（电子科学与技术专业论文）车载多传感器战场感知系统—高速信号处理器研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 a b s t r a c t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gh a sb e c o m eo n eo fak e yt e c h n i q u eo fi n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gi nm o d e mr a d a rt e c h n o l o g y h i 曲s p e e dp a r a l l e lp r o c e s s o r sd e s i g na n d r e a l i z a t i o ni nt h er a d a rs u b - s y s t e mi s e m p h a t i c a l l ys t u d i e di nt h ea r t i c l ei n m u l t i - s e n s o r sb a t t l e f i e l di n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nv e h i c l e i nt h es e c o n dc h a p t e r , b a s e do nt h em u l t i - p i e c ep a r a l l e ls y s t e mi ns h a r i n gt h e d o s ec o u p l i n gb u sa n dd i s t r i b u t i o nb u s , t h es p e e d u pp r o p e r t yo fa d s p - t s l 0 1i s a n a l y z e du s i n gt h ea m d a h ll a wa n dt h eg u s t a f s o nl a w t h ea d s p t s l 0 1 sp i p e l i n e i np a r a l l e ls y s t e mi sa l s oa n a l y z e d t h er a d a rs i g n a lp r o c e s s o rc o n s t i t u t e dw i t hf o u r p i e c e so fa d s p - t s l 0 1 i s d e s i g n e db a s e do nt h es h a r i n gp a r a l l e l b u sa n d d i s t r i b u t i o n a lb u s i nt h et h i r dc h a p t e r , f o rt h ei n f r a r e ds u b - s y s t e mi su n a b l et oa c h i e v ed o w n r a n g e v e l o c i t y , t h e r a d a rw o r k si nt h el i n e a r f r e q u e n c ym o d u l a t i o nw a y , v e l o c i t y m e a s u r e m e n tu s i n gs i n g l el f m p u l s ei sa n a l y z e d t w oa l g o r i t h m sa r ed e r i v e d , w h i c h a l ec a l l e dl i n e a r - p h a s e - t e r m - m e t h o da n dq u a d r a t i c - p h a s e - t e r m - m e t h o dr e s p e c t i v e l y l o t so fs i m u l a t i o ne v a l u a t ef e a s i b i l i t yo ft h et w oa l g o r i t h m s p h a s ed i f f e r e n c e c o r r e c t i n gm e t h o d so nd i s c r e t es p e c t r u mi su s e dt om o d i f yt h ed o p p l e rf r e q u e n c y e s t i m a t i o n s i m u l a t i o nd e m o n s t i a t e st h a tt h ee f f i c i e n ti s i m p r o v e di n c a s et h a t o p e r a t i o ni sn o ti n c r e a s e d k e yw o r d s ：r a d a r ：p a r a i i e id s p ；l i n e a rf r e q u e n c yn l o d u i a t i o n ：d f t 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图目录 图1 1 车载多传感器战场感知系统测量系统关系图2 图1 2 车载多传感器战场感知系统主要设备实物图 图1 3 雷达测量子系统结构框图 图1 4 雷达测量子系统工作流程 图2 1 多处理器任务的串并转换分配1 3 图2 2 线性流水线的前趋图 图2 3 线性流水线的处理段模型 图2 4 雷达信号处理器总体结构 1 6 2 2 图2 5a d s p - - t s l 0 1 s 外部总线仲裁时序2 5 图2 6a d s p - - t s l 0 1 s 的存储器空间2 6 图2 7d s p 的链路口交叉互连。 图2 8 并行雷达信号处理器电路板实物图2 9 图3 1 雷达对机动点目标的跟踪示意图3 0 图3 2 线性调频脉冲信号波形图 图3 3 线性调频基带信号波形( ，路和p 路) 3 3 图3 4 线性调频信号频谱( 纺不同) 3 4 图3 5 单脉冲多普勒雷达方框图( 超外差式) 3 4 图3 6 发射信号和回波信号的幅度谱4 2 图3 7 不同f f t 点数时测速结果比较4 3 图3 8 不同f f t 点数时测速误差比较一4 4 图3 9 不同f f t 点数时测速效果综合比较4 5 图3 1 0 一次加噪情况仿真结果 图3 1 1 不考虑微动的多次加噪情况仿真结果4 7 图3 1 2 使用相位差法前后测速效果比较( 。= 4 0 9 6 ) 。5 2 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表目录 表2 1 表2 2 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 a d s p t s l 0 1 s 的总线仲裁逻辑引脚描述。 l c t l x 寄存器的字段定义。 数学符号对应的物理含义及典型值 不同f f t 点数对应的速度分辨率 二次项法仿真数据( 理想无噪情况) 不同f f t 点数下的测速误差平均值 2 3 不同噪声背景下多普勒脉冲测速结果比较4 8 利用相位差法频率校正前后测速结果比较( 坼。= 4 0 9 6 ) 5 0 第i v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为 获得国防科学术大学或其它教育机构学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文题目：奎裁垒佳壁墨战扬壁翅丕缠= 重达筐曼丝堡墨叠究皇塞理 l - p，l 学位论文作者签名：盘翌日期：妒厶年，月乡日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有保留、使用学位论文的规定。 本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：奎夔垒篮壁墨战扬蕉复丕缠二重达筮呈丝堡墨婴究皇塞理 学位论文作者签名：盘查 日期：炒年，月夕日 作者指导教师签名：差三望： 日期：加名年，月少日 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 车载多传感器战场感知系统概述 车载多传感器战场感知系统是指利用现代光机电一体化技术、现代控制技术 和信息集成处理技术，将带有中远距离光学系统的红外成像仪器、高分辨率照 相机及宽带毫米波测量雷达有机地组合于一体，构成一体化综合被动侦察、监 视平台，完成2 4 小时恶劣气候条件下对空中、地面、海上目标进行近程的雷达、 红外、可见光目标特性综合测量，是为目标的检测、跟踪、复合制导、特征分 析、识别、融合处理等提供数据支撑的多传感器复合移动试验平台。它通过计 算机，对同一目标的多个传感器观测结果按照一定的准则加以自动分析和综合 显示，以完成对目标的判断。 系统借鉴了广泛发展的多传感器集成探测头技术、电子通道综合信息采集与 分析显示技术、图像拼接与识别技术、可升降稳定平台技术、高可靠性伺服驱 动定位技术、低可探测性技术及模块化等技术，具有较高的的稳定性。 1 1 1 车载多传感器战场感知系统的应用背景 车载多传感器战场感知系统是信息化战争、数字化战场的需要。未来的数 字化战场将由武器和武器平台、指挥和控制系统、传感器以及后勤和支援系统4 个组成部分。而作战获胜的关键则是无数平台上的众多具有跟踪功能的传感器 系统。这些传感器的输出网联在一起，并由全球定位系统给出其位置，在稳定 与跟踪伺服控制结构的帮助下提供了无所不在的时刻监视战场的眼睛，为目标 定位、敌我识别、态势认知、作战毁伤评估和指挥、控制提供了大量、全天候、 实时高效的输入，是现代数字化网络的重要节点。为先敌发现、先敌摧毁提供 保证，是现代作战能力的倍增器。 现代战争实践为多传感器战场复合感知系统的发展提供了可能。2 0 世纪8 0 年代以来的多场局部战争都证明了缺乏信息获取手段将使军队处于极其被动的 地位，拥有战场信息获取优势的一方将拥有绝对的战略和战术优势。随着现代 军队的技术化和集约化，战场区域内的兵力投入日渐减少，单兵控制范围日益 增大。现代战争理论所推崇机动性与进攻性，使稳定的战线难以形成。战场上 普遍存在大量缝隙，这就为利用战场缝隙，结合高机动性载体和先进的传感器 技术进行高度隐蔽性的地面侦察提供了可能。 车载多传感器战场感知系统是我军发展的迫切需求。长期以来，我军的战 第1 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 场侦察任务主要通过人力目视侦察和捕俘作业，依靠侦察兵个人的体力、技巧 和智谋实施侦察。8 0 年代以来，虽然补充了一部分光学侦察设备，但高技术水 平的侦察装备发展进度不快，与世界先进水平相距甚远，已成为影响我军战斗 力成长的重要瓶颈，也成为未来我军打赢高技术条件下局部战争的绊脚石。在 新的历史条件下，为实现我军的跨越式发展，完成机械化、信息化双重历史使 命，与我军新装备的多种远程、高精度、有制导的新型武器系统相适应，发展 多传感器战场复合感知系统成为迫切要求。该装备既是当前机械化军队提升战 斗力的重要手段，又是未来数字化军队建设的重要环节。 1 1 2 车载多传感器战场感知系统的组成 该系统主要由红外测量子系统、可见光测量子系统、雷达测量子系统、总 控子系统、伺服系统、电源系统和载车六部分组成。子系统间采用1 0 0 千兆网 络连接进行数据交换，每个子系统具有独立的工作能力。同时，红外测量子系 统、可见光测量子系统、雷达测量子系统可以互为主引导设备进行目标检测和 跟踪，并引导其他设备进行测试工作。测量系统关系如图1 1 。主要设备实物如 图1 2 。 图1 1 车载多传感器战场感知系统测量系统关系图 系统的主要功能： 第2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 ( 1 ) 对目标进行雷达，红外和可见光自动目标检测与跟踪。 ( 2 ) 测量目标的的距离、方位角、俯仰角( 高度) 、速度。 ( 3 ) 红外系统可对目标的中、短波段红外凝视成像。 图1 2 车载多传感器战场感知系统主要设备实物图 ( a ：长波红外摄像头；b ：中波红外摄像头；c ：可见光摄像头d 毫米波雷达；e ：总控系统；f ；载车) ( 4 ) 雷达系统可对目标进行宽带测量、一维距离像、i s a r 成像。 第3 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 ( 5 ) 可以对目标进行多传感器信息的融合识别。 ( 6 ) 目标雷达、红外、可见光特征数据的实时存储、管理、分发和搜索。 ( 7 ) 传感器的管理、系统调度、显控等。 ( 8 ) 远程控制，远程实时数据传输和数据处理能力( 预留) 。 系统的主要特点： ( 1 ) 系统以车为平台，机动性强。 ( 2 ) 雷达采用毫米波体制，宽带测量，对目标进行高分辨成像。 ( 3 ) 传感器均具有对目标进行独立跟踪能力，也可进行联合跟踪。 ( 4 ) 多波段( 中波、长波) 红外测量能力。 ( 5 ) 多传感器特征提取、目标识别、信息融合。 1 1 3 雷达测量子系统 雷达测量子系统是该系统的子系统之一。它由毫米波雷达l 台、双通道高 速数据采集卡1 块、工业控制计算机1 台组成，主要完成毫米波雷达的零中频 数据采集、存储、跟踪、显示和传输。该子系统既可以独立进行自动目标检测 和跟踪，也可以在其他传感器导引下或者导引其他传感器进行目标检测与跟踪， 测量结果送至融合中心经决策后驱动伺服。雷达测量子系统构成如图1 3 图1 3 雷达测量子系统结构框图 该子系统的主要功能是自动目标检测或在其他传感器导引下的目标检测、 目标自动跟踪，目标回波采集，目标回波实时显示与存储，目标信息发送。雷 达数据采集存储计算机完成雷达回波及辅助信息采集、存储，并将目标方位信 息送到融合中心，融合中心经多传感器决策后控制雷达波束扫描跟踪目标。系 统工作流程如图1 4 。 子系统主要参数如下： 发射信号：脉冲重复频率：4 k h z接收信号；接受带宽：2 0 0 m h z 脉冲宽度：l u s ，1 0 u s ，6 0 u s 中频频率：1 2 0 0 m h z 第4 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 信号带宽：2 0 0 m h z 解调：i 、q 正交鉴相( 2 0 0 m h z ) 采集与存储：采集目标零中频i 、q 双通道宽带测量数据；实时存储。 图1 4 雷达测量子系统工作流程 1 2 数字信号处理器技术概述 1 2 1 高速d s p 技术 数字信号处理器是实现数字信号处理理论的一类专门芯片。d s p 已经逐渐 成为数字信号处理器的代名词。 经过2 0 多年的发展，d s p 产品的应用已经深入到人们的学习、工作和生活 的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。d s p 之所以得到广泛 的应用，主要是因为其具有以下明显的优势： 数字信号处理器具有较大的动态范围，易于实现机器与设备之间的匹 配； 执行速度快，整体性能高，可实现真正的实时处理； 在现代数字信号处理器的硬件结构上，对噪声、非平衡干扰和多径干扰 都有相应的方法进行信号处理； 第5 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 内部都采用了哈佛总线结构，程序和数据具有独立的存储空间，而且有 各自独立的程序总线和数据总线，与程序和数据共用存储空间的冯诺依 曼结构相比，大大提高了数据处理速度，提高了数据的吞吐率，非常适 合于实时信号处理： 采用的专门的硬件乘法器，打破了传统乘法运算由于速度不高而产生的 对数字信号处理的瓶颈限制，能在同一时钟周期内进行相乘和累加运 算，大大提高了数字信号处理算法的运算速度； 采用了流水操作结构，能减少指令执行时间，而且程序执行时间可预测。 1 2 2 并行处理技术 由于测量雷达系统需要高速地进行目标特性分析，特征抽取运算，而目标 特征提取、分析算法非常复杂，当进行大量数字运算时，单片d s p 往往难以胜 任，这就需要采用并行处理技术。 并行处理是信息处理的一种有效形式，它着重于发掘计算过程中的并发事 件。并发性( c o n c u r r e n c y ) 包括并行性( p a r a l l a l i s m ) 、同时性( s i m u l t a n a i t y ) 及流水 线处理( p i p e l i n ep r o c e s s i n g ) 。并行事件可在同一时间间隔内在多个资源里发生： 同时，事件可在同一时刻上发生；流水线事件可在部分重叠的时间内出现。在 一个计算机系统的各个处理级别上，都可以获得这些并发事件。提高计算机系 统的并行性，可以通过各种技术途径来达到，如时间重叠、资源重叠和资源共 享等。 通用并行计算机的通讯和处理可以由一对基本部件即：处理单元( p e ) 和 通信单元( c e ) 组成。处理单元用于完成规定的运算任务，它可以有自己局部 存储器，也可以与几个处理单元共用一个全局存储器。通信单元用于完成各个 处理单元之间的数据交换。并行处理的目的就是将一组任务暂时映射到若干并 行处理的子任务中去，由于子任务间需要相互通信、交换数据，因此系统互联 结构对系统各个子任务之间通信的影响很大，并行计算机中三种主要的互联结 构如下： 1 ) 圃定互联结构：通过一组c e 实现各个p e 与其邻域p e 的互联，如近邻 第6 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 网络和环形网络。 2 ) 总线互联结构：所有的处理单元p e 通过一个通信单元c e 连接。 3 ) 可组合互联结构：所有的处理单元p e 可以通过通信单元c e 任意组合。 基于通用并行计算机的三种互联结构，通用并行处理机的体系结构可分为下 列四种结构： s i m d 阵列结构( 单指令流多数据流结构) 是一种广泛应用的并行处理机体 系结构，特别是在图像处理领域，已经有多种图像并行阵列机问世。这一结构 具有简单、易于系统扩展的优点，其主要特点为： 利用硬件资源的重复性能开发空间的并行性。 直接与算法有关，其效率取决于计算程序向量化的程度。 其简单的互联网络结构决定适应算法的类型。 阵列处理构成向量专用机，需要辅助以相应的标量运算及管理功能 i i s d 流水线结构( 多指令流单数据流结构) 可以使系统更为灵活，易于发 展小型系统，特别是对于具有串性输入数据特点的图像数据而言，流水处理往 往比上述阵列处理更直接、更有效。其主要特点为： 流水线各级功能处理级操作重叠，可开发并行系统时间上的并行性。 处理功能部件分离，并未重复设置，这样为系统降低成本、提高系统的 可维护性，提供了方便。 处理速率可以与串行数据的输入速率同步。 各处理级功能简单，可以方便实现同步控制。 系统硬件结构与给定的算法无关，可以方便实现所有通用串行处理算 法，提高了系统应用的灵活性。 在执行同样的处理任务时，可以有效降低系统的复杂度。 m i 如多机阵列结构( 多指令流多数据流结构) 具有更大的通用性、灵活性， 可以满足高层次的并行计算需要，这一结构由f l y n n 定义的，其主要特点为： 各处理机之间任务需要协调分配，重叠执行，以利用时间、空间并行性。 从算法、系统软件、任务、硬件等多种途径最大限度地开发计算机的各 种并行性。 第7 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 互联结构在很大程度上决定多机阵列的性能。 资源共享，通过设立软件、硬件同步基元来实现处理机的同步协作。 系统结构复杂，需要专门的资源调度系统。 v l s i 处理结构是一种新型的并行计算结构，这种结构控制简单、规则，可 扩展性强，具有很大的应用潜力，目前v l s i 处理结构的两种最有影响的设计方 法是s y s t o l i c 设计和w a v e f r o n t 设计，特别是s y s t o l i c 阵列设计应用最为广泛， 它具有以下特点： 系统由几种类型的简单细胞元构成。 数据流和控制流简单规则。 并行性利用好。 重复利用输入数据，可以扩大数据吞吐量。 硬件结构复杂。 1 3 本文所做的工作 本论文在调研了实际应用背景的基础上，针对多传感器战场复合感知系统 雷达子系统的具体要求，在熟悉p c i 总线协议的基础上，设计了基于p c i 接口 的4 片a d s p t s l 0 1 芯片的雷达并行高速信号处理器。 本论文共分为三章。第一章简单介绍了多传感器战场复合感知系统和数字信号处理技 术。第二章介绍了基于并行d s p 的雷达信号处理器的设计与实现。首先基于a m d a h l 定律 和g u s t a f s o n 定律分析了a d s p - - t s l 0 1 采用共享总线的紧耦合和分布式并行处理方式构成 多片并行系统时的加速性能，并分析了a d s p - - t s l 0 1 的构成并行系统时的流水线层次。 尔后，基于共享总线和分布式相结合的结构设计实现4 片a d s p - - t s l 0 1 构成的雷达信号 处理器，该系统能够满足总体要求的运算处理速度，为运行雷达信号处理算法提供了硬件 平台。第三章从理论分析的角度对单脉冲线性调频信号测速问题进行探讨，通过算法设计 得到一次项法和二次项法两种理论可行的方法，并通过仿真试验证明，= 次项法不可行， 一次项法可行。指出了基于d f t 的多普勒测速算法在工程实践中存在的问题，并通过相位 差频谱校正法对基于d f t 的多普勒频率估计进行了修正，仿真结果显示，效果比较理想。 第8 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第二章基于a d s p t s l 0 1 雷达信号处理器的设计与实现 2 1 引言 根据系统总体设计的任务以及雷达的性能参数，雷达子系统的主要功能包 括自动目标检测或在其他传感器导引下的目标检测、目标自动跟踪，目标回波 采集，目标回波实时显示与存储，目标信息发送。雷达数据采集存储计算机完 成雷达回波及辅助信息采集、存储，并将目标方位信息送至融合中心，融合中 心经多传感器决策后控制雷达波束扫描跟踪目标。雷达信号处理器需要对战场 目标进行成像，由于在工作时，雷达信号的重复频率和采样率较高，引起了成 像算法的较大的运算量，所以雷达信号处理器采用并行d s p 的结构设计。 并行d s p 系统设计是d s p 设计与开发的一个重要方面。根据任务分配和互 连方式的不同，并行d s p 系统可以有多种多样的构成方式。对于不同厂家提供 的不同的d s p 芯片，因为其外围接口的区别，构成的并行系统的结构和功能也 有所不同。 本章在对t i g e r s h a r c 构成的并行处理器的性能分析的基础上，设计实现了 基于4 片a d s p t s l 0 1 的雷达信号处理器。第二节在介绍并行处理性能指标的 基础上，分析了基于t i g e r s h a r c 构成的并行处理器的性能；第三节具体介绍了 并行d s p 雷达信号处理器的设计与实现。 2 2 基于t i g e r s h a r c 的并行处理器分析 2 2 1 并行处理的基本研究内容 高性能浮点d s p 和基于高性能浮点d s p 的并行处理器的推出和应用，主要 是为了满足现代信号处理高速、大吞吐量和实时性的要求。基于通用d s p 的并 行处理器的基本性能取决于处理单元( p e ) 、并行处理机的网络结构、并行算法 程序和任务分配等三个方面，三者之间是紧密联系、相互依赖的。处理单元是 并行处理的核心，高性能的p e 可以提高系统性能、减少系统体积和功耗，降低 结构复杂性和提高软件的可维护性。在并行处理时，各个p e 之间的数据通信是 不可避免的，并行处理机网络为各个p e 之间提供数据交换的通道并负责予任务 第9 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 的传送和控制调度信号的传递。 任务分配和并行算法的好坏也直接影响并行处理机的性能，并行算法是一 些可同时执行的进程的集合，通过这些进程的相互作用和协调来完成对一个问 题的求解。并行算法和并行程序的设计对p e 的依赖性很强，因此目前还缺乏一 种有效的并行开发系统和并行设计语言。不过多数实时数字信号处理的任务类 型基本上是确定的，这就相应减少了开发的难度。 2 2 2 并行处理的性能指标 一个算法的复杂度( c o m p l e x i t y ) 是指它包含的工作量，并行算法( p a r a l l e l a l g o r i t h m ) 的目标是尽可能减少算法的时间复杂性。对于在s i m d 计算模型上 的并行算法，主要分析的是算法的运行时间和所需的处理器，在最坏情况下与 问题规模行( 即给定问题的计算工作负载总量或数据点数) 的关系： ( i ) 运行时间r ) ：即在给定模型上求解问题所需的时间。通常包括在一 个处理器内执行运算所需的计算时间乇。( 行) 和数据从源处理器经互联网络路 径到达目的处理器所需要的通讯时间咒。( n ) ； ( 2 ) 处理器数目p ( ，1 ) ：即求解给定时间所需的处理器数目，通常p ( n ) 被限 定为p ( n ) = 撑1 ，( o 占 1 ) 。 在m i m d 计算模型上，对基于共享存储器的算法，其运行时间还要包括同步 时间等，与s i m i ) 模型上的复杂度度量基本一致。而对于基于异步通信的分布式 计算模型，其算法的度量标准主要有两个： ( 1 ) 通信复杂度：指算法在整个执行期间所传送的消息总数。 ( 2 ) 时间复杂度：算法从第一个p e 开始到最后一个p e 终止的时间间隔。 r u b yl e e 曾在1 9 8 0 年提出了几种评价并行算法的参数，这些参数是并行处 理的基本概念。在问题的规模7 确定的情况下，主要有： 定义1 ：在给定了p 个处理器时定义并行加速比( s p e e d u p ) 甲 昂= - 笋 ( 2 - 1 ) j 第l o 页 国防科学技术大学研究生玩工程坝士学位论文 其中z 二表示求解一个问题在一个处理器上所用的串行时间，z 表示用p 个处理器并行计算同一问题所用的并行时间。由于任何并行算法都能在一个处 理器上模拟，因此总有乙p o ，即l s p 定义2 ：一个并行程序的效率( e f f i c i e n c y ) 被定义为 e：曼(2-2) 效率反映了并行系统中处理器的利用情况。根据前面的讨论，形 g - - 1 定义3 ：一个并行算法的冗余度( r e d u n d a n c y ) 被定义为 = 老 ( 2 - 3 ) 其中d 。表示由p 个处理器完成合计所需要的总的单元操作数 ( o p e r a t i o n ) ，0 0 表示由单个处理器完成所需要的操作数。冗余度表明了软 件并行性和硬件并行性之间的匹配程度，一般来说，如果单个时间内p 个处理 器完成了一次以上的操作，则有z 0 0 0 ，考虑到完成多个处理器做并行计算 时相互之间总有的操作开销( o v e r h e a d ) ，因此一般情况下总有1s 吃p 。 其中的并行加速比墨和效率q 是评价并行算法性能的两个主要指标。 2 2 3 加速比性能定律 目前在并行处理领域常用的有三种并行加速比的性能模型，分别是以工作负 载固定( f i x e d - l o a dm o d e l ) 或问题规模固定为基础的h n d a h l 定律( 1 9 6 7 ) ， 可用于解决问题规模随处理器规模增大的可扩展性问题的g u s t a f s o n 定律 ( 1 9 8 7 ) 和适合于解决受存储量限制的可扩展性问题的s u nn i 模型( 1 9 9 3 ) 。 2 2 3 1 适用于固定负载的a m d a h l 定律 k m d a h l 定律描述了在任务和算法都确定的情况下，并行加速比& 和p e 的个 数p 的关系。它首先将任务的执行时间t 分成了必须执行的串行部分时间正和 第1 1 页 可以由p 个p e 等分执行的并行部分耳，在单个p e 上两者的执行时间即为串行 执行时间k = 互+ 耳( t ) ，而在p 个p e 上执行的时间= 正+ 毛1 ) p ，如果串 行执行的部分占任务量的比例为。，则l 一。反映了任务的并行度。根据( 2 1 ) ， 有并行加速比： & 2 每2 麓 ：! ；。一 ( 2 4 ) ”彘 ”。 2 万浮 4 时，分布式并行处理器的并行加速比占优。因此，在设计雷达信号处理系统时， 我们采用4 片a d s p - - t s l 0 1 构成并行系统。 前面对分布式并行处理器并行性能的讨论是假定了p 个t i g e r s h a r c 是全连 接的，即任意两个处理器之间都可以进行数据交换；而在实际情况下，当p 4 时，两个不是通过链路口直接相连的t i g e r s h a r c 之间的通信就必须通过其它处 第2 0 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 理单元转发，随着通信路径z 的加长，通信时间也成正比地增加，这样，式 ( 2 2 2 ) ( 2 2 4 ) 就变为 t - = m a x ( t 。, p + 乙j ) = k 必+ 挚) ( 2 - 2 6 ) 墨。耳p ( 2 2 7 ) 廓2 西1 ( 2 - 2 8 ) 因此，在非全连接的分布式并行处理器中，为了提高并行加速比核效率，还应 该选择合理地处理器互连结构，减少处理器间通信路径地长度。 2 3 基于多t i g e r s h a r c 的并行处理器设计 2 3 1 系统结构 基于并行t i g e r s h a r c 的雷达信号处理器的主要功能是实现目标回波的实时 显示与存储、目标自动跟踪、输出目标方位信息、对目标进行成像。考虑到硬 件设计的延续性和通用性，所采用的设计结构如图2 4 。 雷达的i 、q 通道经过采集系统的a d 变换后，经过c p c i 总线的j 4 接口传入 雷达信号处理板。采集板和信号处理板的两个c p l d 控制接口的时序。信号处理 板c p l d 接收数据有效信号后，将数据写入输入f i f o ，并在完成一帧后给并行 d s p 输出中断。当并行d s p 采样到中断后，从输入f i f o 读取数据，完成处理后， 经过输出f i f o 将数据传输给c p c i 总线。 在图2 4 中，数据存储区用于存储信息处理的中间结果和图像数据，是整个 系统的主存储设备。此外，整个信号处理系统的处理速度很大程度取决于d s p 对外部存储器的读写速度，因此要求该数据存储区的读写速度必须尽可能地快。 基于上述读写速度和存储容量的考虑，选用一片大容量的高速s d r a m 作为数据 存储区。 图2 4 中程序存储区用于存放雷达信号处理器的工作程序，考虑到整个系统 对功耗有比较严格的要求，选用了相应型号的f l a s hm e m o r y 构成程序存储 第2 l 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图2 4 雷达信号处理器总体结构 区 复位时钟等外围电路是为配合并行d s p 的工作而设计的。核心芯片a d s p t s i o i 的初始状态，包括启动模式、时钟频率、驱动能力大小等均由复位时钟等 外围电路进行设置的。输入f i f o 和输出f i f o 用于实现雷达信号处理器与雷达 采集系统之间、主控系统数据交换的缓冲。p c i 总线芯片用于实现雷达信号处理 器与p c i 总线之间的逻辑控制和数据交换。采用p c i 总线控制可以简化设计。 接口、逻辑控制芯片用于控制数据在雷达信号处理器中的传输逻辑，以及完成 p c i 总线芯片的初始化工作，并实现对数据接口的控制。由于相对的控制逻辑较 为简单，本系统采用c p l d 实现。 考虑整个车载多传感器战场感知系统的整体硬件设计，雷达信号处理器中的 数据存储区、程序存储区、复位、时钟、输入f i f o 、输出f i f o 、p c i 总线芯片 和c p l d 在满足雷达信号处理系统功能的前提下，都采用和红外处理系统相同的 设计方案，这里就不再复述。 在图2 4 中，并行d s p 是整个系统的核心部件。由于并行系统需要对输入数 据进行实时处理，因此d s p 必须具有很高的运算速度，此外为了满足机箱环境 第2 2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 的特殊要求，d s p 必须具备高可靠性，综合上述因素，设计中选择了美国a n a l o g 公司生产的a d s p t s l 0 1 作为核心d s p 。 2 3 2 并行信号处理器设计 a d s p - - t s i o i s 与其它公司( 如t i ) 的d s p 相比，最主要的优点是除了完善 的总线仲裁机制外还有4 个链路口，可以以各种拓扑结构互连d s p ，满足大运算 量的需要。另外还提供f l a g 信号对于测试非常方便。多片a d s p - - t s l 0 1 s 可以 构成共享总线结构的并行系统，也可以通过l i n k 接口互连构成分布式并行结构。 在本系统中，由于采用四片并行a d s p - - t s i o i s 构成主运算单元，在布线难道可 以接受的情况下，采用共享总线并行结构和分布式并行结构相结合的方式，即 充分利用了并行总线的带宽，又利用了l i n k 接口的灵活、方便及快速的特点。 下面分别对a d s p - - t s i o i s 构成两种并行结构进行讨论。 2 3 2 i 基于共享总线的并行系统 a d s p - - t s i o i s 系列处理器支持多八片多处理器进行共享总线连接，而不需 要外加控制，在多处理器共享总线系统中，a d s p - - t s i o i s 的i d 2 i d o 引脚为每 个处理器在内部存储地址空间分配了多处理器存储空间。a d s p - - t s i o i s 多处理 器系统共享总线的紧耦合方式的特点有： 无缝连接； 能更好的共享各处理器内部资源与外部资源； 总线仲裁比较复杂； 有较高的数据传输率； 引线较多，p c b 设计困难。 a d s p - - t s i o i s 内部集成有多处理器系统的分布式仲裁逻辑。在多处理器系 统中，同一条外部总线可以直接连接多达八片的a d s p - - t s i o i s 和一个主机，它 们都有机会成为总线主控设备。a d s p t s l o l s 组都按片上仲裁逻辑按周期节拍 前后衔接协同工作。按这种方法，每片a d s p - - t s i o i s 都不断跟踪和连续共享总 线的仲裁时序。表2 i 是总线仲裁逻辑使用的引脚描述。 表2 ia d s p - - t s i o i s 的总线仲裁逻辑引脚描述 l信号l 描述 i 第2 3 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 管脚 多处理器总线请求引脚。在多处理器系统中被用于仲裁总线 b r 7 “0 控制权。每个d s p 驱动各自的b r x 引脚，并且监控其它d s p 的。 多处理器i d 。指明d s p 的i d ，从而决定它在多处理器系统中 i d 2 o 的顺序。 b m 总线主处理器。当前总线控制d s p 使b m 有效。 撤销。当主机和一个d s p 试图同时从对方的总线中读取时可 b o f f 能产生死锁情况。当死锁发生时，主机可以便b o f f 有效从而 强迫d s p 在完成它的当前任务之前放弃总线。 b u s l o c k 总线锁定指示。 主机总线请求。一个主机必须使h b r 有效来请求对d s p 外部 h b r 总线的控制。 主机总线授予。在多处理器系统中，当前总线主d s p 驱动h b g ， l b g 所有从d s p 监视该信号。 c p a 内核访问优先权。 d p a d m a 访问优先权。 总线仲裁通过使用引脚b r o b r 7 、h b r 、h b g 来实现。引脚b r o b r 7 用于 a d s p t s l 0 1 s 之间的仲裁，而髓r 和h b g 用来在a d s p t s l 0 1 s 和主机之间传递 总线控制权。在本系统中，由于d s p 数量只有四片，因此将b r 4 b r 7 置为无效。 每片a d s p t s l 0 1 s 都有三根i d 输入引脚，用来区分不同的a d s p - - t s i o i s 。 这三根引脚分别为i d 2 i d 0 ，作为处理器i d ，每个a d s p t s l 0 1 s 的i d 2 i d o 取值应唯一。在多处理器系统中，可以使用循环总线优先权来保证所有a d s p t s i o i s 能对等的使用总线。系统复位后，i d = 0 0 0 的a d s p - - t s i o i s 首先成为主 控制处理器，此后，总线优先权按照循环方式从当前主处理器开始进行循环。 当主机( 在系统中拥有最高总线优先权) 请求总线时，或某a d s p - - t s i o i s 使c p a 或d p a 有效，请求总线时，优先级循环被中断。 第2 4 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 当某个a d s p - - t s l 0 1 s 希望成为主处理器时，它必须发出自己的b r 信号，同 时要监视其它的b r 信号。当前的主处理器完成传送操作后另自己的b r 引脚失 效。然后，总线主控权移交个新的请求者。新的总线主控处理器不断地保持其 b r 信号有效，由此保留总线使用权。当当前主处理器让出总线后，它的优先级 降至最低。想成为主处理器的从处理器均发出自己的b r 信号，只有优先级最高 的从处理器能获得总线使用权。其余竞争总线的