一種基于平臺的SoPC軟硬件協(xié)同設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、合成孔徑雷達(Synthetic Apenure Radar，sAR)實時成像是距離向與方位向二維匹配濾波過程，可實現(xiàn)全天時、全天候、大面積對地觀察和高分辨率成像，在軍事、經(jīng)濟和環(huán)境等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價值。SAP,實時成像數(shù)據(jù)規(guī)模大、計算復雜、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實時成像系統(tǒng)研究的重要方向。平臺是一個軟硬件集成的結(jié)構(gòu)，基于平臺的設(shè)計(Platform-Based Design，PBD)是SoPC的重要設(shè)計方法，軟硬件協(xié)同設(shè)計(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,實時成像的具體應(yīng)用，系統(tǒng)地研究了基于平臺的SAP,實時成像SoPC的軟硬件協(xié)同設(shè)計與實現(xiàn)，對系統(tǒng)模型、平臺設(shè)計、算法模擬與原型仿真、系

3、統(tǒng)實現(xiàn)、性能優(yōu)化以及系統(tǒng)評測等相關(guān)內(nèi)容進行了深入的研究： 結(jié)合基于平臺的SOPC系統(tǒng)的特點，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，用于描述實際應(yīng)用中軟件和硬件實現(xiàn)之間切換所需的通信開銷；增加設(shè)計余量約束，提供了面向平臺應(yīng)用的設(shè)計余量分析；研究了MCPGM的軟硬件劃分問題。MCPGM具有較強的平臺描述能力，適合基于平臺的SoPC系統(tǒng)建

4、模。 設(shè)計并實現(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實現(xiàn)了SAR實時成像。設(shè)計實現(xiàn)了高效的異步總線橋，該橋采用高速異步HFO實現(xiàn)了數(shù)據(jù)快速突發(fā)傳輸。研究了可驗證設(shè)計(DFV)方法，包括DFV狀態(tài)機、對關(guān)聯(lián)狀態(tài)機之間設(shè)置狀態(tài)同步點、設(shè)計影子寄存器實現(xiàn)不同存儲空間的數(shù)據(jù)映射。DFV設(shè)計有效地驗證了基于平臺的系統(tǒng)設(shè)計，顯著降低了驗證復雜度，提高了驗證效率。MBSoPC支

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

6、化，為SAR實時成像SoPC系統(tǒng)建立了算法設(shè)計、系統(tǒng)仿真和成像質(zhì)量評測體系。詳細討論了SAR實時成像SoPC系統(tǒng)的主要功能單因子計算子系統(tǒng)是SAR實時成像SoPC系統(tǒng)的主要運算單元之一，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)同實現(xiàn)的因子改進算法，降低了因子計算的復雜度，設(shè)計并實現(xiàn)了高性能的實時計算因子單元。實際運行結(jié)果表明，本文所提出的因子計算方法，在計算精度保持不變的前提下，統(tǒng)一了三個不同因子計算流程，顯著提高了因子的計算效