2017新曾道人内部玄机: 硕士论文:ATCA平台中板卡级设备接入环境的设计与实现

来源: 六合曾道人 作者:lgg 发布时间:2018-07-03 论文字数:34152字
论文编号: sb2018070218225321868 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇硕士论文,硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文,具有一定的理论深度和更高的学术水平,更加强调作者思想观点的独创性,以及研究成果应具备更强的实用价值和更高的科学价
本文是一篇硕士论文,硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文,具有一定的理论深度和更高的学术水平,更加强调作者思想观点的独创性,以及研究成果应具备更强的实用价值和更高的科学价值。共分为12大类。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇硕士论文,供大家参考。
 
第一章 绪论
 
1.1 课题背景及意义
随着现代通信技术的不断发展,通信系统的复杂程度及其灵活性也随之不断上升,无论是在个人、商业还是军事领域,通信信号的通信体制和信号类型都发生了显著的变化,而这一变化在军事领域尤为明显,这对信号处理平台的快速开发和灵活应变方面提出了更高的要求。传统无线电系统采用基于定制化的开发方式,软硬件耦合度高,对功能不同的系统需要重新设计不同的硬件平台和应用软件,使得无线电系统存在设计周期长、设备兼容性差、可移植性差、研发成本高和升级维护困难等一些问题,难以满足无线电技术不断发展的需求。1992 年 Joseph Mitola III 提出了软件无线电(Software Defined Radio, SDR)的概念,为应对无线技术快速发展的需求提供了有效途径[1][2]。其核心思想是为无线电系统构建一个标准化、??榛耐骋挥布教?,通过软件来实现一些特定的无线电功能,采用标准的模式在通用硬件平台上加载相关通信软件来实现特定的通信模式和系统功能[3]。软件无线电的概念充分体现了无线系统硬件平台的通用性和标准性以及软件平台的灵活性和多样性,能够满足大量的新应用,同时,可以缩短系统的开发周期,降低生产成本。因此,美军率先在实施联合战术无线电系统计划过程中提出了一个标准规范集:软件通信体系架构(Software CommunicationsArchitecture ,SCA)[4],为软件无线电平台的设计提供了一种与实现无关的开放式架构。SDR 框架出现以后,新型的软件化信号处理开发方式转而采用先进的标准化、组件化、可视化方式,开发环境基于多平台系统,涵盖多种总线标准,如 ATCA、VPX、CPCI 等[5-7]。平台内可嵌入不同类型的处理器,如 FPGA、DSP、GPP、GPU、ASIC 等,平台内涉及百兆网、千兆网、万兆网、PCI-E、RapidIO 等多种通信协议。通过先进、高速的标准工业总线互联,形成异构的高性能处理器集群,以满足无线通信领域日益增长的需求,提供强有力的业务支撑。
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1.2 国内外研究现状
目前国际上先进的装备研发方式朝着软件组件化、硬件平台化的方向发展。硬件上采用高性能的硬件平台,把开发人员从专用硬件开发中解放出来;软件上采用标准化、规范化的软件平台架构,提高不同平台间的可移植性和可扩展性;应用开发方式上采用可视化、组件化的应用开发方式,实现信号处理应用的可视、便捷开发。高速信号处理器平台作为软件无线电系统应用软件的硬件载体,是开发中很重要的一部分。工业上较为流行的信号处理平台主要有基于 CPCI(Compact Peripheral ComponentInterconnect)[9]总线标准的平台和基于 ATCA 标准的平台。1994 年,国际工业计算机制造者联合会(PCI Industrial Computer Manufacturer’s Group, PICMIG)提出了一种总线接口标准:CPCI 规范,又称紧凑型 PCI。它改进自 PCI 电气规范 2.1,使用工业机械组织标准,具有高性能连接技术,兼容 PCI 规范,继续采用 PCI 局部总线技术,与 PCI 传统机械结构不同,改用欧洲卡结构。CPCI 板的封装结构共定义了 3U 和 6U 两种板卡尺寸。板卡在平台内采用并行总线架构互联。随着数据吞吐量的增大和数据传输速度的增快,PICMG 于2001 年制定了最新一代工业计算机架构标准 ATCA[10]以支持现代传输技术的需求。ATCA架构采用了先进的点对点交换技术,平台内的板卡级设备在硬件拓扑结构上采用双星、双双星和全网状三种结构方式,可靠性和传输速率有了明显的提高。
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第二章 基于领域建模的板卡接入框架设计
 
硬件环境是软件运行的基础,但不同的硬件为软件提供的接口不同,硬件的升级换代也为软件的移植和复用带来巨大的挑战。为了将不同的板卡级设备接入信号处理平台,最大限度的复用和继承软件成果,本章针对信号处理领域的常见概念进行建模,设计了可移植开发框架的总体方案,对领域内驱动、组件、容器三种模型进行建模描述,从模型的映射和装配方面详细进行论述,详细论述了基于领域建模的板卡级设备接入框架的设计。
 
2.1 接入环境框架的设计
领域建模[26]是近年来针对特定问题领域出现的一种新的建模方法,用于设计开发系统。领域建模用领域建模语言(Domain Special Modeling Language, DSML)代替系统中不同的方面,与通用建模语言相比,特殊领域建模语言支持高级抽象,因此只需要较少的代价和底层细节来规定一个给定的系统[27][28]。领域建模技术涉及到的概念主要由 DSML、元模型和生成器。DSML:负责对领域中的概念进行合理的抽象,对主要部分进行领域语言描述,其他部分则可以映射为属性信息等。元模型:是模型的最小单位,它提供了比模型更高级别的抽象,更接近现实问题,对如何建立模型、模型的语义或模型之间的集成等信息进行描述。生成器:在领域建模中有着重要作用,主要对模型的信息进行模板到目标平台代码的翻译,实现模型化代码自动生成。DSML 可以通过可视化的方式对信号处理领域的一些概念进行建模,使其独立于硬件平台。生成器或者模型转换技术可以将 DSML 表示的模型转换为源代码或者其他一些需要的表达形式[29][30]。从模型自动生成代码可以消除人工实现模型转换为代码的繁琐工作,还能最小化人工编写代码引起的错误。目前,DSML 已经应用在许多领域,例如多媒体、电话交换系统和操作系统中等[31]。在基于高速信号处理平台的软件无线电系统中,应用是由一个个组件组成的, SCA规范将组件看作是一段功能独立、接口清晰的代码。2005 年,JPEO 颁布了专用处理器组件移植的补充协议(Change Proposal 289,CP289),提出容器的概念,将容器看作是组件的运行环境。容器分别提供针对上层应用和底层硬件驱动的接口。一个完整的信号处理应用需要由驱动、容器和组件的互相配合才能正常运行。因此,信号处理领域的模型构建普遍以驱动、容器和组件三种元模型为基础。
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2.2 驱动库建模
ATCA 平台中硬件拓扑结构具有层次性,不同的硬件物理属性、结构功能和连接特性不同,而且平台内运行的软件系统的复用性和移植性也因硬件的差异而降低。一个完整的信号处理领域应用部署在 ATCA 平台上时,需要不同类型处理器的协同作用,系统软件的编程语言涉及 C、VHDL、Python 等。为了屏蔽底层硬件的差异性,本节制定标准的平台描述规范,对接入 ATCA 平台中的硬件进行描述。如图 3 所示,平台硬件互联架构采用树形结构进行描述,分为平台硬件和硬件属性两部分。平台硬件定义了所有硬件的节点要素组合,包括机箱、板卡、平台、网络平台等,硬件属性则对平台硬件进行补充描述,例如,机箱属性包括??椴宀凼?、外形尺寸、机箱类型、电源功率等。将不同的硬件抽象为一个个节点,每一层都唯一确定一个主管理器对该层的设备和应用进行统一管理,并辅以规范化的属性描述信息,构建一种自上而下的树形硬件平台规范。通过硬件抽象,将不同的平台抽象为相同的硬件模型,从而屏蔽了硬件结构不同对上层框架造成的影响,为平台驱动和设备驱动的加载和软件的运行提供了良好的支持条件。
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第三章 板卡级设备接入环境的实现...............19
3.1 可移植开发框架的总体实现方案.......19
3.1.1 设计思想...........19
3.1.2 处理流程...........20
3.1.3 数据结构...........20
3.2 接入环境的搭建...........21
3.3 容器模板的实现...........22
3.4 组件模板的实现...........24
3.5 平台数据传输协议.......25
3.6 本章小结...........26
第四章 可视化接入环境测试软件的设计与实现.......27
4.1 系统配置...........27
4.2 组件管理...........27
4.3 可视化接入环境界面设计.......28
4.4 本章小结...........33
第五章 接入环境的测试和验证...........35
5.1 测试环境和流程...........35
5.2 模型化代码自动生成验证.......36
5.3 可视化管理系统测试...............38
5.4 本章小结...........42
第六章 结束语...............43
 
第五章 接入环境的测试和验证
 
为了使信号处理应用的开发和管理更加便捷高效,本课题设计了可视化板卡级设备接入环境。本章主要阐述测试的环境和测试的流程,以 FPGA 加法组件开发为例,自动生成组件框架代码、组件运行环境容器代码和驱动代码。针对可移植开发框架自动生成的代码,分别在对应的应用环境或运行环境中进行编译测试,然后利用自动生成代码设计的接入环境界面,进行系统的测试。
 
5.1 测试环境和流程
板卡级设备接入环境的测试环境包括硬件环境和软件环境。硬件环境包括一台 ATCA机箱、一块承载板、以及一块 AMC 子卡?;涞募扑愕镀洗嬖谝豢?Intel Xeon 的处理器,AMC子卡上嵌入FPGA处理器,型号为Xilinx k7系列。软件环境为Windows server2003操作系统、VS2010 开发环境和 ISE14.7 开发环境。模型化代码自动生成部分主要测试板卡接入框架生成代码的可用性和可靠性。利用接入框架自动生成处理器驱动框架源码、容器源码以及 FPGA 组件框架源码,然后将 FPGA组件框架源码文件和容器源码文件拷入 ISE 工程中进行综合编译实现,将处理器驱动框架源码拷入平台计算刀片内,在 VS2010 中编译实现,最后将源码文件部署在处理器上进行功能验证。如图 34 模型化代码自动生成的测试流程所示。
.....
 
结束语
 
本文以项目组承担的某科研项目为背景,在研究和借鉴国外信号处理平台开发技术的基础上,针对信号处理平台中基于领域建模的开发方式进行了研究,设计了一种模型驱动的可移植板卡接入框架,并分层、分级地进行了实现;在此基础上,为了方便板卡的快速接入和对框架内的组件进行灵活管理、配置,设计并实现了可视化接入环境测试软件。本文的主要完成工作与研究成果如下:
1. 重点研究了信号处理领域的领域建??⒎椒?,以构建可移植的板卡接入框架。首先,针对驱动元模型,构建驱动库,采用硬件建模的方法,将通讯设备按照其在平台内的拓扑结构进行功能划分,对通讯设备的通道节点进行软件化的描述,通过抽象平台驱动和设备驱动,以达到屏蔽平台内通讯协议的差异性的目的。其次,通过规范容器的接口和属性,对容器进行模型化的描述,为上层提供统一的运行环境,然后,通过规范组件的接口与属性信息,构建通用的组件模型,为组件开发人员提供标准的接口。接着,考虑到元模型的装配问题,在运行环境容器中构建连接器,通过脚本文件配合完成模型装配工作。最后,针对元模型的代码生成问题,设计了模型元素到目标语言代码的映射规则,并对模板生成工程的方法进行了探究。
2. 针对板卡级设备接入环境的实现问题,本文设计了可移植开发框架的总体实现方案,给出了实现类图以及涉及到的关键数据结构,利用映射规则和数据中的变量信息实现了元模型驱动、容器、组件的模板文件到代码的转换,同时为了解决不同处理器上组件之间的通信问题,设计了一种改进的平台数据传输协议。
3.针对接入平台内的处理器系统配置问题,采用平台直接控制和处理器协同控制的方法,针对处理器上组件的管理问题,设计了三种消息格式分类管理,按照功能进行区域划分,实现了接入环境的可视化管理界面。设计了心跳包组件和加法器组件对本文的板卡接入方法进行测试和验证。结果表明,基于领域建模和可视化的板卡接入环境可以快速高效地将以 FPGA 为主处理器的板卡接入到 ATCA 平台中。
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参考文献(略)

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