航天時(shí)代的嵌入式圖像處理技術(shù)

 

摘要：本文首先簡(jiǎn)要介紹了充滿奇想的航天時(shí)代，在此基礎(chǔ)上，從統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)模型，虛擬的并行計(jì)算陣列與仿生的物理實(shí)現(xiàn)技術(shù)三個(gè)方面，討論了天基嵌入式MPP圖像處理技術(shù)的功能，結(jié)構(gòu)與物理實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：嵌入式；圖像處理；人工智能；航天時(shí)代

充滿奇想的航天時(shí)代

1961年4月12日，蘇聯(lián)宇航員加加林乘“東方”1號(hào)載人飛船，開創(chuàng)了充滿奇想的航天時(shí)代，至今已有499名宇航員圓了飛天之夢(mèng)，12名宇航員圓了登月之夢(mèng)。21世紀(jì)，美國(guó)采用載人飛船不僅要在月球上建立基地，而且要完成載人火星探測(cè)。不僅如此，人們還瞄準(zhǔn)了太空游，充滿好奇心的美國(guó)人的蒂托（2001）、奧爾森（2005），南非的沙特爾沃斯（2002）和美籍伊朗人安薩里（2006）4名富翁，花了2000萬(wàn)美元在國(guó)際空間站住了8天，環(huán)繞地球120周，完成了軌道式的太空游；第5名太空游的富翁將是軟件奇才美籍匈牙利人希莫尼。
正如瑞典的物理諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)主任Sune Svanberg所說(shuō)的，“一個(gè)好的科研成果有時(shí)候就來(lái)自一個(gè)靈機(jī)一現(xiàn)的想法，而不是像培養(yǎng)運(yùn)動(dòng)員那樣機(jī)械式的訓(xùn)練。諾貝爾獎(jiǎng)鼓勵(lì)好奇心驅(qū)使下的自由自在的研究?！碧技{米管能承載比自身重5萬(wàn)倍物體的特殊性能，使人們現(xiàn)在又產(chǎn)生了靈機(jī)一現(xiàn)的研制太空天梯的奇想，估計(jì)要50年后才會(huì)成功。
航天時(shí)代不僅促進(jìn)了運(yùn)載火箭技術(shù)，應(yīng)用衛(wèi)星技術(shù)與深空探測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，而且也使地基因特網(wǎng)發(fā)展成了天基太空網(wǎng)，延伸到了1億2千萬(wàn)公里的火星，促進(jìn)了天基嵌入式圖像處理技術(shù)等航天微電子應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展。

嵌入式圖像處理技術(shù)

天基嵌入式圖像處理技術(shù)的特點(diǎn)有：一是嵌入性，也就是體積、重量與功耗的要求很高；二是復(fù)雜性，要處理G級(jí)的像素幀；三是可靠性，要求適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，壽命長(zhǎng)；四是實(shí)時(shí)性，一般要求秒級(jí)的計(jì)算時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)這些特點(diǎn)，需要從航天嵌入式計(jì)算機(jī)的功能、結(jié)構(gòu)與物理實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面進(jìn)行研究。
（1）統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)模型
為了同時(shí)滿足能提高芯片集成度與縮短設(shè)計(jì)周期的要求，以IP核為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)平臺(tái)技術(shù)以及從功能到體系結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)方法得到了發(fā)展。由于非控制流的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)都采用控制流的體系結(jié)構(gòu)，按照我們提出的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的分類模型，控制流的體系結(jié)構(gòu)可分為三類：一是基于指令流的體系結(jié)構(gòu)，也就是以微處理器為代表的體系結(jié)構(gòu)，按照Flynn采用指令流與數(shù)據(jù)流兩個(gè)邏輯概念的分類共有SISD、SIMD、MISD、MIMD四種體系結(jié)構(gòu)；二是基于數(shù)據(jù)流的體系結(jié)構(gòu)，也就是以ASIC（例如Systolic array）電路為代表的體系結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗挥袛?shù)據(jù)流的概念所以只有SD與MD兩類，由于ASIC 電路效率雖然高，但為了克服沒(méi)有處理器靈活這個(gè)缺點(diǎn)，又出現(xiàn)了靜態(tài)可編程FPGA電路；三是基于構(gòu)令流（Configuration Stream）的體系結(jié)構(gòu)，通常叫做可重構(gòu)的（Reconfigurable）體系結(jié)構(gòu)，也就是動(dòng)態(tài)可編程電路，共有SCSD、SCMD、MCSD、MCMD四類。
    這些按邏輯概念分類的體系結(jié)構(gòu)可以組合起來(lái)使用，其選擇方案可以有1023種。就具體實(shí)現(xiàn)而言方案更多，例如，不同廠家的處理器的指令集合都是不相同的。而功能與體系結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)，是通過(guò)功能到體系結(jié)構(gòu)的映射完成的，為了確保這種映射的高效與統(tǒng)一，提出了一種統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)模型，從三個(gè)方面對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)一：一是提出了一種Unified _ISA模型，如圖1所示，能將上述三種體系結(jié)構(gòu)從指令集合上統(tǒng)一起來(lái)；二是提出了一種將高級(jí)語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言折中的中間映射語(yǔ)言，能將高級(jí)語(yǔ)言的兼容性和可讀性，與匯編語(yǔ)言的程序高效性和映射直接性統(tǒng)一起來(lái)；三是通過(guò)中間映射語(yǔ)言的編程，能將軟構(gòu)件與硬構(gòu)件的設(shè)計(jì)統(tǒng)一起來(lái)。

圖1  Unified _ISA模型的邏輯概念圖

具體對(duì)指令流體系結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其SISD、SIMD、MISD、MIMD四類體系結(jié)構(gòu)的指令子集合是統(tǒng)一成SISD體系結(jié)構(gòu)的指令集合，對(duì)于數(shù)據(jù)流與構(gòu)令流的體系結(jié)構(gòu)是通過(guò)增加相應(yīng)的指令，統(tǒng)一成SISD體系結(jié)構(gòu)的指令集合的；換句話說(shuō)，圖1中的SIMD、MIMD、ASIC與RC Device四種MPP Unit都是可以通過(guò)軟構(gòu)件描述的。這些軟構(gòu)件是可以在SIMD或MIMD體系結(jié)構(gòu)上直接執(zhí)行的，或者是可以自動(dòng)映射成ASIC或RC Device電路的。
(2)虛擬的并行計(jì)算陣列
    由于G級(jí)像素幀遙感圖像處理的需要，MPP并行計(jì)算陣列得到了發(fā)展，因?yàn)閳D像幀總是二維的，相應(yīng)的處理元陣列也是二維的，如圖2中所示。雖然芯片集成度已經(jīng)很高，但現(xiàn)在還不能在一塊芯片上研制G級(jí)像素幀的G個(gè)處理元的陣列，現(xiàn)在還只有采用WSI技術(shù)完成的百萬(wàn)個(gè)處理元的陣列。因此，還只能采用虛擬處理元陣列技術(shù)，解決MPP程序設(shè)計(jì)的方便性與程序本身的可讀性。換句話說(shuō)，MPP圖像處理程序是按虛擬并行計(jì)算陣列設(shè)計(jì)的，也就是MPP程序設(shè)計(jì)時(shí)，總是假定圖2中網(wǎng)格陣列的M與N的值是與圖像幀的維數(shù)大小相等的，而實(shí)際的處理元陣列的大小m