0 引言

    合成孔徑雷達(dá)（SAR）是一種具有全天候,、全天時(shí)、遠(yuǎn)距離獲取地面信息能力的傳感器,。SAR具有防區(qū)外探測能力,，在國境偵察、戰(zhàn)場偵察和戰(zhàn)場精確打擊等應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用,，具有極高的軍事價(jià)值^[1],。SAR成像在高分辨率及高測繪帶寬的指標(biāo)需求下，距離方位二維數(shù)據(jù)量龐大，并且算法復(fù)雜,，因此對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)處理能力提出了很高的要求,。

    傳統(tǒng)的單核DSP架構(gòu)限于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接方式，只能形成固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，而且單核DSP的處理能力有限,，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理能力只能通過多DSP間并行加流水的方式，導(dǎo)致系統(tǒng)規(guī)模巨大,。系統(tǒng)規(guī)模的增加會(huì)帶來如復(fù)雜性高,、穩(wěn)定性差、散熱差,、重量大等一系列問題,，并且隨著系統(tǒng)指標(biāo)要求的提高，這種固定的拓?fù)浼軜?gòu)已經(jīng)接近極限,。多核DSP架構(gòu)除了提高單個(gè)DSP的處理能力,，減少系統(tǒng)DSP數(shù)量，還支持RapidIO等高速串行總線,，不僅滿足了系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量的需求,，也提供了更靈活高效的互聯(lián)模式。

1 PFA成像處理算法

    在聚束模式合成孔徑雷達(dá)中,，由于天線波束始終指向固定的成像區(qū)域,，因此產(chǎn)生了雷達(dá)相對(duì)于目標(biāo)區(qū)域的轉(zhuǎn)動(dòng)。極坐標(biāo)格式算法（Polar Format Algorithm,，PFA）最早是作為一種有效的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)成像方法提出的,，很快該方法就被成功地應(yīng)用于聚束模式SAR成像中，并且大大地提高了聚束SAR的聚焦成像范圍^[2],。

    PFA是一種經(jīng)典的聚束SAR成像算法,，該算法采用極坐標(biāo)格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，有效地解決了遠(yuǎn)離成像區(qū)中心散射點(diǎn)的越分辨單元走動(dòng)問題,，極大地提高了聚束SAR的有效聚焦成像范圍,。相比于其他算法，PFA算法具有簡單高效,、計(jì)算量小,、實(shí)時(shí)性好和易于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于SAR實(shí)時(shí)成像領(lǐng)域^[3-4],。

    本文采用PFA成像算法,，流程如圖1所示。

    上述PFA算法在插值處理時(shí)需要存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù),，存儲(chǔ)容量增加的同時(shí)還導(dǎo)致了成像時(shí)延變大。基于方位子塊插值的PFA成像算法^[5],，將所有距離線的集合分割成若干互有重合的子集合,，每個(gè)子集合作為一個(gè)子塊，分發(fā)到相應(yīng)的處理器進(jìn)行插值處理,，減少了的存儲(chǔ)容量的要求,，降低了成像延時(shí)。

2 TMS320C6678多核DSP處理模式與性能研究

2.1 多核DSP處理模式

    TI推出新一代多核DSP TMS320C6678(C6678),，內(nèi)嵌8個(gè)核,，核速率最大1.25 GHz，工業(yè)級(jí)芯片可達(dá)1 GHz,，單核浮點(diǎn)運(yùn)算能力最高可達(dá)20 GFLOP,。C6678處理能力提高的同時(shí)還具備了更強(qiáng)的IO能力，其中RapidIO最高支持20 GB/s傳輸,，以太網(wǎng)最高支持1 GB/s傳輸,。該DSP的內(nèi)存可分為本地內(nèi)存(LL2)、共享內(nèi)存(SL2)和片外內(nèi)存(DDR),。其中LL2為512 KB,，SL2為4 MB，DDR可尋址8 GB空間^[6],。

    常用的多核處理模式有兩種,，即主從模式和數(shù)據(jù)流模式，如圖2所示,。

    (1)主從模式,，即一個(gè)核做數(shù)據(jù)接收和分發(fā)，對(duì)其他核的處理進(jìn)行管理,，即1+N的工作模式,；

    (2)數(shù)據(jù)流模式，即處理按照數(shù)據(jù)的傳輸串行執(zhí)行,。

    由于多核共享數(shù)據(jù)帶寬,，數(shù)據(jù)流模式僅適用于核間傳輸數(shù)據(jù)量較小的情況，而SAR處理數(shù)據(jù)量較大,，因此采用主從模式,。

    基于C6678的多核主從模式如圖3所示。由于緩存（cache）會(huì)占用一部分LL2的存儲(chǔ)空間,，剩余部分容量較小,，所以LL2僅用于存儲(chǔ)小數(shù)據(jù)量的常量；SL2用于保存各個(gè)核處理時(shí)使用的中間結(jié)果,；DDR空間較大,，可以存儲(chǔ)DSP的輸入,、輸出以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)角時(shí)需要存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)。

    主核首先將接收到的DSP輸入數(shù)據(jù)分配給相應(yīng)的從核,，再根據(jù)不同的處理啟動(dòng)從核進(jìn)行相應(yīng)的子處理,，然后等待所有從核處理完畢，最后匯總從核的輸出結(jié)果并發(fā)送給其他DSP,。這種主從模式將DSP的處理與數(shù)據(jù)傳輸分離,，簡化了DSP間的時(shí)序關(guān)系，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。

2.2 多核DSP處理性能研究

    根據(jù)上述主從模式,，以FFT運(yùn)算為例，測試C6678多核并行處理性能,。如圖4所示,，隨著并行核數(shù)的增加，F(xiàn)FT處理時(shí)間也有所增加,，這是由于多核共享SL2的數(shù)據(jù)帶寬,，從核并行處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生競爭，導(dǎo)致DSP并行處理能力下降,。因此,，多核并行處理能力并不隨著參與處理的從核數(shù)量的增加而線性增加。

    根據(jù)PFA成像算法流程,，以1+4主從模式（1個(gè)主核加4個(gè)從核）為例,，測試了SAR處理中各子功能多核并行處理性能，并對(duì)比單核DSP TS201,，結(jié)果如表1所示,。由于兩種處理器的主頻、內(nèi)存總線寬度,、優(yōu)化能力等都不盡相同,，并且某些子功能不適于并行處理（如自聚焦迭代過程），C6678與TS201的處理能力并不是簡單的4倍關(guān)系,。

2.3 維護(hù)cache一致性

    上文給出的結(jié)果,，是在DSP使能cache的前提下得出的。對(duì)C6678來說,，每個(gè)核都可以在LL2中開辟cache空間,，在使能cache的情況下，每個(gè)核對(duì)SL2的讀寫操作都是在cache中進(jìn)行的,，這樣極大地提高了內(nèi)存讀寫效率,。以4 096點(diǎn)FFT運(yùn)算為例，使能cache的情況下耗時(shí)為68 μs,，非使能cache的情況下則高達(dá)600 μs,。

    但是使能cache會(huì)導(dǎo)致cache一致性問題,，cache一致性問題是指在含有多個(gè)cache的并行系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的多個(gè)副本因?yàn)闆]有同步更新而造成的不一致問題,。這時(shí)需要軟件來維護(hù)cache一致性,，維護(hù)cache一致性的操作分為cache無效化和cache回寫。例如當(dāng)核A需要更新數(shù)據(jù)給核B時(shí),，核A首先要執(zhí)行cache回寫操作，使cache中的數(shù)據(jù)更新到內(nèi)存中去,，核B在讀取核A更新的數(shù)據(jù)前要執(zhí)行cache無效化操作,，以保證從cache讀取的數(shù)據(jù)和內(nèi)存中一致。除了多核間維護(hù)cache一致性外,，核與外設(shè)（如SRIO,、EDMA等）間也要維護(hù)cache一致性，因?yàn)橥庠O(shè)對(duì)內(nèi)存的讀寫操作是不經(jīng)過cache的,。

3 基于RapidIO互聯(lián)SAR實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    提高DSP的處理能力只是保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的一方面,，在典型的嵌入式系統(tǒng)中，瓶頸往往在于系統(tǒng)級(jí)互聯(lián),，即各元件之間的通信速度。RapidIO互聯(lián)架構(gòu)消除了該瓶頸,，它提供了一種高性能,、分組交換的互聯(lián)技術(shù)。目前C6678支持最高20 GB/s的傳輸速率,。

    圖5所示為一個(gè)典型的多核DSP互聯(lián)架構(gòu),，板內(nèi)DSP通過交換設(shè)備（SW）互聯(lián)，板間又通過SW互聯(lián),，從而組成一個(gè)RapidIO互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),。傳統(tǒng)的固定拓?fù)浼軜?gòu)由于通信鏈路單一，使得系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)DSP都不可替代,。而在這種互聯(lián)架構(gòu)中,，DSP在系統(tǒng)內(nèi)的邏輯位置都是等效的，可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu),。同時(shí),，該互聯(lián)架構(gòu)以4DSP板卡為最小單元，可根據(jù)系統(tǒng)的需求進(jìn)行擴(kuò)展,。這種RapidIO互聯(lián)架構(gòu)使得軟件設(shè)計(jì)不再受限于固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，具有很高的重構(gòu)性和擴(kuò)展性。

    為了充分利用多核DSP的并行處理性能,，每個(gè)子功能模塊需要盡可能地完成更多功能,，這樣也減少了子功能模塊間即DSP間的數(shù)據(jù)傳輸,，減少了流水級(jí)數(shù)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度,。

    SAR處理時(shí)序如圖6所示,，補(bǔ)償處理由于實(shí)時(shí)性要求高，需要4個(gè)DSP進(jìn)行輪轉(zhuǎn)處理,，處理結(jié)果同樣輪轉(zhuǎn)發(fā)送到DSP_21,、DSP_22和DSP_23 3個(gè)DSP進(jìn)行子塊插值和二維IFFT處理，DSP_21,、DSP_22和DSP_23處理完畢后發(fā)送輸出結(jié)果給DSP_24,，DSP_24接收到所有子塊結(jié)果后，產(chǎn)生復(fù)圖像進(jìn)行后續(xù)處理,，最終產(chǎn)生圖像并輸出,。

4 成像結(jié)果驗(yàn)證

    圖7所示為該SAR成像處理系統(tǒng)的驗(yàn)證平臺(tái)，調(diào)試計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)輸入試飛獲取的原始數(shù)據(jù),，經(jīng)過處理系統(tǒng)進(jìn)行SAR成像處理,，成像結(jié)果如圖8所示，圖像分辨率為0.5 m,。由圖可見,，該圖像各個(gè)部位聚焦良好、細(xì)節(jié)清楚且層次豐富,，驗(yàn)證了該成像系統(tǒng)的有效性,。

    傳統(tǒng)的單核DSP架構(gòu)，需要多達(dá)40個(gè)DSP才能勉強(qiáng)保證SAR成像處理的實(shí)時(shí)性,，該多核DSP架構(gòu)僅使用8個(gè)DSP即可滿足需求,，并且仍留有一定的余量（每個(gè)DSP僅使用5個(gè)核），相比之下,，該多核DSP互聯(lián)架構(gòu)優(yōu)勢明顯,。

5 結(jié) 論

    本文介紹了一種適于工程實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)SAR成像處理算法，重點(diǎn)研究了多核DSP（C6678）的處理模式,、處理性能,，并詳細(xì)分析了多核DSP中cache一致性問題。根據(jù)研究結(jié)論,，測試驗(yàn)證了SAR處理的子功能模塊,。隨后，介紹了一種典型的RapidIO互聯(lián)架構(gòu),，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于該架構(gòu)的SAR成像處理系統(tǒng),。結(jié)果表明，該系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)架構(gòu)具有高效性,、重構(gòu)性和可擴(kuò)展性,。

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