為無(wú)人機(jī)快速部署可擴(kuò)展、密集的ISR有效負(fù)載

鑒于對(duì)高級(jí)快速原型設(shè)計(jì)和在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上部署ISR應(yīng)用程序的需求不斷增加，系統(tǒng)工程師將明智地檢查與工作資格相匹配的可重構(gòu)架構(gòu)和靈活的軟件工具。

可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)是為無(wú)人機(jī) （UAV） 上的情報(bào)、監(jiān)視和偵察 （ISR） 應(yīng)用提供異構(gòu)數(shù)字信號(hào)處理 （DSP） 計(jì)算解決方案的絕佳且越來越受歡迎的選擇。與其他類型的系統(tǒng)相比，可以為ISR無(wú)人機(jī)身應(yīng)用創(chuàng)建具有更小尺寸，重量和功率（SWaP）和更高計(jì)算密度的可重構(gòu)系統(tǒng)。

此外，現(xiàn)在可以使用ANSI標(biāo)準(zhǔn)C或FORTRAN進(jìn)行編程環(huán)境，并使程序員能夠從硬件中提取所有可能的計(jì)算性能。使用標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言大大縮短了學(xué)習(xí)曲線，與使用專有非標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言或純硬件語(yǔ)言的編程環(huán)境相比，可以更快地部署應(yīng)用程序。因此，無(wú)人機(jī)ISR系統(tǒng)開發(fā)人員應(yīng)該考慮在其設(shè)計(jì)中必須重新配置的計(jì)算架構(gòu)和靈活的軟件工具。

無(wú)人機(jī)有效載荷的可重構(gòu)計(jì)算

在考慮快速部署無(wú)人機(jī)有效載荷時(shí)，可重新配置的硬件是關(guān)鍵?？芍貥?gòu)系統(tǒng)的核心是FPGA集成電路。該器件可以顯式編程以執(zhí)行特定于應(yīng)用的算法，并且相對(duì)于通用設(shè)備（如CPU或通用圖形處理器單元（GPGPU））產(chǎn)生非常高的計(jì)算效率。反過來，這種計(jì)算效率為在可重構(gòu)系統(tǒng)上執(zhí)行的應(yīng)用程序產(chǎn)生高性能的每瓦特，從而能夠?yàn)榛跓o(wú)人機(jī)的ISR應(yīng)用創(chuàng)建計(jì)算密集/低SWaP設(shè)計(jì)。

表 1 比較了在僅 CPU 系統(tǒng)、與 GPGPU 配對(duì)的 CPU 和與 FPGA 配對(duì)的 CPU 上執(zhí)行單精度矩陣乘法基準(zhǔn)測(cè)試的情況?？芍貥?gòu)系統(tǒng)的每瓦性能比僅支持 CPU 的系統(tǒng)高出 1.7 倍，比 CPU/GPGPU 系統(tǒng)高出 2.5 倍。請(qǐng)注意，CPU/FPGA 組合的總功耗是最低的功耗。

表 1：矩陣乘法性能/功率比。資料來源：Altera公司，“FPGA協(xié)處理演進(jìn)：持續(xù)性能接近峰值性能”，WP-01031-1.1，2009年6月版本1.1。

（單擊圖形可縮放 1.9 倍）

快速無(wú)人機(jī)有效載荷部署的一個(gè)主要因素是標(biāo)準(zhǔn)編程工具的可用性，這些工具與可重新配置的計(jì)算機(jī)硬件密切相關(guān)。集成來自不同供應(yīng)商的編譯器、軟件工具、FPGA 板和 CPU 板的零碎方法會(huì)減慢部署速度。如果工具和硬件具有不同的供應(yīng)商，則必須創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)環(huán)境來統(tǒng)一系統(tǒng)，然后才能開始有意義的應(yīng)用程序工作。

一旦真正的應(yīng)用程序開發(fā)最終開始，一個(gè)供應(yīng)商的編譯器宏庫(kù)（假設(shè)它們確實(shí)有庫(kù)）將不會(huì)針對(duì)另一個(gè)供應(yīng)商的FPGA板進(jìn)行優(yōu)化，因此應(yīng)用程序開發(fā)必須經(jīng)歷性能規(guī)格的降低或時(shí)間表擴(kuò)展。無(wú)人機(jī)有效載荷開發(fā)的零碎方法中的這些和其他固有困難共同將“快速”一詞與“部署”分離，通常以意想不到的方式，并且總是在應(yīng)用程序開發(fā)期間。因此，來自一個(gè)供應(yīng)商的完整，集成良好的軟件和硬件包通常是快速部署無(wú)人機(jī)有效載荷的最佳途徑。

可擴(kuò)展的系統(tǒng)和并行編程

模塊化、可擴(kuò)展的系統(tǒng)非常適合代碼重用，這也加速了無(wú)人機(jī)有效載荷的部署。軟件設(shè)計(jì)的模塊化允許經(jīng)過驗(yàn)證的代碼在多個(gè)ISR應(yīng)用程序中重復(fù)使用，而硬件模塊化則支持根據(jù)任務(wù)參數(shù)和無(wú)人機(jī)機(jī)身的SWaP要求輕松擴(kuò)展ISR應(yīng)用程序。如今，大多數(shù)異構(gòu)系統(tǒng)都使用一種或另一種形式的 PCIe，使協(xié)處理器能夠通過 CPU 訪問系統(tǒng)內(nèi)存。但是，PCIe 的有效可擴(kuò)展性受到其阻塞的“多對(duì)一”架構(gòu)的限制（圖 1）。PCIe 協(xié)處理器僅通過 CPU 另一端的系統(tǒng)內(nèi)存訪問數(shù)據(jù)并相互通信。雖然 PCIe 確實(shí)通過 PCIe 交換機(jī)提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，但一個(gè)點(diǎn)始終是 CPU 內(nèi)存，另一個(gè)點(diǎn)始終是 PCIe 設(shè)備。真正可用的擴(kuò)展需要分布式內(nèi)存和交換網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有與交換機(jī)上任何模塊之間的無(wú)阻塞、“多對(duì)多”連接。

圖 1：典型的基于 PCIe 的協(xié)處理器架構(gòu)，由于其阻塞“多對(duì)一”點(diǎn)對(duì)點(diǎn)架構(gòu)，可擴(kuò)展性有限

一個(gè)能夠很好地?cái)U(kuò)展的模塊化硬件系統(tǒng)只是一個(gè)良好的開端。軟件工具必須為程序員提供對(duì)可重構(gòu)系統(tǒng)中密集計(jì)算效率的直觀或自動(dòng)訪問。如果程序員必須深入到系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中以查找和開發(fā)滿足應(yīng)用程序性能要求的解決方案，則無(wú)人機(jī)有效載荷的開發(fā)和部署會(huì)受到影響。有標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言可用于在可重構(gòu)系統(tǒng)中對(duì)CPU和FPGA進(jìn)行編程，但僅使用C或FORTRAN并不能實(shí)現(xiàn)ISR應(yīng)用的性能要求。C 和 FORTRAN 是傳統(tǒng)上用于 CPU 的串行編程語(yǔ)言，其中指令按順序執(zhí)行，一次一條指令?？芍貥?gòu)系統(tǒng)的性能是通過并行編程實(shí)現(xiàn)的：多個(gè)程序指令流同時(shí)作用于多個(gè)數(shù)據(jù)流。

幸運(yùn)的是，科學(xué)超級(jí)計(jì)算社區(qū)已經(jīng)為C和FORTRAN開發(fā)了并行化技術(shù)，其中許多技術(shù)已被一些可重新配置的系統(tǒng)編譯器采用。以編程方式指定并行性的一種方法是 OpenMP 并行部分雜注語(yǔ)句。在傳統(tǒng)的大型微處理器集群上，并行部分雜注所包含的代碼塊可以在CPU上并行執(zhí)行。在可重配置的系統(tǒng)上，OpenMP 樣式編譯指示指定的代碼塊在 FPGA 中實(shí)例化，以便這些“硬件代碼塊”并行執(zhí)行。另一種方法是數(shù)據(jù)流，其中一系列計(jì)算在時(shí)間上重疊;例如，計(jì)算塊可以在收到前一個(gè)塊的第一個(gè)結(jié)果時(shí)開始執(zhí)行，而不是在開始之前等待前一個(gè)計(jì)算塊的所有結(jié)果生成。

除了從科學(xué)超級(jí)計(jì)算中借用的并行化技術(shù)外，大多數(shù)可重新配置的系統(tǒng)編譯器還執(zhí)行自動(dòng)循環(huán)流水線以提高執(zhí)行性能。此外，可重新配置的系統(tǒng)編譯器在FPGA硬件中自動(dòng)創(chuàng)建程序循環(huán)中的所有算術(shù)運(yùn)算，所有這些運(yùn)算都是并行執(zhí)行的。與此形成鮮明對(duì)比的是微處理器編譯器，微處理器編譯器受 CPU 設(shè)計(jì)中可用算術(shù)計(jì)算元素?cái)?shù)量的限制。這里真正的問題是給定系統(tǒng)的特定軟件工具集的有效性。但是，軟件工具確實(shí)存在，可以為計(jì)算密集型ISR應(yīng)用程序的程序員提供可重新配置硬件中的潛在性能。

可重配置性有助于快速部署、SWaP

如今，可重新配置的系統(tǒng)和工具可用于快速開發(fā)和部署 ISR 應(yīng)用程序?？芍貥?gòu)系統(tǒng)的密集計(jì)算特性使其成為尺寸、重量和功耗至關(guān)重要的解決方案的理想選擇。軟件工具與硬件緊密耦合，使軟件程序員能夠在低SWaP處理器有效載荷中快速實(shí)現(xiàn)高性能。

因此，SRC計(jì)算機(jī)提供模塊化，可擴(kuò)展，可重新配置的低SWaP系統(tǒng)，帶有軟件工具和庫(kù)，使用ANSI標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言快速部署無(wú)人機(jī)的計(jì)算密集型ISR應(yīng)用程序。SRC Computers開發(fā)了一種高帶寬，低延遲的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，除了用于模塊間通信的數(shù)據(jù)流構(gòu)造，用于代碼塊并行化的OpenMP樣式編譯指示以及用于指令級(jí)并行化的自動(dòng)循環(huán)流水線外，還提供了必要的非阻塞“多對(duì)多”模塊。

審核編輯：郭婷