1、引言

    近年來(lái),，導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苓\(yùn)算及信號(hào)處理的要求越來(lái)越高,。對(duì)目前大多數(shù)基于VME總線的并行多處理器系統(tǒng)而言，總線帶寬已經(jīng)成為制約系統(tǒng)處理能力的瓶頸,。VME64X的總線帶寬為320Mb/s,，已經(jīng)不能滿足要求高吞吐量、低延遲的系統(tǒng),，迫切需要一種新的運(yùn)算架構(gòu)來(lái)滿足實(shí)時(shí)高性能的導(dǎo)航和信號(hào)處理需求,。PICMG協(xié)會(huì)在ATCA構(gòu)架的基礎(chǔ)上提出了一種MicroTCA構(gòu)架。

2,、AdvancedTCA構(gòu)架

    ATCA(advanced telecom computing architecture)高級(jí)電信計(jì)算構(gòu)架采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交換互連結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸$接口信道建立在LVDS(低壓差分信號(hào))差分對(duì)基礎(chǔ)之上,電氣特性達(dá)到3.125GHz,，數(shù)據(jù)編碼使用8b/10b編碼機(jī)制。交換互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為：雙星型,、雙-雙星型和全網(wǎng)狀,。

    ATCA構(gòu)架能夠?qū)崿F(xiàn)6.25Gbit/s的速率，高達(dá)2.5Tbps的總帶寬,，支持熱插拔和冗余備份,，99.999%的可靠性，每板高達(dá)200W的散熱功率,。此外還支持不同通訊協(xié)議之間的互連,，包括以太網(wǎng)和光纖傳輸、InfiniBand,、RapidIO,、PCI Express等。

    由于成本較高,，占用空間大,，設(shè)備管理和冷卻供電復(fù)雜，以及必須使用載板來(lái)容納AMC模塊，使得ATCA構(gòu)架適用于大規(guī)模,、集中式的電信應(yīng)用,。

3、MicroTCA構(gòu)架

    3.1 MicroTCA主要標(biāo)準(zhǔn)

    兼容ATCA,、AMC.0規(guī)范,；可裁減的成本、尺寸以及模塊,；模塊化的設(shè)計(jì),；可擴(kuò)展的背板帶寬，1~40Gb/s,；300mm,、19英寸可上架機(jī)箱，支持高級(jí)系統(tǒng)管理,；每個(gè)AMC模塊20~80W的散熱,；支持-40℃~+65℃的溫度范圍；可靠性99.9%~99.999%,；最低8年的使用壽命,；支持星型、雙星型和全網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),；支持熱插拔,。

    3.2 MicroTCA系統(tǒng)構(gòu)成

    1個(gè)典型的MicroTCA系統(tǒng)包括：12塊AMC模塊、1個(gè)或2個(gè)MCH(MicroTCA Carrier Hub),、互連背板以及電源,、散熱等模塊(見圖1)。MicroTCA系統(tǒng)支持AMC.0的所有規(guī)格的板卡,。MCH是MicroTCA系統(tǒng)的主要組成部分之一,，功能類似于載板，以容納AMC模塊,。作為載板集中器,，MCH能夠同時(shí)進(jìn)行12個(gè)AMC模塊之間的互連和管理。

圖1 MicroTCA系統(tǒng)架構(gòu)

4,、AMC構(gòu)架

    AMC是新一代擴(kuò)展卡的規(guī)范,，支持熱插拔，支持高速互連,，支持豐富的處理器構(gòu)架,，主要面向于通信和嵌入式領(lǐng)域，同時(shí)具有低成本和模塊化的靈活配置,。

    AMC模塊是MicroTCA系統(tǒng)的重要組成部分,，通過(guò)對(duì)AMC模塊的使用能很容易地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展,、模塊化設(shè)計(jì)，從而方便地實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)功能,。AMC模塊包括CPU,、DSP模塊、網(wǎng)絡(luò)處理器(NPU),、存儲(chǔ)模塊以及各種各樣的I/O模塊,。

    MicroTCA系統(tǒng)支持如圖2所示的6種尺寸的AMC模塊,。

圖2 AMC模塊的規(guī)格

    不同尺寸的AMC模塊能夠容納的器件是不同的,，并且都有自己潛在的應(yīng)用范圍。用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用領(lǐng)域靈活地選擇相應(yīng)的模塊,。

5,、MicroTCA信號(hào)處理機(jī)

    采用如圖3所示的MicroTCA雙冗余構(gòu)架構(gòu)造了一套信號(hào)處理機(jī)。

    該系統(tǒng)主要由CPU控制板,、DSP信號(hào)處理板,、網(wǎng)絡(luò)通信板、數(shù)據(jù)采集板(A/D,、D/A),、存儲(chǔ)模塊和機(jī)箱構(gòu)成。

    AMC處理器模塊采用英國(guó)并行公司的PR AMC/33x,，該處理器配備2.0GHz Intel Pentium M處理器,，支持PCI Express x8(AMC.1)、2個(gè)千兆以太網(wǎng)(AMC.2),、2個(gè)串行ATA150(AMC.3),。具有強(qiáng)大的處理能力和高速的數(shù)據(jù)傳輸。

    信號(hào)處理模塊(AMC DSP)采用Surf公司的DSP模塊SurfRider AMC板,，單板可最多容納8顆TI C6455 DSP,，板載FPGA管理接口通信。

    存儲(chǔ)模塊采用Kontron公司的AM4500,，最大120GB的存儲(chǔ)量,。兼容AMC.3規(guī)范。

    網(wǎng)絡(luò)模塊采用Kontron公司的AM4300,，帶4個(gè)10/100/1000Mb自適應(yīng)以太網(wǎng)接口,，支持PCI Express x8、x4,、x2,、x1鏈路。兼容AMC.2規(guī)范,。

    MicroTCA機(jī)箱采用德國(guó)Rittal公司的3U 14槽19英寸可上架機(jī)箱,。

圖3 信號(hào)處理機(jī)結(jié)構(gòu)圖

    通過(guò)AM4300可同時(shí)將4路千兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)引入系統(tǒng),，通過(guò)背板互連將數(shù)據(jù)送入SurfRider模塊進(jìn)行DSP處理，同時(shí)可將數(shù)據(jù)送入AMC4500進(jìn)行同步存儲(chǔ),。處理器AMC模塊PR AMC/33x負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度,。該系統(tǒng)可運(yùn)行VxWorks及Linux等主流操作系統(tǒng)，還支持Vxworks進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理,。

    5.1 硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖4,。整個(gè)系統(tǒng)采用MicroTCA并行構(gòu)架，由信號(hào)處理模塊,、數(shù)據(jù)采集模塊,、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、存儲(chǔ)模塊和控制器模塊構(gòu)成,。各模塊之間通過(guò)AMC規(guī)范定義的各種高速總線進(jìn)行互連,。本系統(tǒng)中包括Serial RapidIO、Fiber Channel,、Ethernet,、PCI Express。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    信號(hào)處理模塊由兩塊DSP多處理器板構(gòu)成,。從功能上劃分,，用第一片DSP處理板C6455完成速度補(bǔ)償以及抗異步干擾模塊、脈沖壓縮模塊的功能,；用第二片C6455完成動(dòng)目標(biāo)處理模塊,、非相參積累模塊、雜波圖以及恒虛警檢測(cè)(CFAR)模塊及點(diǎn)跡提取模塊的功能,。兩板之間通過(guò)Serial RapidIO進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,。峰值速率高達(dá)3.125GBps。

    每塊處理板包含8顆TI DSP定點(diǎn)處理器C6455,，主頻高達(dá)1GHz,，每DSP帶32M DDR2 DRAM，運(yùn)算節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)共享內(nèi)存提高系統(tǒng)通信能力,。單顆DSP運(yùn)算能力達(dá)8000 MIPS,，每塊信號(hào)處理板運(yùn)算能力高達(dá)64000 MIPS。8顆C6455之間也通過(guò)RapidIO進(jìn)行連接構(gòu)成并行處理系統(tǒng),。存儲(chǔ)模塊和采集模塊完成導(dǎo)航數(shù)據(jù)的高速采集和實(shí)時(shí)存儲(chǔ),。DSP信號(hào)處理板硬件構(gòu)架見圖5。

圖5 信號(hào)處理板構(gòu)架

    5.2 軟件設(shè)計(jì)

    信號(hào)處理以及實(shí)時(shí)成像對(duì)運(yùn)算量和實(shí)時(shí)性要求很高,，往往無(wú)法由單顆DSP完成,。本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)可以對(duì)系統(tǒng)中的任一片或幾片DSP模塊進(jìn)行相應(yīng)功能的編程，多個(gè)模塊組成的并行處理系統(tǒng)保證實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理能力,。用本系統(tǒng)進(jìn)行脈沖壓縮時(shí),，采用串行處理方法,，將數(shù)字脈壓的卷積過(guò)程轉(zhuǎn)化成三步運(yùn)算，即先將輸入信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換,，再乘上與輸入信號(hào)相匹配的濾波系數(shù),，將乘積進(jìn)行逆傅立葉變換，最終得到脈沖壓縮結(jié)果,。于是,，可將處理任務(wù)分解成三個(gè)流水處理過(guò)程：(1)FFT；(2)復(fù)數(shù)乘法,；(3)IFFT,。即將信號(hào)的卷積實(shí)現(xiàn)從(1)式到(3)式的變換。

    y(n)=x(n)*h(n)        (1)
    式中x(n)為輸入信號(hào),，h(n)為匹配濾波系數(shù),，用FFT法實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈壓，即完成：
    y(n)=IFFT(X(jω)·H(jω))        (2)
    y(n)=IFFT(FFT(X(n))·FFT(h(n)))        (3)

    按照算法的數(shù)據(jù)流走向分別分配給相應(yīng)的DSP芯片完成FFT,、復(fù)乘和逆FFT，采用這樣的串行處理%能夠把數(shù)據(jù)在一個(gè)包內(nèi)處理并傳送至下一流程,，無(wú)需考慮數(shù)據(jù)的等待和拼合,，處理流程加快，程序容易編制,。

6,、結(jié)論

    文中構(gòu)建的基于MicroTCA構(gòu)架的DSP并行處理導(dǎo)航系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)VME,、CPCI總線系統(tǒng)帶寬方面的不足,，先進(jìn)的構(gòu)架支持RapidIO、PCI Express,、Fiber Channel以及Ethernet等高速總線的背板互連.系統(tǒng)的信號(hào)處理能力可以通過(guò)增加信號(hào)處理板很容易地進(jìn)行擴(kuò)張,。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，處理能力強(qiáng),，帶寬高,，實(shí)時(shí)性好且支持-40℃~+65℃的溫度范圍。隨著MicroTCA構(gòu)架被PICMG制定為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布,，MicroTCA構(gòu)架將會(huì)更多地應(yīng)用于地面導(dǎo)航,、雷達(dá)成像等領(lǐng)域。