姜建軍 徐曉瑤 袁俊

摘要：為了從根本上解決信號處理系統(tǒng)功能軟件與硬件平臺的解耦、在線重構(gòu)、部署和升級問題，以信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)的新需求為牽引，分析了獨立式架構(gòu)、聯(lián)合式架構(gòu)和綜合式架構(gòu)等多種信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)缺點，提出了基于分布式的下一代通用信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)，研究了以信號預處理陣列、信號處理陣列、信息數(shù)據(jù)處理陣列和大容量存儲陣列組成為主的硬件架構(gòu)與以任務服務層、智能服務層、構(gòu)件服務層和系統(tǒng)平臺服務層組成為主的軟件架構(gòu)，解決了分布式通信中間件、多業(yè)務動態(tài)加載與靈活配置和異構(gòu)處理器高效移植開發(fā)等關(guān)鍵性技術(shù)，實現(xiàn)了基于分布式的通用信號處理嵌入式軟件架構(gòu)。所提出的系統(tǒng)架構(gòu)可擴展、可升級、可重構(gòu)，快速提升系統(tǒng)性能，可滿足不同的任務需求，面對復雜作戰(zhàn)環(huán)境的適應能力強，能實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境下電磁目標的智能感知。

關(guān)鍵詞：信號檢測;嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu);解耦;分布式通信中間件;在線重構(gòu);升級

中圖分類號：TN911.23文獻標志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2019yx01004

JIANG Jianjun， XU Xiaoyao， YUAN Jun.Distributed general signal processing embedded software architecture[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2019，36（1）：19-24.Distributed general signal processing embedded

software architecture

JIANG Jianjun， XU Xiaoyao， YUAN Jun

（36th Institute of China Electronics Technology Corporation， Jiaxing， Zhejiang 314033， China）

Abstract：In order to achieve the decoupling between functional software of signal processing system and hardware platform， online reconfiguration， deployment and promotion， by using the demand of new requirement of signal processing embedded software system architecture， advantages and disadvantages of independent architecture， joint architecture and integrated architecture are analyzed， a next generation general signal processing embedded software system architecture based on distributed is proposed， hardware architecture by signal preprocessing array， signal processing array， information processing array and large capacity storage array and software architecture by task service layer， intelligent service layer， component service layer and system platform service layer are researched. The key technologies of distributed communication middleware， dynamic loading and flexible configuration of multiple services and efficient porting development of heterogeneous processors are solved， and distri-buted general signal processing embedded software architecture is achieved. The practical application shows that this architecture is scalable， upgradable and reconfigurable. The system performance can be rapidly improved to meet different task requirements. Its ability to adapt to complex com bat environment is strong， and intelligent sensing of electromagnetic targets in complex electromagnetic environment can be achieved.

Keywords：signal detection; embedded software system architecture; decoupling; distributed communication middleware; online reconfiguration; promotion

隨著軟件無線電、綜合射頻、實時計算、數(shù)據(jù)全交換等技術(shù)和標準的不斷發(fā)展，軍事電子信息系統(tǒng)集成由傳統(tǒng)的獨立設備級離散集成向模塊級綜合集成方向轉(zhuǎn)變[1]，在研發(fā)模式上，從傳統(tǒng)“以硬件平臺為中心，面向?qū)Ｓ霉δ堋钡脑O計思路，向“以軟件服務為中心，面向應用需求”的設計思路轉(zhuǎn)變[2]。

軍事電子信息系統(tǒng)需要快速適應復雜作戰(zhàn)環(huán)境，以及偵察、對抗不斷出現(xiàn)的新目標和新威脅。然而，傳統(tǒng)相對松散獨立的設備級集成難以滿足不斷變化的任務需求。快速構(gòu)建具備可擴展、可升級的硬件重組和軟件可重構(gòu)能力的嵌入式系統(tǒng)，即插即用[3]， 滿足當前和未來軍事裝備任務擴展的需求，成為當前急需解決的難題。

第1期姜建軍，等：基于分布式的通用信號處理嵌入式軟件架構(gòu)河北工業(yè)科技第36卷針對以上難題，筆者開展了通用信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)的研究。采用通用化、模塊化、標準化、網(wǎng)絡化、構(gòu)件化設計，提供資源配置接口實現(xiàn)軟硬件解耦，各種信號處理功能算法以軟件構(gòu)件為單元集成到系統(tǒng)中，通過軟件定義實時動態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)功能，從而使系統(tǒng)性能快速提升，滿足不同任務的需求。

1信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展

傳統(tǒng)的信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)伴隨著信號處理平臺的發(fā)展先后經(jīng)歷了3代[4]，即獨立式架構(gòu)、聯(lián)合式架構(gòu)和綜合式架構(gòu)，目前正向著可重構(gòu)化方向邁進。其中，獨立式架構(gòu)模式的嵌入式軟件系統(tǒng)由一系列獨立的嵌入式軟件模塊組成，每個系統(tǒng)僅依靠其自身完成獨立的功能，沒有控制、數(shù)據(jù)總線，不同系統(tǒng)基本上以獨立的形式出現(xiàn)，模塊可重用性差，系統(tǒng)靈活度差、專用性強、信息交換困難，系統(tǒng)之間集成難度大。聯(lián)合式架構(gòu)包括集中式架構(gòu)和集中分布式架構(gòu)。集中式架構(gòu)的嵌入式軟件系統(tǒng)基于大量的數(shù)字計算機和中央控制總線，軟硬件深度耦合。集中分布式架構(gòu)的嵌入式軟件系統(tǒng)開始采用時分多路傳輸數(shù)據(jù)總線（MIL-STD-1533B），實現(xiàn)了全系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)，但應用形式單一。綜合式架構(gòu)的嵌入式軟件系統(tǒng)采用了許多具有不同嵌入式軟件功能的現(xiàn)場可更換模塊來實現(xiàn)，采用這種體系的系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了信號、信息處理部分的完全模塊化，但使用上還是不能快速切換功能，系統(tǒng)間還是不能很好地互連、互通和互操作，不能滿足軍事電子信息系統(tǒng)實時偵察、一體化作戰(zhàn)的要求。

隨著傳感器、武器和通信技術(shù)的進步，有可能會出現(xiàn)軍事電子信息系統(tǒng)在剛服役時便已過時，無法滿足新的作戰(zhàn)要求的情況。因此，結(jié)合聯(lián)合式和綜合式架構(gòu)、具有靈活便捷的可重構(gòu)[5]通用信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)成為了未來的發(fā)展趨勢。

2下一代通用信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)設計

為滿足未來一體化聯(lián)合、信息化、網(wǎng)絡化、智能化和無人化軍事作戰(zhàn)需求[6]，下一代通用信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)對上可提供軟件功能應用服務，適應各種功能任務的快速部署和執(zhí)行，并可進行深度學習，具有網(wǎng)絡化、精確化、實時化、多維化和社會化等特征;對下應采用通用化、模塊化、標準化、網(wǎng)絡化設計，使其具備可擴展、可升級、可學習、可演進以及智能化的能力。 下一代通用信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

采用面向服務的軟件功能構(gòu)件化設計和任務自適應部署設計，可以進一步提升系統(tǒng)的通用性和靈活性，支持信號、信息處理系統(tǒng)在相關(guān)領域的綜合應用和可持續(xù)發(fā)展，進而演進為分布式協(xié)同處理的無人系統(tǒng)，形成分布式處理系統(tǒng)云平臺，通過空域、時域聯(lián)合，實現(xiàn)各分布系統(tǒng)的互連、互通和互操作，從而形成縱向貫通、橫向互連的一體化聯(lián)合體。

下一代通用信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)要求硬件（部署）、軟件平臺都必須采用通用化設計，把整個信號處理系統(tǒng)“軟件化”[7-10]，按軟件的方法、模式來對系統(tǒng)進行統(tǒng)一設計和實現(xiàn)，分別從硬件和軟件兩方面進行系統(tǒng)架構(gòu)設計。

2.1系統(tǒng)硬件架構(gòu)

下一代通用信號處理平臺硬件架構(gòu)如圖2所示。以通用FPGA處理資源為主的信號預處理陣列、以通用GPP處理資源為主的信號處理陣列、以通用GPP處理資源為主的信息數(shù)據(jù)處理陣列以及以磁盤為主的大容量存儲陣列4類資源陣列組成。其中GPP可以是PPC，CPU或GPU等處理器。各陣列之間通過控制總線和GPS/BD以及秒脈沖時間總線進行時序同步控制，陣列間和陣列內(nèi)采用全交換網(wǎng)絡方式交換數(shù)據(jù)。交換網(wǎng)絡分別包括高速光交換網(wǎng)絡、高速RapidIO交換網(wǎng)絡和以太網(wǎng)交換網(wǎng)絡等，通過級聯(lián)，可組建由眾多在不同地點的平臺、不同的網(wǎng)絡構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡，擴展成系統(tǒng)硬件資源。

1）信號預處理陣列

由FPGA 密集型通用信號預處理模塊和高速交換網(wǎng)絡組成，具備實時和低抖動的信號同步能力，通過對預處理資源、高速交換網(wǎng)絡、通信中間件的靈活配置和功能程序動態(tài)加載，可以運行數(shù)字上下變頻、數(shù)字波束形成、調(diào)制解調(diào)、信號檢測和高速、觸發(fā)信號捕獲等預處理嵌入式功能軟件。

2）? 信號處理陣列

由GPP（PPC，CPU，GPU等）密集型通用信號處理模塊和高速交換網(wǎng)絡組成，具備多路高速信號緩存和處理能力，通過對處理資源、高速交換網(wǎng)絡、通信中間件的靈活配置和功能程序動態(tài)加載，可以運行信號分析識別、引導干擾和參數(shù)測量等信號處理嵌入式功能軟件。針對當前信號處理以DSP為主要專用處理資源的應用越來越少，建議信號處理陣列不采用專用信號處理芯片（DSP）。

3）? 信息數(shù)據(jù)處理陣列

由GPP（PPC，CPU，GPU等）密集型通用信息數(shù)據(jù)處理模塊和高速交換網(wǎng)絡組成，具備綜合信息數(shù)據(jù)處理能力和轉(zhuǎn)發(fā)能力，通過對處理資源、高速交換網(wǎng)絡、通信中間件的靈活配置和功能程序動態(tài)加載，可以運行測向定位、信息提取、情報融合和解碼等信息數(shù)據(jù)處理嵌入式功能軟件。

4）? 大容量存儲陣列

由大容量存儲磁盤模塊組成，具備存儲陣列數(shù)據(jù)的讀取控制、數(shù)據(jù)回放和離線分析能力。

架構(gòu)中的4類資源陣列之間通過控制總線、時間總線和交換網(wǎng)絡連接為一體，同時支持緊密和松散的互連特征，根據(jù)應用領域的不同需求，資源陣列之間的互連既可以通過高速有線互連形成強大的集中式處理系統(tǒng)，也可通過無線網(wǎng)絡形成靈活的分布式處理系統(tǒng)，支持軟硬件解耦。

2.2系統(tǒng)軟件架構(gòu)

通用信號處理嵌入式軟件架構(gòu)的核心思想是以軟件服務為中心，適應可持續(xù)演進的應用需求，定義通用的各類軟硬件標準規(guī)范體系，對功能軟件進行構(gòu)件化設計和實現(xiàn)，將功能軟硬件虛擬化，作為可調(diào)度的資源，通過核心平臺框架軟件進行開發(fā)、配置、分布式部署、動態(tài)加載和業(yè)務重構(gòu)，實現(xiàn)軟件定義一切（software defines everything，SDX）功能和軟硬件解耦，并確保軟硬件的可移植性、可配置性以及按該架構(gòu)開發(fā)的產(chǎn)品之間的互連、互通和互操作。

相較于傳統(tǒng)的信號處理嵌入式軟件架構(gòu)的4層結(jié)構(gòu)：功能應用層、系統(tǒng)平臺層、通信中間件層和設備驅(qū)動層，通用信號處理嵌入式軟件架構(gòu)由任務服務層、智能服務層、資源構(gòu)件服務層和系統(tǒng)平臺服務層組成，如圖3所示。

1）任務服務層

直接面向用戶需求，具備各類用戶任務的頂層規(guī)劃、訓練、評估、裝載、卸載、管理等服務功能。具體包括任務輸入管理、任務分解、通信偵察、通信對抗、雷達偵察、雷達對抗、網(wǎng)絡通信、指揮控制、訓練評估和任務監(jiān)控等。

2）智能服務層

針對任務服務層分解輸入的任務，可智能感知，深度學習，自動調(diào)度軟硬件資源，調(diào)用相關(guān)知識庫和情報庫完成任務，并更新知識庫、情報庫和學習庫。具體包括任務感知自動部署、資源虛擬化管理、處理資源自適應調(diào)整、系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)管理、學習庫/知識庫/情報庫和系統(tǒng)健康運維監(jiān)控等。

3）構(gòu)件服務層

采用面向?qū)ο蟮脑O計技術(shù)，對軟硬件資源按類進行功能構(gòu)件化設計、裝配、運行管理、配置管理，具備核心平臺框架功能。具體包括構(gòu)件管理服務、各類處理陣列資源構(gòu)件、通信偵察類構(gòu)件、通信對抗類構(gòu)件、雷達偵察類構(gòu)件、雷達對抗類構(gòu)件、通信類構(gòu)件和指揮控制類構(gòu)件等。

4）系統(tǒng)平臺服務層

系統(tǒng)平臺服務層由平臺管理層、中間件層、驅(qū)動層組成，通過提供通信中間件等服務，對軟硬件實現(xiàn)真正意義上的解耦。具體包括接口適配、平臺管理、數(shù)據(jù)庫服務、數(shù)據(jù)路由等。

通用信號處理嵌入式軟件運行在FPGA，GPP等資源中，通過高速交換網(wǎng)絡，系統(tǒng)可進行分布式部署和處理，其四層架構(gòu)清晰地突出了面向用戶、面向未來的需求設計，以軟件定義一切為核心設計理念，突出了平臺框架軟件和功能應用軟件的界限，突出了虛擬化、構(gòu)件化資源與實際物理資源之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。架構(gòu)可通過資源配置管理、功能部署和任務服務等功能，達到對下層實現(xiàn)平臺軟件化管理、黑盒子使用，對上層實現(xiàn)任務可感知、可學習、可擴展、可動態(tài)重構(gòu)配置的智能服務能力。

相較于傳統(tǒng)的軍事電子信息系統(tǒng)，基于通用信號處理嵌入式軟件架構(gòu)的智能感知能力的嵌入式分布式系統(tǒng)，任務可加載，功能流程可定制，處理算法可重構(gòu)，人工參與程度低，對復雜作戰(zhàn)環(huán)境的適應能力強，具有未知信號發(fā)現(xiàn)能力和歷史數(shù)據(jù)積累能力，能破除“分不清、解不開、辯不明”的窘境，從復雜的電磁背景中智能感知目標，識別未知目標，實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境下電磁目標的智能感知。

3關(guān)鍵技術(shù)途徑

通用信號處理嵌入式軟件架構(gòu)，從頂層層面需要統(tǒng)一信號處理相關(guān)標準規(guī)范和技術(shù)要求，從架構(gòu)層面需要解決平臺軟件架構(gòu)設計技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1標準規(guī)范的制定及實施

傳統(tǒng)信號處理系統(tǒng)是由各承研單位項目設計師研制而成。如系統(tǒng)軟硬件緊耦合，可復用性低，系統(tǒng)之間難以無縫接入，單位之間的系統(tǒng)集成、升級更是代價昂貴，而基于分布式的通用信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)恰好能解決此類難點，其實現(xiàn)需要成立行業(yè)專家聯(lián)合設計組，對信號處理系統(tǒng)涉及到的信號預處理模塊、信號處理模塊、信息數(shù)據(jù)處理模塊、大容量存儲模塊等的軟硬接口進行統(tǒng)一標準制定和發(fā)布實施;對軟硬數(shù)據(jù)總線接口進行統(tǒng)一標準制定和發(fā)布實施;對信號處理構(gòu)件接口、通信中間件接口進行統(tǒng)一標準制定和發(fā)布實施。標準規(guī)范的制定及實施是基于分布式的通用信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)研制成功的關(guān)鍵，只有按照標準規(guī)范設計出來的系統(tǒng)才能滿足不同系統(tǒng)的開放式接入，而且能更好地適應復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，實現(xiàn)新任務的在線部署和重構(gòu)。

3.2基于SCA架構(gòu)的平臺軟件架構(gòu)設計技術(shù)

基于SCA[11-12]架構(gòu)的通用信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)是開放式體系架構(gòu)。該架構(gòu)下，硬件采用基于網(wǎng)絡的標準體系結(jié)構(gòu);軟件上進行分層、組件化設計，統(tǒng)一規(guī)定了各層軟件及組件的功能及其標準接口，使得上層軟件通過標準接口調(diào)用底層資源，并將各組件間的耦合降到最低，最終使基于SCA架構(gòu)的平臺應用軟件設計者不必關(guān)心具體硬件及其他軟件/組件的實現(xiàn)，將重點放在如何高效地實現(xiàn)功能算法上，以提升系統(tǒng)性能。該架構(gòu)中，將與算法無關(guān)的部分（如處理器調(diào)度、組件間通信、組件加/卸載等）獨立出來，成為共性軟件平臺，從而在新型平臺的研制中，可根據(jù)性能需要選擇合適的功能模塊，進行軟件積木式構(gòu)建后，集成共性基礎軟件，構(gòu)建計算處理平臺，按需研制高性能的算法組件，并與現(xiàn)有軟件算法一起進行集成，實現(xiàn)具體的軍事電子信息系統(tǒng)。由于大量采用具有標準接口的資源構(gòu)件，可大大降低系統(tǒng)升級換代的成本及研制周期。

基于SCA架構(gòu)的通用信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)中，軟件采用層次化、組件化的分層體系架構(gòu)，使得各組件的發(fā)展相互獨立。將各層軟件組件的功能、對外接口進行固化，使得每一層、每一個軟件組件的升級換代，只要保持對外接口的一致性，就可集成進系統(tǒng)，也不會影響到其他軟件組件。如果某一層組件接口確需發(fā)生變化，可通過調(diào)整對應層的互連接口，實現(xiàn)與其他軟件組件的相互獨立。其實現(xiàn)技術(shù)途徑包括分布式通信中間件、多業(yè)務動態(tài)加載與靈活配置、異構(gòu)處理器高效移植開發(fā)等。

1）分布式通信中間件技術(shù)

分布式通信中間件技術(shù)[13]是實現(xiàn)基于SCA架構(gòu)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信和互操作的基礎軟件，通過對基于SCA架構(gòu)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸特征的分析，對照傳統(tǒng)通信中間件（如DDS和CORBA）的技術(shù)原理和應用模式，開展消息格式、傳輸連接管理、多線程支持等方面的中間件優(yōu)化設計，實現(xiàn)對分布式通信和分布式對象訪問的統(tǒng)一支持。另外，傳統(tǒng)中間件底層傳輸鏈路一般只支持以太網(wǎng)，考慮到目前計算平臺大量采用高速串行總線RapidIO等高速總線，中間件在設計上需采用可插拔協(xié)議框架設計模式，基于RapidIO等高速總線開展底層鏈路適配，并擴展支持共享內(nèi)存等物理鏈路。

為滿足基于SCA架構(gòu)系統(tǒng)的性能要求和具體硬件環(huán)境的適應性要求，分布式通信中間件在設計上將重點進行內(nèi)存使用模式、傳輸策略與傳輸方式、針對處理器和操作系統(tǒng)選型等3項優(yōu)化工作。

2）多業(yè)務動態(tài)加載與靈活配置技術(shù)

多業(yè)務動態(tài)加載與靈活配置技術(shù)[14-15]，通過面向開放式體系架構(gòu)的構(gòu)件設計、開發(fā)、裝配與部署規(guī)范的聯(lián)合設計，明確信息處理業(yè)務構(gòu)件封裝、加/卸載、運行管理、構(gòu)件配置和狀態(tài)查詢與上報等一系列接口要求，研制構(gòu)件化管理框架軟件，突破系統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議棧優(yōu)化設計和靈活組網(wǎng)技術(shù)，以及多種業(yè)務應用模式下的指令分發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)，滿足未來基于SCA架構(gòu)的系統(tǒng)業(yè)務動態(tài)加載與靈活配置的要求。

3）異構(gòu)處理器高效移植開發(fā)技術(shù)

基于SCA架構(gòu)的系統(tǒng)包含F(xiàn)PGA，GPP等多種異構(gòu)處理器，其中， FPGA和GPP程序的跨平臺設計技術(shù)是滿足系統(tǒng)快速開發(fā)和應用跨平臺高效集成的基礎。通過制定標準、高效的FPGA，GPP軟件操作環(huán)境和應用程序接口標準，定義傳遞數(shù)據(jù)和控制信息的統(tǒng)一消息格式，為應用構(gòu)件提供統(tǒng)一的硬件訪問接口和處理器間通信接口，能夠有效提高FPGA，GPP業(yè)務構(gòu)件的可移植能力和開發(fā)效率。

異構(gòu)處理器高效移植開發(fā)技術(shù)統(tǒng)一通信層軟件能夠屏蔽硬件平臺相關(guān)的底層通信機制，封裝標準的通信接口，實現(xiàn)應用構(gòu)件間通信方式與具體硬件平臺的分離，并可保持應用構(gòu)件底層通信訪問接口的一致性，易于提高應用的跨平臺可移植性。異構(gòu)處理器統(tǒng)一通信層由通信函數(shù)和接口構(gòu)件組成，接口構(gòu)件提供消息傳輸功能，負責接收或向外發(fā)送統(tǒng)一通信層消息;通信函數(shù)提供異構(gòu)處理器統(tǒng)一通信層的消息路由功能，負責在接口構(gòu)件與信源/信宿之間傳遞統(tǒng)一通信層消息或解析后的數(shù)據(jù)，異構(gòu)處理器統(tǒng)一通信層中的通信函數(shù)，需要針對平臺特定傳輸方式進行具體設計。

4結(jié)語

筆者提出的基于分布式的通用信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)，不僅充分繼承了現(xiàn)有或正在發(fā)展的開放式處理系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢，還從功能應用軟件開發(fā)與硬件平臺設計解耦的理念出發(fā)，進一步向著實現(xiàn)任務模式與實現(xiàn)方式的解耦和面向服務的目標邁進，最終可實現(xiàn)具有智能感知能力的分布式通用信號處理嵌入式軟件系統(tǒng)。但在面對復雜環(huán)境、復雜任務模式時，還難以滿足動態(tài)協(xié)作、實時共享等任務模式對信號處理的需求，需要繼續(xù)在處理資源動態(tài)負載均衡和任務自適應匹配等技術(shù)上進行深入研究。

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