空间任务中的重组计算和软件无线电

空间任务中的重组计算与软件无线电胡行毅（中科院空间中心，）摘要 重组计算与软件无线电在本质上是同义语，都能适应变化的应用。重组计算的概念早就提出，直到近年来，FPGA器件性能和规模的提升，特别是软件工具的改善，IP核库的支持以及软件无线电的快速发展，使之在军事和空间应用中作为一种设计方法而越来越重要。为此讨论了在空间任务中对于重组计算的需求、特点、应用、问题及前景。关键词 重组计算，空间1 概述 重组计算（RC）的概念至少可追溯到上一世纪八十年代，重组计算也称为可重配置计算或可重构计算，有时也称自适应计算。其含义是：无论是对芯片、电路和系统都可提供一种介于可编程体系结构和专用集成电路体系结构之间的计算手段，使得计算模式可以变更。可编程体系结构的代表是数字信号处理器(DSP)，专用集成电路体系结构的代表是专用集成电路（ASIC）。二者若按应用需求比较，DSP具有大的应用灵活性和低的应用目标性能，ASIC具有高的应用目标性能和差的应用灵活性。而应用需求往往是既要求高的性能，又要求好的灵活性，这种应用需求导致了重组计算及其体系结构的产生和发展。重组计算就是要使可重构体系结构兼顾可编程体系结构(DSP)和专用集成电路(ASIC)二者的共同优点，能够根据不同的应用需求，利用改变配置件来改变自身的体系结构，以匹配变化的应用需求。可编程门阵列FPGA/PLD器件是可重构体系结构的代表，可重构体系结构通常包含通用处理器和FPGA器件，一台典型的重组计算机，其算法的计算强度是在为增强性能的FPGA上执行的。据研究，一个好的设计和自适应计算机的执行时间可以较普通只有软件的计算机产生十倍和百倍的性能改进。重组计算由于其算法与配置灵活、适合浮点算法、物理规模可伸缩、易于部件与系统的升级和维护、能够实时或准实时地适应变化的应用需求，使部件与系统都具有良好的可用性和重用性，因而几乎在一般性计算领域的任何应用如：通信、遥感、计算机、生物遗传、医学图像、高能物理以及信息安全等方面重组计算均得到了广泛的应用并具有发展潜力。 软件无线电（SR）实际就是射频数字化后的可重配置的无线通信系统，软件无线电设备是重组计算非常理想的应用目标，因而它与重组计算在本质上是同义语。移动通信的多标准射频、多调制体制识别和基带信号处理需要密集计算任务和自适应计算模型，智能天线波束赋形算法与波束形成需要现场快速实现。目前在手机和无线基站中都广泛采用了软件无线电技术，移动通信网络的无线通信器件也用软件无线电来实现物理层和链路层功能，以达到空气层介质和网络光纤层介质间的无缝接口。和传统的模拟通信机相比，软件无线电数字通信机具有更小的尺寸和更轻的重量、更节约的能源、更灵活和更可靠，因而有极高的性价比。如何利用DSP和FPGA等可编程器件，在公共的硬件平台上解决各种不同制式的空间接口已成为很多通信公司研究的主要课题。研究表明，在现阶段软件无线电结构体系的构建中，FPGA具有较好的性能，尤其是针对高性能并行运算比目前广泛使用的DSP在性能上具有明显的优势，前者不但可以提高运算速度，更重要的是它可通过有效而灵活的设计方法提高系统硬件的整体工效，尽可能使系统中所有逻辑资源处于有效工作状态，降低系统功率。这是目前一些专用芯片ASIC和DSP都难以做到的。软件无线电的出现改变了通信系统的传统设计方法。随着移动通信技术和标准的不断更新，软件无线电在移动通信中日益受到高度重视，这也促进了重组计算的应用和发展。 重组计算在1985年第一片FPGA器件出现后，就有力地推动了重组计算在商业上的应用。80年代末期，在美国国家安全局的赞助下，美国超级计算机应用中心(NCSA)开发出一种叫做斯波莱斯的重组系统结构用于基因链的识别，其速度超过通用型超级计算机的200倍。当时由于适合于重组计算的芯片技术、芯片速率、能耗和集成规模还不够成熟，以及空基任务中的一些特殊需求难以满足，因而，重组计算技术未能很快应用于空间的空基任务。到1996年NASA的GSFC在自适应科学数据处理项目（ASDP）中开始研究重组计算技术用于卫星数据处理。项目持续了三年，建立了世界范围认可的知识库并和美国国防先进研究项目局（DARPA）的自适应计算系统（ACS）计划合作使重组计算用于空间任务持续取得进展。NASA继续实行开放的资源计划，形成重组计算功能公共库。在NASA新千年计划中重组计算仍是重点之一。近年来，FPGA、DSP芯片的规模和性能大幅提高，软件无线电在移动通信技术中的的快速发展，以及可以提供大量的软件开发工具和IP核库的支持，在空间应用中设计成功了同时提供软件的灵活性和专用硬件的高速度的可重组处理器和可重组操作系统，从而对应用需求的特定功能实现硬件加速和软件动态加载。重组计算和软件无线电技术逐渐扩展成为一种优越的匹配空间任务需求的设计方法。这项新技术克服了传统的基于硬件和软件研制方式的局限性，对于降低投资风险，保护原有投资长期有效等方面开创了一个全新的系统研制方法。 在我国，基本上和国际商业应用同步，门阵列得到部件级的应用。1997年美国TSI TelSys公司及美国SoftTech系统公司在华介绍了该公司在空间应用的地面CCSDS TTC测控系统和多任务卫星通信系统的商业产品，它们是一种基于重组计算的PC板卡式的测控设备。之后，法国CORTEX公司也介绍了该公司的TTC商业类似产品。重组计算在我国空间任务的局部系统和部件中得到应用。2 空间任务需求 为满足空间应用任务不断增长的需求，天地一体化的空间任务系统设计也不断提出了对航天器系统及其地面系统的高要求，需要有自主/自治和自检/重构等技术支持。空间任务新概念的研究也需要提供相应的技术，例如：利用高密度FPGA的单片航天器（多个百万门级器件）概念的提出。FPGA单片航天器在整体上需要重构并自适应于卫星星座/编队、智能传感器网和亚微小卫星等互异的任务配置。这些都需要天基设备增强星上处理和存储能力以及星间信息交换能力，需要地面设备除具备天地互连、互通、互操作的相应处理外，还能应对地面系统的模型化挑战以降低资源配置量、能耗和成本。 适应于快、好、省的较小的空间多任务发展的具体技术需求综合为：航天器在轨期间，有时需要星载软件全部或部分重启。航天器在轨期间，无人航天器的电子学部分有时需要通过上行链路在物理上进行升级和维修。为了克服设计错误，需要上载改进的星载处理算法或者为了响应空间任务与系统功能的变更和在轨按需重组并优化。为了减少重量和功耗，在同一任务的不同阶段需要对同一个电路或部件进行不同的配置。部件与系统的空间故障处理、隔离和修复。例如：在部分器件出现故障时可以重新编程使用器件的其余部分。在一般电路板上实现用户个性化应用的需求，降低了小容量航天器设计的高昂流片费用（NRE）。使物理和环境费用也能跨任务共享。对于那些需求不完全由发射阶段定义的或是进入时间非常短的任务，需要提供在飞行中的附加安全余量。空间任务自主与自治的执行。需要数据融合的并行多处理系统。天基通信网和天地通信网的互连、互通、互操作。地基自动目标识别和地基的高效率处理和建模的高性能计算技术。增加产品的重用性和空间产品的生命周期，大大降低价格。3 空间任务应用 综上所述，空间应用的重组计算和软件无线电的特点是：需要建立在硬件和软件之间的配置件用来重组和控制硬件器件的硬件配置可按需变化配置的速度随器件变化，FPGA达到1ms至几十ms的可重配置变换运行时间的应用。重用与共享使尺寸、重量、能耗降低。适合于流数据处理和高速并行同步流水线计算模式。 根据空间任务的需求和目前芯片技术的可能，重组计算技术和软件无线电技术无论是在空间任务的空基设备或是地面设备中都已经得到相当大的发展。基于重组计算上的高性能的卫星计算使卫星设计更简便，卫星性能更好，成本降低和更灵活。重组计算主要可用于：自主航天器，高性能计算的有效载荷和航天地面系统。适合计算强度高的航天器中的数字滤波器、像素读出校正、超光谱影像数据变换和目标检测与跟踪。重组计算已经在一些国际空间项目中得到印象深刻的应用。 澳大利亚的低轨道科学微卫星任务FedSat-1的自适应仪器模块有效载荷，它是一个试验高性能计算的有效载荷HPC-1，也是世界上第一个在空间使用重组计算技术的有效载荷。HPC-1是一个提供高计算容量和灵活性的硬件，它能运行不同的功能和应用。硬件的重配置过程是通过从地面加载不同的配置文件的软件来完成的。HPC-1的EDAC系统不断检测并校正高辐射空间环境引起的错误。这个高复杂度的计算机对于智能型卫星的实时或近实时星载处理是一个有效的和有效率的平台。HPC-1有效载荷具有如下特点：用在轨升级硬件设计来改进系统性能。冗余容错，降低能耗，灵活的计算平台可以适应任务变化需求的不同应用。有效载荷HPC-1证明了重组计算的空间应用经受了空间严峻和敌对环境的考验，试验表明重组计算这种设计观念的有效性。 国际空间站和约翰逊航天中心（JSFC）在空间操作技术上采用了QuickFlex公司给出的供舱外活动（EVA）救援用的辅助设备（SAFER）的关键部分，称为QuickFlex技术方案。该方案提供了一种先进的重组计算工程服务和动态逻辑运行时间资源管理器（DLRM）软件作为FPGA的系统标准管理。由XILINX、ALTERA等公司提供的高性能的FPGA器件使硬件加速和软件灵活并日益能满足市场需求而取代专用芯片。QuickFlex的功能强大的动态逻辑运行资源管理软件协助NASA的JSFC摆脱了庞大的仿真训练系统。该软件使NASA 能系统级地多次按需求实时动态改变应用配置，而不必重启系统。基于SRAM FPGA的硬件方案的QuickFlex标准化、多次再加载硬件目标和多中断的配置分配等允许NASA在标准平台和取消额外规划的计算机方面进行平衡研发。QuickFlex方案还提供正在进行的通过上行链路的多硬件升级并能减少附加系统和文件的费用、可安装的升级实施费用以及降低现场工程实施、服务、支持与后勤等大量的开销。 NASA在空基应用的多卫星虚拟专网中为卫星网络采用了可重配置协议芯片。在卫星编队的自适应科学操作中采用分布式实时重组计算。 基于自适应目标识别中的动态重组计算的图像处理系统。NASA GSFC地面高速率（150MHb/s）的图像恢复处理中计算机体系结构的最佳配置。研究表明，采用重组计算约有11倍的性能改善。在系统软件版本升级中也有较高的可靠性。 软件无线电在空间的典型应用是现代移动通信卫星的有效载荷。宽带多媒体卫星有效载荷采用的星上解调处理方案，用软件无线电实现了再生转发有效载荷的结构和功能，因而软件无线电可以实现星载的再生有效载荷。例如：MF-TDMA可以在二中频后数字化以后，接收部分的分路，解调，解码等主要功能以及基带处理部分和发射部分的包交换和编码等功能均可用软件无线电技术实现。可重配的卫星有效载荷的重配过程需要一个管理控制器，通过它和卫星平台测控交换信息。 从以上空间应用可以看出：重组计算技术不仅要求尽可能地能动态地改进性能或故障重组，而且要求能作为在不改变硬件情况下迅速提升系统能力适应新的任务的一种方法。4 问题及发展前景 重组计算的应用中所存在的问题分为空间任务应用问题和器件本身的问题。对于实现时的安全机制问题在本质上是二者共有的。4.1空间任务应用的问题与对策 问题空间粒子辐照引起存储器中用以保持FPGA的编程信息的软件错误，长时间的离子辐照还会引起电路的硬伤，单粒子事件翻转对FPGA编程数据和片上用户的存储器结构均有影响，形成FPGA在空间的操作和配置问题。上行链路的低带宽和误码不能很好地匹配MODEM FPGA要求的1Mb量级的相对较大的配置文件。有限容量的板级存储器限制了能存储的配置文件数量，存储在非易失性存储器（EEPROM、FLASH）中的配置文件也敏感于辐照可能引起的错误。安全问题。 配置错误的短期解决方案最简单的FPGA的配置误差检测技术是读回配置bit流进行比对或CRC校核；用三冗余表决电路剔除错误的FPGA电路，并在系统仍在工作之下再编程。 配置管理的短期解决方案为了减少星载存储和传输的配置文件而采用辅助上载更新的配置文件的方法。采用专门的压缩技术和采用相对于星载默认配置不同的配置格式以减少配置文件大小。使用CRC校验对配置文件整体进行星载监控。对于深空任务需要专门的纠错措施。 要求专门的宇航级FPGA的长期解决方案宇航级FPGA不仅是抗空间辐照，同时也在片上配置能连续平滑操作的纠检错电路。发展能甄别FPGA中的永久性损坏的技术，最可行的就是加载一个专门的诊断配置装置。发展使现有电路设计在星上可重配置以避免坏的逻辑单元的技术。而采用目前的软件技术是不切实际的，必须将这些考虑重新设计到FPGA芯片中。在新的单一配置bit翻转错误模型基础上，广泛研究FPGA的检错或安全错误逻辑设计电路，这些内部逻辑门冗余设计能使现有的FPGA芯片有很强的容错能力。单一芯片或FPGA多片模块（MCM）联合单元、微控制器、存储配置的FLASH存储器和数/模I/O电路将极大的减少空间任务的重量和费用。 安全策略和机制要专门研究4.2器件问题与对策 主要问题 虽然可重构体系结构产品发展非常迅速，但也存在着一些技术障碍。其中最主要的是：可重构体系结构可以按体系结构颗粒度分类，按门级编程的FPGA最大，CPLD次之，DSP和超大规模CPU再次之，有冯诺依曼机结构的运算逻辑单元的微处理器最小。有精细颗粒度的可重构体系结构因为能修改处理器的结构近似匹配计算问题的结构，所以有大的灵活性。但是典型的FPGA的面积只有1%是有用逻辑，90%的芯片面积被连线和配置存储器占用，严重地降低了使用效率，因而也就增加了面积和费用。总体上需要折衷。有三种基本的FPGA技术：反熔丝、FLASH和SRAM。反熔丝架构仅能一次编程，FLASH架构和SRAM架构均可多次编程。迄今SRAM架构应用最广泛，适合于静态配置，并需要附加组件支持，例如：PROM/FLASH、上电CPLD、保密电池和散热片等而增加了整体成本。反熔丝架构和FLASH架构为非挥发性技术，适合动态配置。FPGA的配置分为静态配置和动态配置。用静态配置文件进行算法重构，不能实现动态改变。静态配置文件需要长的配置设计时间和编译时间，不能实时实现算法重构。静态配置文件只能根据算法的需求，以硬件电路设计实现的方式产生，开发周期长，投资大。动态配置是基于FLASH架构的FPGA，但常规的SRAM架构只能实现静态系统或借助于CPLD实现准动态系统重构。这是因为该芯片功能的重新配置约需要数ms到数十ms量级的时间。而在重新配置数据的过程中，旧的逻辑功能消失，新的逻辑功能尚未建立，电路逻辑在时间轴上不连续，系统功能无法动态连接。所以，要实现高速的动态重构，要求芯片功能的重新配置时间缩短到纳秒量级，这就需要对FPGA的结构进行革新，目前还在试验中。在算法上，自然界无序的多值算法现象的处理仍是一个很大的难题，尤其是算法在计算问题中信息元素的多样性、计算问题的复杂性，表现出计算行为和操作的无序和多值化倾向，表现出有限状态计算机存在着算法在空间和时间的复杂性。继续降低功耗和成本。运算器、浮点流水线，配置性能差，严重降低了运算速度。有限的资源，不能适应当今算法和片上系统（SOC）所需集成的部件。继续提高数据交换的效率。细粒度的体系结构不能适应数据通路型的粗粒度的多媒体计算等。因此，器件问题也限定了可重构体系结构在空间任务应用领域中的性能需求和产品需求。 对策为了解决算法在微电子技术中实现优化设计，在可重构体系结构和可编程体系结构的基础上提出了可重组算法逻辑体系结构的设计思想。可重组算法逻辑体系结构创造了一种不含任何算法的“白裸片”设计。实时加载重组算法的配置文件。安全策略和机制要专门研究。4.3发展前景可以预见，可重组算法逻辑体系结构的通用CPU芯片，在物理层动态实施另类指令体系置换设计、实现指令级和另类体系结构的兼容设计，具有诱人的研究前景和发展潜力。遥感应用中的灾害检测和监控系统由GPS导航、图像、通信、姿控、数管、存储和用户计算机系统组成。其中图像和计算机系统利用重组计算技术进行星载实时图像处理，以便于对灾害的最佳性能检测或跟踪。基于卫星的宽带服务在空间段和地面段均利用重组计算技术传递有效带宽和多媒体服务。高性能卫星计算有效载荷是一种适合于星载数据处理和具有改变标准的最佳化的星载快包交换平台。卫星自主导航系统利用重组计算技术对卫星位置的测量数据和轨道决定算法的实现进行星载实时处理以及卫星在空间能自主导航的各项技术。未来的软件无线电通过可重配置通信系统除能提供灵活性外还可提供互操作能力。使软件无线电扩大成为快捷、多模式和可重组的通信系统，并能工作在宽频带和不同的通信协议上。甚至在不改变任何硬件结构的情况下，将通信协议完全改变到一个新的通信协议上。FPGA单片航天器的设计概念就是单一的一台FPGA的计算机，将打破普通航天器的设计概念。首先，所有的器件都是直接连接在FPGA上，任