一種基于平臺(tái)的SoPC軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Apenure Radar，sAR)實(shí)時(shí)成像是距離向與方位向二維匹配濾波過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候、大面積對(duì)地觀察和高分辨率成像，在軍事、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。SAP,實(shí)時(shí)成像數(shù)據(jù)規(guī)模大、計(jì)算復(fù)雜、處理精度要求高，片上可編程系統(tǒng)(system on a Programmable Chip，SOPc)是基于可編程邏輯器件(Programmable Logic Device，PLD)的SoC，是S

2、AR實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)研究的重要方向。平臺(tái)是一個(gè)軟硬件集成的結(jié)構(gòu)，基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)(Platform-Based Design，PBD)是SoPC的重要設(shè)計(jì)方法，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)(Hardware-Software Co-design)為其核心技術(shù)之一。 本文圍繞基于Chirp Scaling算法的SAP,實(shí)時(shí)成像的具體應(yīng)用，系統(tǒng)地研究了基于平臺(tái)的SAP,實(shí)時(shí)成像SoPC的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)模型、平臺(tái)設(shè)計(jì)、算法模擬與原型仿真、系

3、統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、性能優(yōu)化以及系統(tǒng)評(píng)測(cè)等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了深入的研究： 結(jié)合基于平臺(tái)的SOPC系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種多約束處理流圖模型(Multi-Constrain Process Graph Model，MCPGM)。增加了虛擬處理節(jié)點(diǎn)，用于描述實(shí)際應(yīng)用中軟件和硬件實(shí)現(xiàn)之間切換所需的通信開(kāi)銷；增加設(shè)計(jì)余量約束，提供了面向平臺(tái)應(yīng)用的設(shè)計(jì)余量分析；研究了MCPGM的軟硬件劃分問(wèn)題。MCPGM具有較強(qiáng)的平臺(tái)描述能力，適合基于平臺(tái)的SoPC系統(tǒng)建

4、模。 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高性能的片內(nèi)多總線結(jié)構(gòu)的SoPC(Multi-Bus SoPC，MBSOPC)，應(yīng)用MBSoPC實(shí)現(xiàn)了SAR實(shí)時(shí)成像。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高效的異步總線橋，該橋采用高速異步HFO實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)快速突發(fā)傳輸。研究了可驗(yàn)證設(shè)計(jì)(DFV)方法，包括DFV狀態(tài)機(jī)、對(duì)關(guān)聯(lián)狀態(tài)機(jī)之間設(shè)置狀態(tài)同步點(diǎn)、設(shè)計(jì)影子寄存器實(shí)現(xiàn)不同存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)映射。DFV設(shè)計(jì)有效地驗(yàn)證了基于平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，顯著降低了驗(yàn)證復(fù)雜度，提高了驗(yàn)證效率。MBSoPC支

5、持輸入和輸出并行，實(shí)現(xiàn)了高性能的數(shù)字信號(hào)處理，具有良好的擴(kuò)展性。實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)表明，片內(nèi)三PLB總線結(jié)構(gòu)SoPC，在相同的時(shí)鐘頻率條件下，處理性能是 基于片內(nèi)三PLB總線結(jié)構(gòu)的SoPC實(shí)現(xiàn)了SAIl實(shí)時(shí)成像Chirp Scaling系統(tǒng)，采用流水線和并行計(jì)算技術(shù)提高了成像性能。SAR實(shí)時(shí)成像SOPC系統(tǒng)采用了軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)，其中固件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能，軟件完成因子預(yù)處理計(jì)算，硬件完成實(shí)時(shí)處理。研究了基于MPI的機(jī)群并行算法和性能優(yōu)

6、化，為SAR實(shí)時(shí)成像SoPC系統(tǒng)建立了算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真和成像質(zhì)量評(píng)測(cè)體系。詳細(xì)討論了SAR實(shí)時(shí)成像SoPC系統(tǒng)的主要功能單因子計(jì)算子系統(tǒng)是SAR實(shí)時(shí)成像SoPC系統(tǒng)的主要運(yùn)算單元之一，在因子數(shù)值分析基礎(chǔ)上，提出了一種適合采用軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)的因子改進(jìn)算法，降低了因子計(jì)算的復(fù)雜度，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了高性能的實(shí)時(shí)計(jì)算因子單元。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，本文所提出的因子計(jì)算方法，在計(jì)算精度保持不變的前提下，統(tǒng)一了三個(gè)不同因子計(jì)算流程，顯著提高了因子的計(jì)算效