開放式VPX為電子戰(zhàn)平臺提供緊密耦合的FPGA和CPU處理

OpenVPX 將高速并行處理 FPGA 與 CPU 的軟件功能結(jié)合在一起，以滿足無人平臺最具挑戰(zhàn)性的傳感器處理應(yīng)用。

如今的無人機(jī)、UUV和無人機(jī)正在隨著傳感器數(shù)量的增加而得到增強(qiáng)。來自這些電子戰(zhàn)（EW）傳感器的大量傳入數(shù)據(jù)需要盡可能接近實時地進(jìn)行處理。隨著處理元件的發(fā)展，F(xiàn)PGA是理想的傳感器接口。它非常適合以無與倫比的速度和非常低的延遲對并行數(shù)據(jù)執(zhí)行固定算法。高端FPGA配備了大量的串行或并行接口，允許它們輸入大量原始數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行預(yù)處理。

然而，現(xiàn)代傳感器并不是孤立存在的。它生活在一個“系統(tǒng)系統(tǒng)”的背景下，與計算機(jī)，平板電腦和手持設(shè)備相互連接。通過大型網(wǎng)絡(luò)連接智能設(shè)備的軟件協(xié)議在CPU上運(yùn)行，而不是在FPGA上運(yùn)行。例如，在FPGA中運(yùn)行以太網(wǎng)MAC相對簡單。甚至可以運(yùn)行TCP / IP，盡管它有點麻煩。運(yùn)行更高級別的功能還比較困難：例如，套接字、FTP、http、數(shù)據(jù)移動中間件（如 MPI）或發(fā)布/訂閱中間件（如 DDS）。沒有這些使能軟件組件的FPGA是隔離的。它可以收集數(shù)據(jù)，也可以處理這些數(shù)據(jù)，但它不能輕易地與外界共享數(shù)據(jù)。無人平臺的數(shù)據(jù)必須共享才能具有可操作性。

無人平臺傳感器處理系統(tǒng)上的連接功能屬于可輕松訪問軟件組件、堆棧和應(yīng)用程序的 CPU。實際上有數(shù)十億行開源軟件，其中大部分是為x86架構(gòu)編寫的。在 CPU 上運(yùn)行的軟件基礎(chǔ)架構(gòu)為應(yīng)用程序提供了將傳感器連接到系統(tǒng)和用戶的框架和協(xié)議。在開放式架構(gòu)中連接FPGA和CPU的最佳方法是使用OpenVPX（VITA 65），因為它是從頭開始構(gòu)建的，旨在為異構(gòu)計算提供機(jī)械和電氣框架，從而有利于無人平臺的數(shù)據(jù)處理。

用于無人平臺的寬帶電子戰(zhàn)

針對電子戰(zhàn)無人平臺優(yōu)化的理想傳感器處理架構(gòu)具有非常高的接收功能和連接到通用FPGA的高速發(fā)送功能。當(dāng)今市場上最快的COTS ADC包含從測試設(shè)備市場引入軍用/航空市場的技術(shù)。數(shù)據(jù)中心、通信設(shè)備供應(yīng)商和 OEM 幾乎在每個計算領(lǐng)域都即將遷移到 10 Gbaud 信令。泰克等測試設(shè)備供應(yīng)商正在通過非常高速的探頭技術(shù)來滿足這一需求，該技術(shù)的基礎(chǔ)是ADC轉(zhuǎn)換器。用于探測 40 GbE、英菲尼寬帶 FDR 或 PCI Express 3.0 的技術(shù)基于超高速 ADC。雖然有非常先進(jìn)的技術(shù)在開發(fā)中，但能夠以8位分辨率獲取12 GSps的ADC技術(shù)現(xiàn)在正在跨越鴻溝，并迅速成為一個批量市場。

當(dāng)它應(yīng)用于密耳/航空無人平臺設(shè)置以進(jìn)行寬帶數(shù)據(jù)采集時，這是一種非常強(qiáng)大的采樣能力。8 位的 12 GSps 相當(dāng)于 12 GBps 的原始數(shù)據(jù)，這是一個巨大的處理和數(shù)據(jù)移動挑戰(zhàn)。在這種無情的原始比特流中找到感興趣的信號所需的處理能力是巨大的。最新的 FPGA，例如 Xilinx 的 Virtex-7，將應(yīng)對這一處理挑戰(zhàn)所需的處理資源與攝取大量數(shù)據(jù)所需的高速信令相結(jié)合。FPGA能夠跟上12 GBps的輸入數(shù)據(jù)流，實時處理它，但仍然有足夠的高速信號來產(chǎn)生波形響應(yīng)。從測試設(shè)備供應(yīng)商泰克（Tektronix）轉(zhuǎn)向最先進(jìn)的DAC技術(shù)，人們發(fā)現(xiàn)12 GSps 10位DAC現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了在無人系統(tǒng)中部署所需的技術(shù)成熟度。

在同一物理FPGA器件中，ADC和DAC的搭配將響應(yīng)延遲降至最低水平。這組新興技術(shù)現(xiàn)在能夠?qū)拵щ娮討?zhàn)性能提高2-4倍，而以前使用開放式架構(gòu)COTS組件是可能的。8 位 ADC 和 12 GSps 10 位 DAC 可通過基于 FPGA 的 6U 開放式 VPX 計算模塊以 COTS 形式實現(xiàn)。FPGA節(jié)點可以使用直接存儲器訪問（DMA）支持?jǐn)?shù)據(jù)平面接口，但它很難運(yùn)行特定的高級協(xié)議和中間件，使其能夠跨越系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或廣域網(wǎng)。這使得FPGA難以提供無人傳感器向分析師和地面部隊提供數(shù)據(jù)所需的廣域連接。CPU 提供了 EW 系統(tǒng)在這方面所需的靈活性。FPGA 和 CPU 模塊必須通過高速開放式 VPX 背板接口連接，以避免瓶頸。

CPU 提供靈活性和連接性

如前所述，CPU最擅長運(yùn)行將無人機(jī)、UGV 或 UUV 中的傳感器連接到外部世界的中間件。此類別中的主要選擇是英特爾第四代酷睿i7 CPU（以前稱為“Haswell”）。這款全新的移動計算酷睿 i7 處理器基于英特爾 22 納米微架構(gòu)的低功耗嵌入式實現(xiàn)，是傳感器計算的理想選擇。CPU 包含集成的 16 通道 PCIe 第 3 代接口，允許在 FPGA 和 CPU 內(nèi)存之間移動 16 GBps 的數(shù)據(jù)。由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)速率實際上超過了整個ADC的速度，這為與外界接口的應(yīng)用提供了極大的靈活性。CPU 運(yùn)行操作系統(tǒng)（通常是 Linux 或 VxWorks），并執(zhí)行與數(shù)據(jù)平面接口的堆棧。圖1顯示了FPGA和CPU如何通過該高速管道連接。

圖 1：一個基于 FPGA 的 6U 開放式計算模塊和一個開放式多處理 DSP 模塊將 FPGA 和 CPU 處理結(jié)合在一起。

（單擊圖形可縮放 1.9 倍）

嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)平面通常是三種類型的結(jié)構(gòu)之一：10/40 GbE、英寸帶或快速IO。數(shù)據(jù)平面結(jié)構(gòu)用于在系統(tǒng)中的處理元素之間傳輸數(shù)據(jù)。在InfiniBand或RapidIO的情況下，通常必須有一個到以太網(wǎng)的橋接器，然后才能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠渴澜纭?/p>

CPU 提供的最強(qiáng)大的功能之一是執(zhí)行發(fā)布/訂閱中間件（如數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù) （DDS））的能力。Pub/sub 是一種面向消息的中間件，它允許數(shù)據(jù)源發(fā)布到稱為訂閱者的興趣方。訂閱者能夠?qū)ｉT針對他們想要的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，并能夠設(shè)置特定于其需求的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)。例如，高速設(shè)備可以請求連續(xù)的圖像流。速度較慢的設(shè)備可能會一次請求一個圖像。某些設(shè)備可能只想查看一次圖像，并且可能希望在查看后將其丟棄。其他人可能希望看到最早的圖像（FIFO或先進(jìn)先出），而不是最新的（后進(jìn)先出或后進(jìn)先出）。發(fā)布/訂閱中間件允許數(shù)據(jù)發(fā)布者和訂閱者共享虛擬鏈接，而無需管理和了解彼此以及各種其他系統(tǒng)發(fā)布者和訂閱者的服務(wù)要求。

另一個功能強(qiáng)大的中間件是消息傳遞接口 （MPI）。MPI 是一種可移植的、與語言無關(guān)的協(xié)議，用于在分布式處理器（如 CPU）之間共享數(shù)據(jù)。它已成為高性能計算集群之間通信的事實標(biāo)準(zhǔn)，并被世界上最強(qiáng)大的計算機(jī)TOP500中的許多計算機(jī)使用。像 MPI 這樣的中間件是將 CPU 集群有效擴(kuò)展到大型高性能嵌入式計算 （HPEC） 系統(tǒng)的基本要素。

除了能夠運(yùn)行復(fù)雜的中間件之外，CPU 還可以輕松添加 PC 中常見的功能，例如：

顯示器 – CPU 支持高分辨率圖像渲染接口，如嵌入式顯示器端口 （eDP）。DisplayPort 是一種數(shù)字通信接口，它利用差分信令實現(xiàn)高帶寬總線接口，旨在支持 PC 與監(jiān)視器、投影儀和電視顯示器之間的連接。顯示端口是第一個依賴于分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)娘@示接口。

存儲 – 串行 ATA （SATA） 是連接到大容量存儲設(shè)備（如硬盤驅(qū)動器和光盤驅(qū)動器）的接口。無人駕駛機(jī)載平臺、陸地車輛或海軍艦艇上的傳感器處理器通常通過無線或衛(wèi)星鏈路連接到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

外圍設(shè)備 - 這些通過無處不在的通用串行總線（USB）連接，該總線連接到許多電子設(shè)備，包括鍵盤，指針設(shè)備和其他適配器。

圖 2：柯蒂斯-賴特雙英特爾酷睿 i7 4700EQ 基于 CHAMP-AV9 主板

開普攻克異質(zhì)加工

OpenVPX 是異構(gòu)系統(tǒng)的理想平臺，這些系統(tǒng)執(zhí)行無人駕駛車輛中高速雷達(dá)、圖像處理、SIGINT 和電子戰(zhàn)所需的處理。一個例子是柯蒂斯-賴特基于OpenVPX的雙英特爾酷睿i7-4700EQ CHAMP-AV9 DSP模塊（圖2），包括OPENVPX背板上的32個PCIe 3.0擴(kuò)展平面通道和16個10 Gbaud數(shù)據(jù)平面信號通道。該模塊利用 OpenVPX 將 FPGA 的高速并行處理與 CPU 的軟件功能結(jié)合在一起。這種范式的結(jié)果：設(shè)計人員能夠征服無人平臺最具挑戰(zhàn)性的傳感器處理應(yīng)用要求。

審核編輯：郭婷