0 引言

    合成孔徑雷達(SAR)作為一種全天時、全天候的有源主動式微波成像系統,以其優越的二維高分辨率特性,在國防、地質、自然資源勘探與監測、地形繪測、災害估計等領域中已經得到了日益廣泛的應用。SAR的搭載平臺也從機載到星載，向著更高的太空發展。日本、加拿大、美國以及俄羅斯都陸續展開星載SAR成像技術的研究。

    星載SAR系統結構如圖1所示。傳統的SAR 成像處理需要將原始回波數據記錄下傳至地面站進行, 采用原始SAR數據壓縮算法，即分塊自適應量化（BAQ），但SAR原始數據熵值很高，無損壓縮算法壓縮比太低，這不僅要求雷達衛星具有高帶寬的下行數據鏈路,而且還受到衛星過頂時間的限制。現在普遍希望在星上完成原始數據的處理，只將處理結果下傳，但SAR系統龐大的數據量以及高實時性要求高性能信號處理器。

    TS201是ADI公司TigerSHARC系列處理器，具有非常強的運算能力，在雷達陣列信號處理中，TS201應用非常廣泛。SAR處理系統中，普遍采用多顆TS201共同完成信號處理，文獻[1]中機載SAR系統采用12顆TS201，文獻[2]無人機SAR系統采用8顆TS201，文獻[3]星載SAR系統采用16顆TS201。利用幾十片TS201搭建星載SAR雷達系統，無論從功耗、可靠性、重量、體積等方面都將很難滿足星上處理的要求。同時，在研制過程中，由于系統采用多片DSP器件，系統過于復雜，調試困難。

1 異構多核SoC

    隨著處理器設計技術的進步，單核SoC邁向多核SoC，以提供更加強大的計算能力，如csx600^[4]，Tile-Gx36^[5]，QorIQT4080^[6]。由于SAR雷達信號處理中計算密集型應用的多樣性和復雜性，使得多核異構成為面向這類復雜應用的片上系統首選方案。異構多核SoC優勢是將結構、功能、功耗、運算性能各不相同的多個處理器集成在芯片上，并通過任務分工和劃分，將不同的任務分配給不同的處理單元，讓每個處理單元處理自己擅長的任務，這種多核異構的組織方式執行任務更有效率，實現了資源的最佳化配置，而且降低了整體功耗。同時，芯片上各個處理器還可以動態地改變可重構資源之間的互連關系，控制數據流的流動，進一步提高運算的數據吞吐率。

1.1 異構多核SoC系統結構

    異構多核SoC（MPSoC）是北京微電子技術研究所在成功研制出32位高可靠微處理器后，開發的一款高性能異構多核嵌入式數字信號處理器。

    多核處理器芯片內部主要由一個兼容SPARC V8的主控制器和16個DSP引擎組成。12個DSP引擎包括8個兼容SPARC V8的精簡處理器和4個可重構浮點蝶形運算加速單元RBE、4個可重構矢量加速單元RAE。芯片中DSP引擎按照2維網格結構規則排列，形成并行的處理單元陣列,由高速片上互連總線鏈接，主控制器和16個DSP引擎能夠同時并行運行。其整體結構如圖2所示。

    芯片采用片上網絡結構，所有的單元和模塊與具有自主知識產權的片上網絡總線(SANOC-BUS)相連接。SANOC-BUS呈規則的二維網格結構，連接有存儲器模塊（RAM）、PE、RAE、RBE、LINK、只讀存儲器(ROM，存儲旋轉因子)和64位SDRAM存儲器接口。

    在片上網絡系統中，各模塊主要功能為：

    (1)PE, 哈佛結構DSP核，由整數單元（IU）、FPU、內部存儲器和總線接口4部分組成。

    (2)RBE單元采用配置計算領域中可重構的概念，根據不同的配置指令，RBE執行單精度浮點蝶形運算、乘累加運算、復數乘和求模等不同的運算,支持數據流處理。

    (3)RAE以流處理的方式加速大量數據的規則運算，此單元采用配置計算領域中可重構的概念，根據不同的配置指令，RAE執行矢量字節加減運算、矢量字節乘累加等不同的運算,支持數據流處理。

    (4)LINK模塊功能與TS201的LINK模塊功能兼容，支持與RAM模塊和SDRAM之間DMA傳遞。

    (5)RAM中的數據既能夠被主控制器和PE讀寫，支持RAM模塊之間、RAM模塊和SDRAM之間DMA傳遞。

1.2 片上網絡總線設計

    片上網絡SANOC_BUS由5層相同的總線系統組成，每層總線系統采用2維網格結構，包括4條水平線和4條垂直線。如圖3所示，這5層總線系統分別命名為：L_P2M、L_I2M、L_P2P、L_DMA、L_CMD，負責傳輸不同的數據包，規定如下：

    (1)L_P2M：負責為處理單元PE對存儲器的訪問傳遞信息；

    (2)L_I2M：負責為link接口和SDRAM接口對存儲器的訪問傳遞信息；

    (3)L_P2P：負責在處理單元PE間相互訪問傳遞信息；

    (4)L_DMA：負責處理單元PE和存儲器之間的快速DMA數據傳遞；

    (5)L_CMD：負責傳遞主控制器和處理單元PE針對控制寄存器組和狀態寄存器組的訪問。

    上圖中，在每層總線上，水平線和垂直線的交叉點在此層2維網格平面中擁有唯一的坐標。規定坐標原點定義為網格的左上角，坐標以(x，y)方式表示，x軸方向向右，y軸方向向下。

    每層總線內部存在兩種傳遞模式：動態傳遞和靜態傳遞。

    (1)動態傳遞

    對于動態傳遞，不需要任何設置，芯片硬件自動完成數據包的打包和解析。在多核內部總線中，所有的數據傳遞按照X-Y蟲蠕維序動態的方式進行傳遞。在傳遞數據時，不需要預先規劃好單獨的路徑，數據在觸發傳遞時自動加入包頭信息，在傳遞過程中依靠路由結點內部仲裁機制自動尋找路徑的總線。動態傳遞為分時復用，交叉結點間的傳遞通道在不同時刻傳遞不同的數據包，這些數據包的源和目的允許不同。

    動態總線數據傳遞包頭格式定義如圖4所示。

    在路由單元中，仲裁邏輯規定為：在沒有到達目的坐標時，按照XY蟲蠕維序路由機制傳遞；在到達目的坐標后，傳遞到位于此坐標處的DSP引擎。

    (2)靜態傳遞

    靜態傳遞功能，目的是快速處理規則的流運算。數據流在靜態傳遞過程中，具有唯一確定的源坐標地址和目的坐標地址，并且傳遞通道完全被源和目的間的數據傳遞所獨占。在應用靜態傳遞時，需要設置目的地址和所占用的總線層，占用總線層一旦設定，就不能夠再傳遞其它動態數據包。靜態傳遞數據包包頭格式如圖5所示。

    靜態傳遞功能對總線具有獨占性，數據流在整個傳遞過程中，僅利用一個數據包頭標志。總線中進行靜態傳遞的路徑只被單一的處理單元或存儲器發出的數據所占用，其它處理單元若也想采用靜態傳遞的方式傳遞數據，只能為其規劃一條單獨的數據傳遞通道。

    靜態傳遞包頭格式如圖5所示，“目的坐標”，“預路由坐標”，“傳遞層號”需要預先設置。

    “預路由坐標”的功能描述如下：雖然依靠X-Y路由機制，數據包能夠主動找到目的地址，但在靜態傳遞數據時，每個數據包都會很長，由于對數據傳遞通道具有獨占性，可能會阻礙其它靜態數據包的傳遞，為此，增加“預路由坐標”參數設計。數據包首先按照“預路由坐標”傳遞，先按照X軸參數傳遞，再按照Y軸參數傳遞；當“預路由坐標”參數傳遞完后，再按照X-Y路由機制達到目的坐標。

2 異構多核SoC的應用

2.1 性能比較

    在SAR雷達信號處理中，對FFT算法的處理速度是評價多核處理器性能非常重要和關鍵的指標。表1為多核處理器與目前比較常用的數字信號處理器（DSP）快速處理32 K點單精度浮點FFT運算性能比較。

    多種不同可重構加速處理單元結合在一起，發揮各自的優勢：主控制器發揮靈活的控制功能；RSIC架構的PE適合非規則數據處理，可重配置的RBE/RAE適合數據流處理。不同功能單元相互獨立，每個單元的功能劃分相對單一，把運算、存儲、控制、調度等功能分散在不同的功能單元中實現，降低系統功耗，降低了每個處理單元的復雜度,改善了系統的可實現性。

2.2 SAR算法處理

    圖6為利用ERS-2衛星數據處理結果。圖6(a)中方框中圍起來的部分為北京西邊官廳水庫的遙感圖像，圖6(b)為SAR雷達數據經過CS算法處理的結果。

3 結論

    異構多核SoC具備高性能、高可靠性、擴展能力強、低功耗的特點，主要面向雷達信號處理，星載圖像處理等高數據吞吐率、計算密集型的應用領域，也可用于對可靠性要求非常高的多任務實時控制系統。SoC內采用多層二維網格總線結構，每一層總線傳遞各自特定的信息包，互不干擾，片內總線帶寬非常高，不會成為影響性能的瓶頸，能夠在此基礎上開發面向各種應用的異構多核SoC。

參考文獻

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[3] 朱木.同步軌道SAR實時成像算法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

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[5] http：//www.tilera.com/pdf/productbrief.

[6] 飛思卡爾推出基于Layerscape架構的全新QorIQ系列多核處理器[J].單片機與嵌入式系統應用，2014(5)：77-77.

作者信息:

宋立國1，胡承秀2，亓洪亮1

(1.北京微電子技術研究所，北京100076；2.北京宇航系統工程研究所，北京100076)