基于分布式的通用信号处理嵌入式软件架构

姜建军 徐晓瑶 袁俊

摘要：为了从根本上解决信号处理系统功能软件与硬件平台的解耦、在线重构、部署和升级问题，以信号处理嵌入式软件系统架构的新需求为牵引，分析了独立式架构、联合式架构和综合式架构等多种信号处理嵌入式软件系统架构的优缺点，提出了基于分布式的下一代通用信号处理嵌入式软件系统架构，研究了以信号预处理阵列、信号处理阵列、信息数据处理阵列和大容量存储阵列组成为主的硬件架构与以任务服务层、智能服务层、构件服务层和系统平台服务层组成为主的软件架构，解决了分布式通信中间件、多业务动态加载与灵活配置和异构处理器高效移植开发等关键性技术，实现了基于分布式的通用信号处理嵌入式软件架构。所提出的系统架构可扩展、可升级、可重构，快速提升系统性能，可满足不同的任务需求，面对复杂作战环境的适应能力强，能实现复杂电磁环境下电磁目标的智能感知。

关键词：信号检测;嵌入式软件系统架构;解耦;分布式通信中间件;在线重构;升级

中图分类号：TN911.23文献标志码：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

隨着软件无线电、综合射频、实时计算、数据全交换等技术和标准的不断发展，军事电子信息系统集成由传统的独立设备级离散集成向模块级综合集成方向转变[1]，在研发模式上，从传统“以硬件平台为中心，面向专用功能”的设计思路，向“以软件服务为中心，面向应用需求”的设计思路转变[2]。

军事电子信息系统需要快速适应复杂作战环境，以及侦察、对抗不断出现的新目标和新威胁。然而，傳统相对松散独立的设备级集成难以满足不断变化的任务需求。快速构建具备可扩展、可升级的硬件重组和软件可重构能力的嵌入式系统，即插即用[3]， 满足当前和未来军事装备任务扩展的需求，成为当前急需解决的难题。

第1期姜建军，等：基于分布式的通用信号处理嵌入式软件架构河北工业科技第36卷针对以上难题，笔者开展了通用信号处理嵌入式软件系统架构技术的研究。采用通用化、模块化、标准化、网络化、构件化设计，提供资源配置接口实现软硬件解耦，各种信号处理功能算法以软件构件为单元集成到系统中，通过软件定义实时动态重构系统功能，从而使系统性能快速提升，满足不同任务的需求。

1信号处理嵌入式软件系统架构的发展

传统的信号处理嵌入式软件系统架构伴随着信号处理平台的发展先后经历了3代[4]，即独立式架构、联合式架构和综合式架构，目前正向着可重构化方向迈进。其中，独立式架构模式的嵌入式软件系统由一系列独立的嵌入式软件模块组成，每个系统仅依靠其自身完成独立的功能，没有控制、数据总线，不同系统基本上以独立的形式出现，模块可重用性差，系统灵活度差、专用性强、信息交换困难，系统之间集成难度大。联合式架构包括集中式架构和集中分布式架构。集中式架构的嵌入式软件系统基于大量的数字计算机和中央控制总线，软硬件深度耦合。集中分布式架构的嵌入式软件系统开始采用时分多路传输数据总线（MIL-STD-1533B），实现了全系统数据分发，但应用形式单一。综合式架构的嵌入式软件系统采用了许多具有不同嵌入式软件功能的现场可更换模块来实现，采用这种体系的系统虽然实现了信号、信息处理部分的完全模块化，但使用上还是不能快速切换功能，系统间还是不能很好地互连、互通和互操作，不能满足军事电子信息系统实时侦察、一体化作战的要求。

随着传感器、武器和通信技术的进步，有可能会出现军事电子信息系统在刚服役时便已过时，无法满足新的作战要求的情况。因此，结合联合式和综合式架构、具有灵活便捷的可重构[5]通用信号处理嵌入式软件系统成为了未来的发展趋势。

2下一代通用信号处理嵌入式软件系统架构设计

为满足未来一体化联合、信息化、网络化、智能化和无人化军事作战需求[6]，下一代通用信号处理嵌入式软件系统架构对上可提供软件功能应用服务，适应各种功能任务的快速部署和执行，并可进行深度学习，具有网络化、精确化、实时化、多维化和社会化等特征;对下应采用通用化、模块化、标准化、网络化设计，使其具备可扩展、可升级、可学习、可演进以及智能化的能力。 下一代通用信号处理嵌入式软件系统架构如图1所示。

采用面向服务的软件功能构件化设计和任务自适应部署设计，可以进一步提升系统的通用性和灵活性，支持信号、信息处理系统在相关领域的综合应用和可持续发展，进而演进为分布式协同处理的无人系统，形成分布式处理系统云平台，通过空域、时域联合，实现各分布系统的互连、互通和互操作，从而形成纵向贯通、横向互连的一体化联合体。

下一代通用信号处理嵌入式软件系统要求硬件（部署）、软件平台都必须采用通用化设计，把整个信号处理系统“软件化”[7-10]，按软件的方法、模式来对系统进行统一设计和实现，分别从硬件和软件两方面进行系统架构设计。

2.1系统硬件架构

下一代通用信号处理平台硬件架构如图2所示。以通用FPGA处理资源为主的信号预处理阵列、以通用GPP处理资源为主的信号处理阵列、以通用GPP处理资源为主的信息数据处理阵列以及以磁盘为主的大容量存储阵列4类资源阵列组成。其中GPP可以是PPC，CPU或GPU等处理器。各阵列之间通过控制总线和GPS/BD以及秒脉冲时间总线进行时序同步控制，阵列间和阵列内采用全交换网络方式交换数据。交换网络分别包括高速光交换网络、高速RapidIO交换网络和以太网交换网络等，通过级联，可组建由众多在不同地点的平台、不同的网络构成的分布式网络，扩展成系统硬件资源。

1）信号预处理阵列

由FPGA 密集型通用信号预处理模块和高速交换网络组成，具备实时和低抖动的信号同步能力，通过对预处理资源、高速交换网络、通信中间件的灵活配置和功能程序动态加载，可以运行数字上下变频、数字波束形成、调制解调、信号检测和高速、触发信号捕获等预处理嵌入式功能软件。

2）  信号处理阵列

由GPP（PPC，CPU，GPU等）密集型通用信号处理模块和高速交换网络组成，具备多路高速信号缓存和处理能力，通过对处理资源、高速交换网络、通信中间件的灵活配置和功能程序动态加载，可以运行信号分析识别、引导干扰和参数测量等信号处理嵌入式功能软件。针对当前信号处理以DSP为主要专用处理资源的应用越来越少，建议信号处理阵列不采用专用信号处理芯片（DSP）。

3）  信息数据处理阵列

由GPP（PPC，CPU，GPU等）密集型通用信息数据处理模块和高速交换网络组成，具备综合信息数据处理能力和转发能力，通过对处理资源、高速交换网络、通信中间件的灵活配置和功能程序动态加载，可以运行测向定位、信息提取、情报融合和解码等信息数据处理嵌入式功能软件。

4）  大容量存储阵列

由大容量存储磁盘模块组成，具备存储阵列数据的读取控制、数据回放和离线分析能力。

架构中的4类资源阵列之间通过控制总线、时间总线和交换网络连接为一体，同时支持紧密和松散的互连特征，根据应用领域的不同需求，资源阵列之间的互连既可以通过高速有线互连形成强大的集中式处理系统，也可通过无线网络形成灵活的分布式处理系统，支持软硬件解耦。

2.2系统软件架构

通用信号处理嵌入式软件架构的核心思想是以软件服务为中心，适应可持续演进的应用需求，定义通用的各類软硬件标准规范体系，对功能软件进行构件化设计和实现，将功能软硬件虚拟化，作为可调度的资源，通过核心平台框架软件进行开发、配置、分布式部署、动态加载和业务重构，实现软件定义一切（software defines everything，SDX）功能和软硬件解耦，并确保软硬件的可移植性、可配置性以及按该架构开发的产品之间的互连、互通和互操作。

相较于传统的信号处理嵌入式软件架构的4层结构：功能应用层、系统平台层、通信中间件层和设备驱动层，通用信号处理嵌入式软件架构由任务服务层、智能服务层、资源构件服务层和系统平台服务层组成，如图3所示。

1）任务服务层

直接面向用户需求，具备各类用户任务的顶层规划、训练、评估、装载、卸载、管理等服务功能。具体包括任务输入管理、任务分解、通信侦察、通信对抗、雷达侦察、雷达对抗、网络通信、指挥控制、训练评估和任务监控等。

2）智能服务层

针对任务服务层分解输入的任务，可智能感知，深度学习，自动调度软硬件资源，调用相关知识库和情报库完成任务，并更新知识库、情报库和学习库。具体包括任务感知自动部署、资源虚拟化管理、处理资源自适应调整、系统动态重构管理、学习库/知识库/情报库和系统健康运维监控等。

3）构件服务层

采用面向对象的设计技术，对软硬件资源按类进行功能构件化设计、装配、运行管理、配置管理，具备核心平台框架功能。具体包括构件管理服务、各类处理阵列资源构件、通信侦察类构件、通信对抗类构件、雷达侦察类构件、雷达对抗类构件、通信类构件和指挥控制类构件等。

4）系统平台服务层

系统平台服务层由平台管理层、中间件层、驱动层组成，通过提供通信中间件等服务，对软硬件实现真正意义上的解耦。具体包括接口适配、平台管理、数据库服务、数据路由等。

通用信号处理嵌入式软件运行在FPGA，GPP等资源中，通过高速交换网络，系统可进行分布式部署和处理，其四层架构清晰地突出了面向用户、面向未来的需求设计，以软件定义一切为核心设计理念，突出了平台框架软件和功能应用软件的界限，突出了虚拟化、构件化资源与实际物理资源之间的关联关系。架构可通过资源配置管理、功能部署和任务服务等功能，达到对下层实现平台软件化管理、黑盒子使用，对上层实现任务可感知、可学习、可扩展、可动态重构配置的智能服务能力。

相较于传统的军事电子信息系统，基于通用信号处理嵌入式软件架构的智能感知能力的嵌入式分布式系统，任务可加载，功能流程可定制，处理算法可重构，人工参与程度低，对复杂作战环境的适应能力强，具有未知信号发现能力和历史数据积累能力，能破除“分不清、解不开、辩不明”的窘境，从复杂的电磁背景中智能感知目标，识别未知目标，实现复杂电磁环境下电磁目标的智能感知。

3关键技术途径

通用信号处理嵌入式软件架构，从顶层层面需要统一信号处理相关标准规范和技术要求，从架构层面需要解决平台软件架构设计技术等关键技术。

3.1标准规范的制定及实施

传统信号处理系统是由各承研单位项目设计师研制而成。如系统软硬件紧耦合，可复用性低，系统之间难以无缝接入，单位之间的系统集成、升级更是代价昂贵，而基于分布式的通用信号处理嵌入式软件系统恰好能解决此类难点，其实现需要成立行业专家联合设计组，对信号处理系统涉及到的信号预处理模块、信号处理模块、信息数据处理模块、大容量存储模块等的软硬接口进行统一标准制定和发布实施;对软硬数据总线接口进行统一标准制定和发布实施;对信号处理构件接口、通信中间件接口进行统一标准制定和发布实施。标准规范的制定及实施是基于分布式的通用信号处理嵌入式软件系统研制成功的关键，只有按照标准规范设计出来的系统才能满足不同系统的开放式接入，而且能更好地适应复杂多变的战场环境，实现新任务的在线部署和重构。

3.2基于SCA架构的平台软件架构设计技术

基于SCA[11-12]架构的通用信号处理嵌入式软件系统架构是开放式体系架构。该架构下，硬件采用基于网络的标准体系结构;软件上进行分层、组件化设计，统一规定了各层软件及组件的功能及其标准接口，使得上层软件通过标准接口调用底层资源，并将各组件间的耦合降到最低，最终使基于SCA架构的平台应用软件设计者不必关心具体硬件及其他软件/组件的实现，将重点放在如何高效地实现功能算法上，以提升系统性能。该架构中，将与算法无关的部分（如处理器调度、组件间通信、组件加/卸载等）独立出来，成为共性软件平台，从而在新型平台的研制中，可根据性能需要选择合适的功能模块，进行软件积木式构建后，集成共性基础软件，构建计算处理平台，按需研制高性能的算法组件，并与现有软件算法一起进行集成，实现具体的军事电子信息系统。由于大量采用具有标准接口的资源构件，可大大降低系统升级换代的成本及研制周期。

基于SCA架构的通用信号处理嵌入式软件系统中，软件采用层次化、组件化的分层体系架构，使得各组件的发展相互独立。将各层软件组件的功能、对外接口进行固化，使得每一层、每一个软件组件的升级换代，只要保持对外接口的一致性，就可集成进系统，也不会影响到其他软件组件。如果某一层组件接口确需发生变化，可通过调整对应层的互连接口，实现与其他软件组件的相互独立。其实现技术途径包括分布式通信中间件、多业务动态加载与灵活配置、异构处理器高效移植开发等。

1）分布式通信中间件技术

分布式通信中间件技术[13]是实现基于SCA架构的系统数据通信和互操作的基础软件，通过对基于SCA架构的系统数据传输特征的分析，对照传统通信中间件（如DDS和CORBA）的技术原理和应用模式，开展消息格式、传输连接管理、多线程支持等方面的中间件优化设计，实现对分布式通信和分布式对象访问的统一支持。另外，传统中间件底层传输链路一般只支持以太网，考虑到目前计算平台大量采用高速串行总线RapidIO等高速总线，中间件在设计上需采用可插拔协议框架设计模式，基于RapidIO等高速总线开展底层链路适配，并扩展支持共享内存等物理链路。

为满足基于SCA架构系统的性能要求和具体硬件环境的适应性要求，分布式通信中间件在設计上将重点进行内存使用模式、传输策略与传输方式、针对处理器和操作系统选型等3项优化工作。

2）多业务动态加载与灵活配置技术

多业务动态加载与灵活配置技术[14-15]，通过面向开放式体系架构的构件设计、开发、装配与部署规范的联合设计，明确信息处理业务构件封装、加/卸载、运行管理、构件配置和状态查询与上报等一系列接口要求，研制构件化管理框架软件，突破系统网络协议栈优化设计和灵活组网技术，以及多种业务应用模式下的指令分发和协议转换技术，满足未来基于SCA架构的系统业务动态加载与灵活配置的要求。

3）异构处理器高效移植开发技术

基于SCA架构的系统包含FPGA，GPP等多种异构处理器，其中， FPGA和GPP程序的跨平台设计技术是满足系统快速开发和应用跨平台高效集成的基础。通过制定标准、高效的FPGA，GPP软件操作环境和应用程序接口标准，定义传递数据和控制信息的统一消息格式，为应用构件提供统一的硬件访问接口和处理器间通信接口，能够有效提高FPGA，GPP业务构件的可移植能力和开发效率。

异构处理器高效移植开发技术统一通信层软件能够屏蔽硬件平台相关的底层通信机制，封装标准的通信接口，实现应用构件间通信方式与具体硬件平台的分离，并可保持应用构件底层通信访问接口的一致性，易于提高应用的跨平台可移植性。异构处理器统一通信层由通信函数和接口构件组成，接口构件提供消息传输功能，负责接收或向外发送统一通信层消息;通信函数提供异构处理器统一通信层的消息路由功能，负责在接口构件与信源/信宿之间传递统一通信层消息或解析后的数据，异构处理器统一通信层中的通信函数，需要针对平台特定传输方式进行具体设计。

4结语

笔者提出的基于分布式的通用信号处理嵌入式软件系统，不仅充分继承了现有或正在发展的开放式处理系统架构的优势，还从功能应用软件开发与硬件平台设计解耦的理念出发，进一步向着实现任务模式与实现方式的解耦和面向服务的目标迈进，最终可实现具有智能感知能力的分布式通用信号处理嵌入式软件系统。但在面对复杂环境、复杂任务模式时，还难以满足动态协作、实时共享等任务模式对信号处理的需求，需要继续在处理资源动态负载均衡和任务自适应匹配等技术上进行深入研究。

参考文献/References：

[1]陈颖. 航空电子模块化综合系统集成技术[M]. 北京： 国防工业出版社，2013.

[2]张荣涛，杨润亭，王兴家，等.软件化雷达系统技术综述[J]. 现代雷达，2016，38（10）： 1-3.

ZHANG Rongtao， YANG Runting， WANG Xingjia，et al. System technology of software defined radar[J]. Modern Radar，2016，38（10）： 1-3.

[3]王凯，徐展琦，肖永伟，等. 无线认知开发平台综述[J]. 无线电通信技术，2016，42（2）：9-11.

WANG Kai， XU Zhanqi， XIAO Yongwei，et al. Overview of wireless  cognitive development platforms[J].Radio Communications  Technology， 2016， 42（2）： 9-11.

[4]冯飞. DIMA 架构下的航电系统有效性评估技术研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2014.

FENG Fei. Research on Validity Evaluation Technology of Avionics  System with DIMA Architecture[D]. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2014.

[5]何赞园，王凯，吉立新，等. 基于ATCA架构的可重构通信处理机设计[J]. 电讯技术，2014，54（2）：115-120.

HE Zanyuan， WANG Kai， JI Lixin，et al. ATCA-based reconfigurable communication processor design[J]. Telecommunication Engineering，2014，54（2）：115-120.

[6] 贾明权. 基于分布式战术云的下一代通用信号处理平台架构[J]. 电讯技术，2017，57（7）：789-794.

JIA Mingquan. Next generation general signal processing platform architecture based on distributed tactical cloud[J]. Telecommunication Engineering，2017，57（7）：789-794.

[7]王德生，赵利民，孙立国，等.信息化、软件化、通用雷达终端的构建与实现[J].现代雷达，2007，29（12）：22-26.

WANG Desheng，ZHAO Limin， SUN Liguo，et al. Study and implement of software radar terminal system based on information packages[J]. Modem Radar， 2007，29（12）：22-26.

[8]李清，王德生.软件化、网络化雷达终端系统的研究[J].现代雷达，2006，28（4）：21-24.

LI Qing， WANG Desheng. Study of radar terminal system based on PC and network[J].Modem Radar， 2006，28（4）：21-24.

[9]周丽明.软件化雷达显控终端的研究[D].大连：大连海事大学，2011.

ZHOU Liming. The Display and Control Terminal of Software Radar[D]. Dalian： Dalian Maritime University， 2011.

[10]李路野，程知敬.模型驱动的雷达信号处理系统软件开发[J].电子技术与软件工程，2018（20）：55-57.

[11]张琼.SCA规范的起源及发展研究[J].计算机光盘软件与应用，2013（4）：138-140.

[12]蔡卓，张小琼.SCA 4.0规范概述[J].通信技术，2013，46（7）：126-128.

CAI Zhuo， ZHANG Xiaoqiong. Overview of SCA 4.0 specification[J]. Communications Technology， 2013，46（7）：126-128.

[13]周丽丽.SCA中间件技术浅析[J].计算机与网络，2011（10）：51-53.

ZHOU Lili. Analysis on middleware technology in SCA[J]. Computer & Network， 2011（10）： 51-53.

[14]石贱弟，赵小璞，陈俊可.一种基于软件通信体系结构的波形组件动态部署方法[J].计算机测量与控制，2014，22（9）：3058-3060.

SHI Jiandi，ZHAO Xiaopu，CHEN Junke.  A waveform component dynamic deployment method based on SCA[J].   Computer Measurement & Control， 2014，22（9）：3058-3060.

[15]高峰，謝瑞云，王巍.基于可重构技术的无线通信侦察系统研究[J].通信技术，2015，48（8）：974-978.

GAO Feng，XIE Ruiyun，WANG Wei. Wireless communication reconnaissance system based on reconfiguration technology[J]. Communications Technology， 2015，48（8）：974-978.第36卷第1期河北工业科技Vol.36，No.1