基于SCA的軟件無線電在FPGA上設(shè)計與實現(xiàn) - 全文

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　　隨著對無線通信帶寬、速率等提出的更高要求，GPP受工作方式、處理能力的限制，難以滿足這些要求，這就需要FPGA(Field Program-mable Gate Array)的加入來實現(xiàn)波形組件的并行處理和高速運算等功能。雖然SCA為GPP上的波形組件提供了很好的可移植性和可重用性，但目前還沒有一個標準能夠為FPGA上的波形組件提供這種支持。為了實現(xiàn)FPGA上波形組件的可移植性和可重用性，一些方案是在GPP上實現(xiàn)FPGA上波形組件的代理，其中比較典型的是JTRS JPEO提出的MHAL(Modem Hardware Abstraction Layer)，同時，也有部分公司或團體提出了直接在FPGA上實現(xiàn)CORBA的方案。本文將在分析MHAL和現(xiàn)存的CORBA方案優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出一種在FPGA上實現(xiàn)CORBA的改進設(shè)計方案，并對該方案進行了測試驗證。

　　1 技術(shù)介紹

　　1.1 CORBA簡介

　　CORBA中間件標準是SCA必需的中間件層，它為SDR系統(tǒng)提供所需的通信架構(gòu)。CORBA位于應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)之間，屏蔽了不同平臺、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等的差別，為開發(fā)者提供了一致的調(diào)用模式。通過CORBA，應(yīng)用組件可以獲得良好的可移植性、可重用性和互操作性。

　　ORB(Object ReqLtest Broker)是CORBA的核心，其任務(wù)是幫助客戶調(diào)用對象上的方法，包括：定位對象、激活對象、把客戶的請求傳遞給對象。ORB能夠屏蔽與底層平臺有關(guān)的細節(jié)，保證了信息在分布式環(huán)境中不同平臺上的應(yīng)用組件間透明地傳輸。為了使由不同開發(fā)者開發(fā)的實現(xiàn)之間能相互通信，CORBA規(guī)范定義了GIOP(General Inter-ORB Protocol)協(xié)議標準，能夠在任何具有連接的傳輸層上實現(xiàn)。

　　1.2 SCA簡介

　　SCA是美軍在JTRS中制定的軟件通信架構(gòu)標準，是JTRS的主干。SCA通過面向?qū)ο蠓椒▌澐周浖?硬件結(jié)構(gòu)，建立了開放的系統(tǒng)標準，提供了與具體實現(xiàn)無關(guān)的軟件無線電開發(fā)框架，保證了軟、硬件的可移植、可重構(gòu)及設(shè)備的互操作性。SCA規(guī)范包含軟件體系結(jié)構(gòu)定義、硬件體系結(jié)構(gòu)定義、安全體系結(jié)構(gòu)定義和應(yīng)用程序接口(API)四部分。

　　通過SCA所定義的分布式構(gòu)件規(guī)范，可將應(yīng)用與操作環(huán)境分離，同時使應(yīng)用功能模塊化，并為管理和使用軟件構(gòu)件定義了通用接口，通用業(yè)務(wù)和API以支持軟/硬件模塊移植。

　　2 現(xiàn)有實現(xiàn)方案分析

　　GPP處理器受其處理能力的限制，無法滿足當前通信業(yè)務(wù)需求，使通信設(shè)備越來越多地依靠DSP(Digital Signal Processor)、FPGA等專用處理器來完成高速的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，這就使SDR系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)必須面對由GPP，DSP和FPGA共同組成的多處理器平臺。雖然通過使用COR BA中間件技術(shù)可以很容易地實現(xiàn)分布式波形應(yīng)用，但由于CORBA標準是針對GPP的，在DSP，F(xiàn)PGA等處理器上沒有相應(yīng)的標準可用。這導(dǎo)致SCA /SDR的研究焦點分別集中在應(yīng)用程序接口(API)和商用中間件上，使SCA/SDR的設(shè)計和實現(xiàn)出現(xiàn)了兩種主要模式：使用使用硬件抽象層(如MHAL)和使用分布式中間件技術(shù)(如CORBA)。

　　2.1 使用MHAL方式實現(xiàn)的SCA/SDR系統(tǒng)

　　MHAL是JTRS JPEO提出的一種基于硬件抽象層的解決方案。其實現(xiàn)方法是通過在核心框架與FPGA之間加入代理，并明確規(guī)范代理與FPGA之間的數(shù)據(jù)格式來實現(xiàn)FPGA在SCA中的應(yīng)用的。圖1是以MHAL方式實現(xiàn)的分布式SCA/SDR系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)示意圖。這種方式下，GPP需要為FPGA上的每個波形組件實現(xiàn)一個代理，以實現(xiàn)分布式波形組件間的通信。通過使用代理，系統(tǒng)可以將FPGA上的波形組件當作GPP上的波形組件一樣處理，這樣就可以實現(xiàn)對FPGA上波形組件的靈活、高效的管理和使用。

　　在FPGA上實現(xiàn)的MHAL波形組件并通過接收帶參數(shù)的操作來調(diào)用波形組件所實現(xiàn)的功能，雖然這樣的實現(xiàn)方式對于FPGA開發(fā)人員而言，可以減小編寫波形組代碼的難度，但對于GPP開發(fā)人員來說，卻要在GPP上為每個FPGA上的波形組件實現(xiàn)一個組件代理，大大增加了開發(fā)的負擔。而且這這種實現(xiàn)方式也必然會相應(yīng)地增加GPP的運行負擔以及內(nèi)存資源占用，同時，在進行GPP上的波形組件與FPGA上的波形組件問通信時，必須要經(jīng)過組件代理的處理，實現(xiàn)GIOP報文與MHAL報文格式的轉(zhuǎn)換，這也就必然會給整個通信過程引入一定的延遲的增加、吞吐量的降低和低層次的重用。

　　而且，在以MHAL方式實現(xiàn)的SCA/SDR系統(tǒng)中，開發(fā)者需要在GPP上設(shè)計實現(xiàn)適配器來完成GIOP報文和MHAL報文的轉(zhuǎn)換，以便使用CORBA

　　機制的波形組件和使用MHAL機制的波形組件間的通信。但對于適配器的實現(xiàn)，目前還沒有統(tǒng)一的標準，而且，MHAL也不是一個針對通用市場的可用標準，它受到ITARS(International Traffic in Arins Regulations)限制，其實現(xiàn)細節(jié)并不公開，且MHAL報文結(jié)構(gòu)的細節(jié)并不足以完成波形組件的實際需要，從而必然會導(dǎo)致不同的MHAL實現(xiàn)方式，且彼此間相互不兼容，這也必然會破壞MHAL波形組件的可移植性和可重用性。

　　2.2 使用CORBA方式實現(xiàn)的SCA/SDR系統(tǒng)

　　由于GPP上的波形組件是使用CORBA實現(xiàn)的，所以只要將CORBA擴展到DSP和FPGA上，就能夠很容易地實現(xiàn)布署在各種類型處理器上的波形組件間的通信。圖2是以CORBA方式實現(xiàn)的分布式SCA/SDR系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)示意圖。在以CORBA方式實現(xiàn)的SCA/SDR系統(tǒng)中，GPP保持原有狀態(tài)即可，而DSP和FPGA上的ORB負責完成CORBA報文的處理。這使系統(tǒng)中所有波形組件使用CORBA中間件進行通信，而不需要在GPP上實現(xiàn)代理，不僅減輕了GPP的運行負擔以及內(nèi)存資源占用，而且系統(tǒng)中波形組件間的通信不再需要通過代理的轉(zhuǎn)換，從而也就降低了通信時延，提高了通信效率。

　　同時，CORBA為不同類型的處理器提供統(tǒng)一的通信架構(gòu)，使任何組件都能夠以簡單的函數(shù)調(diào)用方式獲得分布于系統(tǒng)中的其他組件的服務(wù)。軟件客戶端和硬件服務(wù)程序之間由此變得連接無縫、快速并且使用較少的系統(tǒng)資源。與MHAL實現(xiàn)方式相比，該架構(gòu)提供了波形組件的移動性和位置透明性，使得在同一處理器與在遠程處理器中調(diào)用對象相比沒有什么差別，使設(shè)計人員可以很容易地將波形組件從一個處理器中轉(zhuǎn)移到另一個處理器中。這意味著，設(shè)計人員一開始可以在他們的工作站上構(gòu)建SDR，然后很容易地將部件一塊塊轉(zhuǎn)移到GPP、DSP和FPGA上，來優(yōu)化系統(tǒng)總性能。

　　雖然使用CORBA方式實現(xiàn)的SCA/SDR既保持SCA的兼容性，又減小了傳輸負載，而且，開發(fā)者也無需開發(fā)通用GPP上的定制代理。但由于FPGA的設(shè)計實現(xiàn)方式與GPP完全不同，其編程主要集中于底層硬件，往往同特定的可編程資源緊密聯(lián)系在一起，而且FPGA不能提供等效的操作系統(tǒng)中虛擬地址等機制，從而使FPGA上CORBA功能的實現(xiàn)比較困難。目前為止，在FPGA上實現(xiàn)ORB的主要的方案有以下兩種：

　　(1)Prismtech公司開發(fā)了一款集成電路ORB(ICO)產(chǎn)品，該產(chǎn)品提供了一個使用VHDL語言編寫的ORB模塊，能夠運行于Xilinx，Altera等公司的多款FPGA上。整個產(chǎn)品包括ORB引擎、IDL-to-VHDL代碼產(chǎn)生器和SCA應(yīng)用組件等幾個部分。ORB引擎負責GIOP報文的解析和封裝，對于到達的GIOP請求報文，ORB引擎對報文中的對象鍵值、操作名稱、參數(shù)等信息進行解析，然后將數(shù)據(jù)傳遞給特定的FPGA邏輯模塊進行處理;如果處理結(jié)果需要向外部發(fā)送，則ORB引擎根據(jù)預(yù)先獲得的一些信息，將結(jié)果封裝為GIOP請求報文或應(yīng)答報文，并通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。

　　盡管ICO實現(xiàn)了FPGA程序與分布式系統(tǒng)的直接ORB通信，但由于其ORB引擎的實現(xiàn)代碼是由IDL-to-VHDL代碼生成器根據(jù)特定的應(yīng)用生成的，這就使其ORB引擎的實現(xiàn)邏輯與特定的FPGA應(yīng)用程序密切相關(guān)，從而也就導(dǎo)致了ORB的引擎不具備通用性。一旦FPGA的應(yīng)用程序做了修改，原有的ORB引擎往往無法對新應(yīng)用程序的GIOP報文進行正確的解析和封裝，此時必須再次使用IDL-to-VHDL代碼生成器重新生成新的邏輯。目前有很多FPGA在硬件上已經(jīng)具備了部分重配置功能，而且有一部分分布式應(yīng)用，也需要實現(xiàn)FPGA的動態(tài)部分重配置，這就需要在動態(tài)改變FPGA部分邏輯功能的同時，依然保持ORB引擎和其他FPGA模塊的正常工作，但ICO與FPGA應(yīng)用程序的緊密相關(guān)性使這一功能無法實現(xiàn)。

　　(2)OIS公司在一項專利中提出了一種新的基于FPGA的CORBA實現(xiàn)方法。該方法是將ICO的ORB引擎的分為4個功能模塊，包括ORB接收模塊、ORB發(fā)送模塊、接收操作適配器和發(fā)送操作適配器。其中ORB接收模塊和ORB發(fā)送模塊僅負責解析和封裝GIOP的報文頭信息，而接收操作適配器和發(fā)送操作適配器負責解析和封裝與每個應(yīng)用模塊相關(guān)的操作名稱和參數(shù)。這樣，每個應(yīng)用模塊都有自己專屬的處理操作名稱和參數(shù)的處理單元，從而保證了FPGA上應(yīng)用模塊的靈活性和通用性，也可以滿足部分重配置的需求。

　　然而，由于在OIS公司的專利中所提出的解決方案中，必須為每個應(yīng)用模塊都實現(xiàn)一個接收操作適配器和一個發(fā)送操作適配器，由此導(dǎo)致應(yīng)用模塊的實現(xiàn)十分復(fù)雜，必然會給應(yīng)用模塊的開發(fā)人員帶來一定的負擔;同時，F(xiàn)PGA內(nèi)部各應(yīng)用模塊之間的信息傳遞必須經(jīng)過發(fā)送操作適配器和接收發(fā)送操作適配器的處理，這對于FPGA內(nèi)部乃至FPGA之間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊箫@然是不恰當?shù)?而且，當一塊FPGA中運行的應(yīng)用模塊數(shù)量較多時，也必然要有大量的計算資源和存儲資源被處理操作名稱和參數(shù)的邏輯所占用，無法實現(xiàn)硬件資源的有效利用，甚至造成資源的浪費，這也是實際應(yīng)用中無法接受的。

　　3 改進的設(shè)計方案

　　以上分析表明現(xiàn)存的種實現(xiàn)方案都不夠理想，有必要設(shè)計一種新都實現(xiàn)機制來改善當前的設(shè)計。

　　根據(jù)實際應(yīng)用中通信系統(tǒng)的需求，結(jié)合上述分析的幾種實現(xiàn)方案的優(yōu)缺點，在兼顧系統(tǒng)的資源利用率、應(yīng)用組件的易開發(fā)性、通用性、靈活性等各方面的性能，在現(xiàn)有設(shè)計方案對基礎(chǔ)上，對FPGA上的ORB實現(xiàn)方案進行了改進，改進后的設(shè)計方案實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　在實際應(yīng)用中，實現(xiàn)各種波形的應(yīng)用模塊一般需要支持初始化、參數(shù)配置、參數(shù)查詢、建立連接、斷開連接、啟動、停止、數(shù)據(jù)傳遞等操作功能，所以在改進后的方案中，根據(jù)應(yīng)用模塊的實際需要抽象出一組與上述操作相對應(yīng)的操作名稱：initialize，configcIre，query，connectPort，disconnectPort，start，stop，pushPacket等，可稱之為公有操作。公有操作名稱的識別和處理由ORB主適配器完成。另外，對那些只是個別應(yīng)用模塊所實現(xiàn)的操作，可稱之為私有操作，其識別和處理則由應(yīng)用模塊的ORB輔助適配器完成。各模塊發(fā)所實現(xiàn)的功能

　　如下：

　　ORB主適配器(ORB Mian Adapter)實現(xiàn)的功能包括兩個方面：一是解析接收到的GIOP報文信息，從接收到到報文信息中抽取出GIOP報文頭和數(shù)據(jù)域，丟棄填充域。在該過程中，ORB主適配器需要基于GIOP報文頭信息所提供的協(xié)議版本和數(shù)據(jù)大小端標志完成報文格式的識別和數(shù)據(jù)的大小端轉(zhuǎn)換。需要注意的是GIOP報文中的ObjecKey和Operation Name段均是變長的信息，為了便于后續(xù)處理，需要在ORB主適配器的處理過程中將它們轉(zhuǎn)換為固定的編碼，其中ObjectKey轉(zhuǎn)換為用于標識應(yīng)用模塊的地址編碼，而Operation Name則轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的控制信息;二是封裝需要發(fā)送到GIOP報文信息，負責從應(yīng)用模塊的數(shù)據(jù)總線和控制總線接收數(shù)據(jù)與控制信息，然后加上GIOP報文頭，將控制信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的操作名稱，填充對齊數(shù)據(jù)等完成GIOP報文信息封裝，之后通過FIFO等類似的接口將數(shù)據(jù)傳送出去。

　　交叉開關(guān)(Crossbar Switch)實現(xiàn)的功能是根據(jù)接收到的地址編碼完成控制信息和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

　　ORB輔助適配器(ORB Assistant Adapter)實現(xiàn)的功能與ORB主適配器類似，也包括兩個方面：一是接收來自交叉開關(guān)的控制信息，若調(diào)用調(diào)用的是應(yīng)用模塊的私有操作，則將此操作名稱轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的操作編碼后發(fā)送給給交叉開關(guān)，否則，直接將控制信息轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用模塊;二是接收來自應(yīng)用模塊的控制信息，當應(yīng)用模塊調(diào)用私有操作時，則將操作編碼轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的私有操作名稱后發(fā)送給給交叉開關(guān)，否則，直接將控制信息轉(zhuǎn)發(fā)給交叉開關(guān)。

　　應(yīng)用模塊(Application Module)根據(jù)控制信息完成對數(shù)據(jù)的處理，給出處理結(jié)果。

　　圖4為CORBA請求報文的接收處理流程。

　　在根據(jù)改進后設(shè)計方案所實現(xiàn)的系統(tǒng)中，GPP上的應(yīng)用將保持原有狀態(tài)，不會引人任何額外的處理負擔和處理延遲。FPGA上由ORB主適配器統(tǒng)一完成各個應(yīng)用模塊的公有操作，在減小FPGA硬件資源的浪費的同時也減輕了應(yīng)用模塊開發(fā)的負擔。應(yīng)用模塊預(yù)留有私有操作處理接口，可對其實現(xiàn)的私有操作進行擴展，從而也保證了應(yīng)用模塊的靈活性和動態(tài)部分重配置功能的實現(xiàn);而且，F(xiàn)PGA上各應(yīng)用模塊間的數(shù)據(jù)傳遞不需要額外的處理，也滿足了高速處理的要求。

　　4 方案實現(xiàn)與測試驗證

　　為了驗證改進后設(shè)計方案的可行性和合理性，在圖5所示的硬件平臺上對該方案進行了實現(xiàn)和性能測試。其中PC計算機用作為數(shù)據(jù)源和接收終端，實現(xiàn)視頻和測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生并接收顯示視頻和校對測試數(shù)據(jù);ARM上運行VxWorks 5.5操作系統(tǒng)，使用TAO來提供CORBA功能，實現(xiàn)CORBA報文的封裝和解析;FPGA運行根據(jù)前面所描述的改進方案所實現(xiàn)的ORB，完成CORBA報文數(shù)據(jù)的解析、處理和封裝。測試過程中，首先由PC計算機產(chǎn)生視頻或測試數(shù)據(jù)，并通過Ethernet傳送給ARM處理器，ARM處理器上運行的應(yīng)用程序?qū)⑵浞庋b成CORBA報文后發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA接收到CORBA報文后對其進行解析，并對凈荷數(shù)據(jù)進行處理后重新封裝為CORBA報文后再發(fā)送給ARM處理器，ARM接收到FPGA發(fā)送到CORBA報文后對其進行解析處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC計算機，最終由PC計算機對接收到到數(shù)據(jù)進行視頻解碼顯示或校對檢測。

　　驗證過程中先后在FPGA上實現(xiàn)了波形組件間的建立連接操作(connectPort)、數(shù)據(jù)傳遞(pushPaeket)，波形組件參數(shù)配置(configure)和波形組件參數(shù)查詢(query)四個操作，并在波形組件到參數(shù)設(shè)置和查詢操作中完成short，float，double，string等類型的支持。通過測試，系統(tǒng)所實現(xiàn)的各種功能均符合設(shè)計需要。此外，還分別實現(xiàn)建立連接、數(shù)據(jù)傳遞2個操作與實現(xiàn)建立連接、數(shù)據(jù)傳遞、參數(shù)配置、參數(shù)查詢4個操作兩種情況對FPGA上對資源占用進行了比較，其結(jié)果見表1。從表中所得到的數(shù)據(jù)可以看出，在FPGA中實現(xiàn)對CORBA報文的操作以及參數(shù)進行解析、封裝處理非常耗費硬件資源。這主要是由于CORBA報文中使用的公共數(shù)據(jù)表示(CDR)來描繪所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型所引起的，其也從一個方面證明了OIS公司所設(shè)計的為每個波形組件都實現(xiàn)一個接收操作適配器和發(fā)送操作適配器將極其耗費硬件資源，這在實際應(yīng)用中是不能被接受的。

　　5 結(jié)論

　　本文在分析現(xiàn)有的解決方案優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上提出了一種在FPGA上實現(xiàn)ORB的改進設(shè)計方案，不但為彼此分離的、工作于多處理器平臺上的各個GPP，DSP和FPGA開發(fā)小組提供了通用的CORBA通信機制，實現(xiàn)波形組件的位置透明性;還克服了現(xiàn)有的FPGA上實現(xiàn)ORB方案的缺點，使FPGA上實現(xiàn)的ORB既可以支持動態(tài)部分重配置，又使波形組件開發(fā)人員盡可能少地處理ORB相關(guān)的工作，大大簡化了波形組件開發(fā)人員所承擔的開發(fā)任務(wù)。最終，所提出的改進設(shè)計方案在實驗平臺進行了實現(xiàn)與驗證，測試結(jié)果也表明了此方案的合理性和可行性。