软件无线电异构处理器平台互连架构设计[精品资料]

软件无线电异构处理器平台互连架构[精品资料] 软件无线电异构处理器平台互连架构设计-精品资料 本文档格式为WORD,感谢你的阅读。 最新最全的 学术论文 期刊文献 年终总结 年终报告 工作总结 个人总结 述职报告 实习报告 单位总结 摘 要: 针对由GPP/DSP/FPGA组成的软件无线电异构处理器平台中不同处理器间组件移植性差和软件开发复杂度高的问题，设计了符合调制解调级硬件抽象层(MHAL)规范并与软件通信体系结构(SCA)兼容的异构处理器平台互连架构，通过对硬件接口进行抽象和封装为应用软件提供一致的编程接口和通信机制，从而实现软硬件的分离，增强应用软件可移植性。 关键词: 软件无线电; 异构处理器平台; 调制解调级硬件抽象层; 软件通信体系结构 TN962?34 A 1004?373X(2013)15?0041?04 0 引 言 软件无线电[1](Software Defined Radio ，SDR)是一种新型的无线电体系结构，在理想状态下可以通过下载适合的通信波形实现以任意频率、带宽、调制方式和数据数率进行通信[2]，即可以通过软件定义来完成不同功能。SDR平台对多种无线通信体制的支持，尤其是3G，4G，WLAN，WIMAX等计算密集型通信体制的出现，对硬件平台的处理能力以及硬件和软件框架的可重构能力提出更高的要求，无线电平台设计在功耗、可编程性、计算能力、尺寸、重量等方面面临新的挑战[3]。 1 主要技术背景 软件通信体系结构[4](Software Communications Architecture，SCA)是美军在联合战术无线电系统(Joint Tactical Radio System，JTRS)计划中提出的，旨在提供一种的、开放的、可互操作的软件平台。波形是为了实现信息的无线传输对信息的一系列变换，包括无线通信双方为实现信息传输而采用的所有。实现一套完整功能的软件模块或单元称为组件。SCA的架构如图1所示。 SCA使用CORBA中间件技术屏蔽了操作系统、编程语言的差异为软件开发提供了一个统一的编程环境，实现软件无线通信中各种软件组件的移植和重用，但是受处理器件特性和开发复杂度等因素的限制，在SHP上不运行CORBA中间件。 在SDR的信号处理中，数据流信号处理任务(滤波、编码等)适合在DSP和FPGA等专用处理器(Specialized Hardware Processor，SHP)上实现，这些任务在许多的SDR应用都会用到，只需要对相关频率进行调整就可以在不同SDR波形实现中复用，因此可以通过将处理任务分配到异构处理器平台上执行来提高计算性能、降低功耗。但是异构处理器平台中计算性能的提升和功耗的降低是以软件开发的复杂性的增加为代价的[5]。软件无线电的分层结构图如图2所示。 为了使不同平台实现无缝通信并为上层软件屏蔽底层通信接口的差异性，有效地支持向SHP上部署波形组件，实现消息的透明传输，需要设计异构处理器上的互联架构屏蔽底层硬件差异为软件应用提供透明的消息传输机制;实现软件开发与硬件平台设计的分离，提高系统开发效率，以提供对异构处理器平台上的软硬件资源的抽象和管理，支持软件框架对硬件设备的管理和控制。 JTRS先后提出了几种硬件互联结构，包括HAL?C[6]，CP289[7]，MHAL[8]，MOCB[9]等，其中MHAL考虑了硬件的抽象和组件互联是较为完善的解决方案。为波形组件和其他组件之间数据和控制流信息交互提供与SCA兼容的通信服务，但是由于国际武器管制组织的管制，MHAL方案的具体内容不对外公开，为硬件抽象层的实现增大了难度。 2 主要设计思想 异构处理器互连架构的实现首先要对硬件模块的对外接口进行抽象，将其与外界的交互进行独立设计，即要实现底层屏蔽功能并为波形组件提供异构处理器环境下透明的消息传输机制的硬件抽象层。带有硬件抽象层的硬件平台能为软硬件开发提供便利的条件，能实现系统设计中软件开发与硬件平台设计的分离，降低系统开发的复杂程度和重要软件组件接口的重新编写，提高系统开发效率。针对GPP、DSP、FPGA组成的异构处理器互连架构设计的硬件抽象层如图3所示。 第二，要实现传递数据在异构处理器环境中的数据路由功能。由于专用处理器之间、专用处理器与通用处理器之间采用逻辑地址(logical Destination，LD)进行数据和控制信息的交换，因此硬件抽象层必须提供对传递数据的封装、解析和分发功能。 第三，要支持配置查询功能，SDR系统中一块处理器上可能需运行多个组件，由于不同组件所需的端口数量、连接方式和消息长度等都有所不同，因此需要通过动态配置的方式使硬件抽象层能够适应不同的组件需求，同时支持配置结果和运行状态的动态查询。 3 互连架构的实现 在互联架构中，硬件抽象层通过屏蔽硬件平台相关的底层通信机制、封装标准的通信接口，实现波形组件间通信方式与硬件平台的分离，提高了波形应用在异构硬件平台间的跨平台可移植性;硬件抽象层收发模块不关心收发数据的格式，对数据的封装由硬件抽象层API采用统一报文格式进行封装，调用硬件抽象层API收发数据;应用组件通过硬件抽象层API实现对组件的控制管理、寄存器寻址和数据端口间通信，支持应用组件的可复用、可移植和应用的动态部署。 3.1 数据报的构造 为了支持异构处理器中装配控制器与组件控制端口、组件数据端口之间的互连互通，需要指定组件端口间传输数据的 统一格式;保证不同硬件处理器能以相同的语义理解数据，以根据收到的数据进行正确的响应。 为了与MHAL规范兼容，硬件抽象层消息帧格式采用MHAL的帧格式如图4所示。 每个处理单元上的每个波形组件都会提供若干信源函数和信宿函数，信源函数是发布硬件抽象层消息的线程，负责请求其他处理单元上的信宿函数执行特定的操作，或返回本地处理单元上特定函数的执行结果，信宿函数对硬件抽象层消息进行解析并执行相关操作，每个信宿函数都由一个LD进行惟一的标识，从而使硬件抽象层通信函数能够进行正确的路由转发。硬件抽象层负责接收波形组件数据，并将报文发送到LD相匹配的目的处理器。同样，从I/O接口驱动接收到数据后，将数据分发到与LD相匹配的波形组件上。 3.2 流量控制 硬件抽象层通信的流量控制在数据发送端实现，发送端根据传输链路中的数据量调整发送数据包的时间。硬件抽象层的实现中设计一个用于监测通信链路状态的线程，当通信链路中的数据包过于密集时向发送端发送消息，发送端经过一个随机延迟后再发送数据。 4 各处理器上互连架构的设计 为了灵活地支持多种波形及不同的业务类型，提高物理信道的复用率，降低时延，提高传输效率，互连架构的实现需要支持多线程、多优先级并提供配置接口，基于包交换的互连架构分层结构如图5所示。 硬件抽象层位于应用层之下，驱动层之上，由通信函数和接口组件两部分组成:接口组件提供消息传输功能，负责将硬件抽象层消息通过外部传输链路向外部发送，或者从外部传输链路中接收硬件抽象层消息。GPP和DSP硬件抽象层接口组件为硬件驱动程序，FPGA硬件抽象层接口组件为硬件接口实体模块;通信函数提供硬件抽象层消息的路由功能，负责将接口组件接收到的硬件抽象层消息或解析后的数据转发到特定的 信宿函数，或者将特定信源函数传递过来的硬件抽象层消息或数据封装并通过接口组件向外发送。 4.1 GPP硬件抽象层设计 硬件抽象层设备提供的接口通过硬件抽象层设备组件进行封装，为上层GPP波形组件提供数据收发和路由功能。GPP硬件抽象层的实现如图6所示。 硬件抽象层设备根据目的组件的LD和物理通道的映射关系，通过相应的设备驱动将数据发送到与LD对应的处理器MHAL接口;反之，从与之互连的处理器的接口接收到数据后，根据接收数据与LD的映射关系，将报文转发给与LD相匹配的GPP波形组件上。 4.2 DSP硬件抽象层设计 DSP硬件抽象层设备可以看做对DSP各种外围设备接口提供的设备间通信机制的封装， DSP上的不同物理通信接口(PCI、rapidIO、以太网、EMIF、异构处理器I、GPIO等)提供的通信方式不尽相同，在速率、接口规范等方面有较大差异，因此需要对其进行不同方式的封装。提供接口配置、驱动、容错处理等机制，为DSP上的波形应用提供符合QoS要求的通信API。 4.3 DSP硬件抽象层模块 DSP硬件抽象层如图7所示，DSP硬件抽象层通过I/O接口驱动实现数据收发:当有数据从I/O接口到达时，MHAL设备从相应I/O接口驱动中接收这些数据，对其进行适当解析，根据LD将其分发给本地的波形组件;当本地的波形组件有数据要向外发送时，硬件抽象层设备对数据封装，然后将处理后的数据通过I/O接口驱动向外部发送。 硬件平台开发者实现DSP硬件抽象层中定义的标准接口函数。DSP上的波形应用通过将DSP硬件抽象层实体在编译时联编到波形应用中，实现DSP上的完整功能。 4.4 FPGA硬件抽象层设计 FPGA硬件抽象层应实现对外部I/O接口和外部存储器访问接口驱动的封装，为FPGA波形组件提供一套标准的硬件抽象层接口时序，从而为波形组件提供异构处理器环境下透明的消息传输机制，硬件抽象层对传递数据进行封装、解析和分发，能够对到达数据进行解析，根据LD分发到对应的组件，同时对等待发送的数据进行适当封装，发往LD所指定的组件。 硬件平台开发人员负责提供FPGA中硬件抽象层的实体模块，FPGA波形应用开发人员通过将FPGA硬件抽象层实体模块例化到自己的设计中，实现完整的FPGA功能，经过一起编译后形成统一的映像加载到FPGA中运行。一个FPGA片内只需要设计一个硬件抽象层设备，所有的波形组件与I/O接口驱动均连接到硬件抽象层设备。软件无线电系统中同一块FPGA上可能需运行多个组件，由于不同组件所需的端口数量、连接方式和消息长度等都有所不同，FPGA硬件抽象层通过动态配置的方式适应不同的组件需求，同时支持配置结果和运行状态的动态查询。 5 结 语 异构多处理器平台互连架构通过硬件抽象层为波形应用提供了统一接口，实现了软硬件的分离和组件间无缝通信，一般而言，对硬件接口的抽象层次越高，组件移植性越强，但可能存在复杂度高而性能降低的不足。寻找更加有效的软硬件分离方法以及对接口抽象与性能之间关系的建模和量化研究将有助于异构处理器互连架构的设计。 参考文献 [1]MITOLA J. 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Extension for component portability for specialized hardware processor(SHP)?change proposal 289 (CP289) [S]. [S.l.]: [s.n.]， 2005. [8]JTRS JPO. Joint Tactical radio system (JTRS) standard modem hardware abstraction layer application program interface(API) [S]. [S.l.]: [s.n.]， 2007. 阅读相关文档:一种新型UHF RFID抗金属标签天线的设计与 遥测非平 稳信号小波阈值降噪方法的改进及仿真 基于ADIsimPLL 3.1的锁相环环路 滤波器设计 调制解调器CMX866在现代通信系统中的应用 基于FPGA的通 用位同步器设计 基于GSM模块的防盗监控器设计 改进的指挥仪型空空机 炮射击火控模型 无线传感器网络查询式分簇路由算法研究 GPRS拥塞控 制技术研究 无线视频传输系统的发展动态 基于无线传输的电能质量监测 系统 第三代预警机及其电子侦察系统的技术特征 基于外辐射源的含旋转 部件目标微动中心提取 基于多传感器的多模型机动目标跟踪算法设计 基于模糊的特种飞机任务系统操 最新最全【学术论文】【总结报告】 【演讲致辞】【领导讲话】 【心得体会】 【党建材料】 【常用范文】【分析报告】 【应用文档】 免费阅读下载 *本文收集于因特网，所有权为原作者所有。若侵犯了您的权益，请留言。我将尽快处理，多谢。*