程序員的要求較高； VSIPL 庫通用性較高，對程序要求低，但是處理速度較慢，并且在運行過程中， VSIPL 庫有時會把G4板上引導FALSH中的引導程序沖掉，導致G4板不能啟動。
節點間的通信盡量采用“寫”方式，寫數速度比讀數速度快；并且往相鄰節點寫數速度比相對節點寫數快， ICS - 554的DMA引擎從F IFO傳輸數據到本節點速度最快；節點間通信時避免總線沖突。
G4板上各個節點的處理程序最好是獨立、不相同的，不但占有的系統資源少而且處理速度快； 4個節點處理程序既可以從節點1上的User Flash中引導，也可以從各自的User Flash中引導。G4板元器件密度大，發熱量大， G4板的散熱處理是平臺穩定、可靠工作的前提條件。
結束語
通過G4硬件平臺和搶占式多任務VxWorks實時操作系統的結合使用，成功地實現了某雷達系統的實時數字信號處理，這種解決方案也可在聲納、通信等要求極高的數字信號處理領域