基于FPGA的CORBA通信系統(tǒng)設(shè)計方案

0 引言

自1992年Jeo Mitola中提出了軟件無線電(Software Defined Radio，SDR)的概念以來，有許多公司和團(tuán)體致力于SDR的研究和開發(fā)，并取得了一定成果。但由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各研發(fā)單位采用各自不同的解決方案和實現(xiàn)架構(gòu)，從而導(dǎo)致了不同制造商的SDR波形組件相互不兼容，難以實現(xiàn)互連、互通、互操作，不能進(jìn)行有效的協(xié)同工作，而且也不容易實現(xiàn)重配置。為了解決這些問題，美軍JTRS(Joint Tactical Radio System)JPEO(Joint Program Executive Office)制定了軟件通信體系架構(gòu)(Soltware CommLmication Arehitecture，SCA)規(guī)范，用以實現(xiàn)不同波形組件間的可移植性，以降低開發(fā)費用、縮短開發(fā)時間。SCA基于POSIX、CORBA(Common Obiect Request Broker Architecture)和面向?qū)ο蟮燃夹g(shù)，提高了SDR的互操作性以及波形組件的可移植性和可重用性，并獲得了GPP(General Purpose Processor)的良好支持，使基于SCA的SDR在GPP上能夠很好地實現(xiàn)。

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(biāo)準(zhǔn)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(tuán)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(jìn)設(shè)計方案，并對該方案進(jìn)行了測試驗證。

1 技術(shù)介紹

1．1 CORBA簡介

CORBA中間件標(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，是JTRS的主干。SCA通過面向?qū)ο蠓椒▌澐周浖布Y(jié)構(gòu)，建立了開放的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)是針對GPP的，在DSP，F(xiàn)PGA等處理器上沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(fù)擔(dān)。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(fù)擔(dān)以及內(nèi)存資源占用，同時，在進(jìn)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(jī)制的波形組件和使用MHAL機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，而且，MHAL也不是一個針對通用市場的可用標(biāo)準(zhǔn)，它受到ITARS(International Traffic in Arins Regulations)限制，其實現(xiàn)細(xì)節(jié)并不公開，且MHAL報文結(jié)構(gòu)的細(xì)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(kuò)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(fù)責(zé)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(jìn)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(fù)擔(dān)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(yuǎn)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。