基于ti+dsp+c6678的弹载sar实时成像处理设计

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代号10701学号1102121086HAO分类号号TN957.51密级公开题（中、英文）目基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计TheReal-timeImagingProcessingDesignofMissile-BorneSARbasedonTIDSPC6678作者姓名党大龙指导教师姓名、职务邢孟道教授学科门类工学学科、专业信号与信息处理提交论文日期二〇一四年一月万方数据 万方数据 西安电子科技大学学位论文创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的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做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：_____________日期：___________西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于________，在____年解密后适用本授权书。本人签名：_______________日期：______________导师签名：_______________日期：______________万方数据 摘要摘要合成孔径雷达（SAR）是雷达发展史上的一个重要阶段，已经应用到机载和星载平台，而弹载SAR也已经成为军工领域研究的热点，为复合制导技术的发展增添了新的活力。本文论述了基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计，针对弹载SAR信号数据量大、处理过程复杂的特点，采用基于FPGA+多DSP架构的信号处理板进行实时成像处理，具有极强的信号处理能力。信号处理板在FPGA和DSP之间加入了交换芯片，既可以实现FPGA与DSP之间的数据通信，也解决了多DSP之间的数据交换，充分展示了DSP强大的数据处理能力以及其接口广泛实用性。本文对TIDSPC6678以及整个弹载SAR实时成像处理设计进行了详细的说明，论述了TIDSPC6678的多核间以及接口的通信，同时详细介绍了整个弹载SAR实时成像的算法流程、成像算法的软件实现以及整个实时成像处理方案的设计，最后展示了弹载SAR实时成像处理的调试结果。通过对回波数据处理，不仅达到了实时处理的要求，而且还具有较高的精确度。关键词：合成孔径雷达TIDSPC6678弹载实时处理数字信号处理器万方数据 ABSTRACTABSTRACTSAR(SAR)isanimportantstageinthehistoryofthedevelopmentofradar,whichiswidelyusedinairborneandspaceborneplatform.Missile-borneSARhasbecomeahotoftheresearchinmilitaryindustrialarea,whichhasaddednewvitalityforthedevelopmentofcomplexguidancetechnology.Thisthesisdiscussesthereal-timeimagingtechnologyofMissile-borneSARbasedonTIDSPC6678.Accordingtothefeaturethatmissile-borneSARsignalcontainslargeamountsofdataandcomplexsignalprocessing,thesignalprocessingboardisdesignedbasedonFPGA+multi-DSParchitecture,whichhasahigh-performancesignalprocessingcapability.TheswitchingCMOSchipjoinsinthesignalprocessingboard,notonlycompletesthedatacommunicationbetweenFPGAandDSP,butalsosolvesthedatacommunicationbetweenmulti-DSP，demonstratingtheDSPpowerfuldataprocessingcapabilitiesaswellasitsinterfacetoawiderangeofpracticality.ThispaperhasadetaileddescriptionforTIDSPC6678andtheentiremissile-borneSARreal-timeimagingprocessingdesign,anddiscussesTIDSPC6678multi-coreprogrammingandEDMA3datatransmission,simultaneouslydetailstheentiremissile-borneSARreal-timeimagingalgorithmprocedure,imagingalgorithmsimplementedinsoftwareandthedesignoftheentirereal-timeimageprocessingprogram,andfinallyshowsthedebuggingresultsofmissile-borneSARreal-timeimagingprocessing.Byprocessingtheechodata,itnotonlymeetstherequirementsofreal-timeprocessing,butalsohasahighaccuracy.Keywords:SARTIDSPC6678Missile-BorneReal-timeProcessingDSP万方数据 目录目录第一章绪论.............................................................................................................11.1论文产生背景及意义..............................................................................11.2本文的主要内容......................................................................................2第二章弹载SAR成像算法.....................................................................................32.1弹载SAR成像系统的原理........................................................................32.1.1SAR成像系统的基本原理.........................................................32.1.2弹载SAR成像系统的原理........................................................42.2大斜视SAR全孔径成像算法..................................................................62.3弹载SAR大斜视子孔径快视成像算法................................................102.3.1弹载SAR大斜视成像几何模型...................................................102.3.2弹载SAR大斜视信号分析及距离向处理...................................102.3.3方位信号分析...............................................................................11第三章TMS320C6678DSP简介........................................................................133.1TMS320C6678内部结构.........................................................................133.1.1TMS320C6678的CPU.................................................................133.1.2TMS320C6678的多核空间.........................................................143.1.3TMS320C6678的多核中程序的映射.........................................153.2TMS320C6678多核间的通信.................................................................163.2.1DMA通信......................................................................................163.2.2多核间流程的控制.......................................................................173.3TMS320C6678的通信接口.....................................................................193.3.1网口...............................................................................................193.3.2PCIE...............................................................................................223.3.3SRIO...............................................................................................243.4TMS320C6678中断................................................................................273.4.1CPU中断........................................................................................273.4.2Doorbell中断.................................................................................28第四章基于多DSP的弹载SAR实时成像处理设计...........................................314.1信号处理板卡简介及特点....................................................................314.1.1系统总体结构...............................................................................314.1.2系统任务分配...............................................................................33万方数据 基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计4.2多核DSPC6678的程序设计..................................................................334.2.1多核间的任务分配........................................................................334.2.2多核间的同步方式........................................................................344.3弹载SAR实时成像处理算法流程..........................................................354.4弹载SAR实时成像算法的软件实现......................................................364.4.1DSP底层库函数的建立..............................................................364.4.2DSPC6678的数据通信...............................................................394.4.2.1DMA通信...........................................................................394.4.2.2DSP与FPGA、DSP之间的通信....................................404.5弹载SAR实时成像处理方案设计..........................................................424.5.1方案设计的总体结构....................................................................424.5.2距离向处理设计............................................................................444.5.3方位向处理设计............................................................................464.5弹载SAR实时成像处理调试结果...........................................................474.5.1．实时成像处理时间统计.............................................................474.5.2．实时成像处理调试方案.............................................................474.5.3．实时成像处理结果.....................................................................48第五章结束语......................................................................................................495.1工作总结................................................................................................495.2展望........................................................................................................49致谢.....................................................................................................................51参考文献.................................................................................................................53作者在攻读硕士期间（合作）的研究成果........................................................57万方数据 第一章绪论1第一章绪论1.1论文产生背景及意义伴随着合成孔径雷达(SAR)成像技术的发展，将SAR与精确制导技术相结合的弹载SAR已成为近些年研究的热点。弹载SAR继承了SAR在获得高分辨率图像的优点，在进行二维成像制导方面具有明显的优势。弹载SAR可以利用高分辨率来获得更多的目标信息，清晰地呈现出目标的形状和精细结构，从而大大提高对目标的识别能力和精确打击能力；而弹载SAR在军事上一般在侦查完后还需完成攻击，一般需在大斜视的情况下成像。因此，对于研究弹载SAR成像是具有一定意义的。就以传统的弹载导引头而言，应用于它上面的技术大致可以分为：红外、微波、激光、电视成像等技术，但这些技术都只是应用于军事领域的某一专业区域，都有其优缺点，不能满足现代军事战争的要求。红外成像制导技术利用目标与背景间的热辐射差，由红外线导引头来捕获目标区域的红外辐射，经过信号处理将其画为红外图像，最后锁定、跟踪目标并进行打击抗光电干扰，分辨率高，目标成像和识别性能好，隐蔽性好红外制导依赖于目标本身的辐射特性且图像没有距离的信息，成像距离也较比近，不能全天候工作。而且，在导弹超音速飞行时，摩擦热量、气流以及恶劣的天气环境等会使导引头的红外图像严重失真，影响红外制导系统的目标识别和打击性能。毫米波制导技术目标反射或辐射的毫米波被毫米波导引头接收后，导引头就能跟踪并打击该目标有较高的距离分辨、增益和多普勒灵敏度，且体积小、重量轻、波长短、波束窄毫米波器件制造工艺水平低，雷达发射功率小，雷达作用距离近。激光制导技术用激光作信息传递媒介，激光携带的信息被导引头接收，由弹载处理器处理后，发出制导指令，修正导弹轨迹，实现对目标的精确打击成本低、重量轻、体积小、抗干扰能力强、制导精度高易受天气条件影的响，无法全天候使用。电视成像制导技术通过电视摄像头捕获、识别、定位和跟踪目标抗电子干扰强，目标成像效果好，制导精度高，隐蔽性好成像距离较近，且无距离信息，不能全天时、全天候工作，尤其是夜间无法使用。从上述表中可以看出，常用的单制导技术都有其自身的缺点，所以复合制导技术越来越成为制导控制研究的热点。在众多复合制导技术中，合成孔径雷达（SAR）与INS组合系统的众多优点使其越来越受到重视。用SAR图像匹配获得的导弹实时位置信息去修正INS定位信息的误差，就能提高导弹攻击的精度。因此，弹载SAR导引头制导技术的研究已经成为国际上精确制导研究中的热点和重点。万方数据 2基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计1.2本文的主要内容SAR成像在雷达信号处理中具有很多优势，尤其是弹载SAR是近年来雷达成像研究的热点之一。本文主要研究基于TIDSPC6678的非线性CS算法的大斜视弹载SAR实时成像算法中，并结合项目合作方提供的信号处理板卡，详细讨论了基于多TIDSPC6678的信号处理板上实现大斜视弹载SAR实时成像算法。本论文共分为五章，介绍如下：第一章绪论，介绍了弹载SAR成像算法的发展及应用。第二章弹载SAR成像算法介绍，介绍了SAR成像的基本原理，叙述了大斜视SAR全孔径成像算法的原理，并对本文研究过程中所采用的弹载SAR大斜视子孔径快视成像算法的原理进行了介绍和分析。第三章TMS320C6678简介，重点介绍TI公司最新推出的一款DSP芯片TMS320C6678，包括C6678内部结构和多核间的通信相关方面的问题，还有就是C6678的通信接口和中断的介绍，充分展示了DSPC6678在性能和处理方面的巨大优势。第四章基于多DSP的弹载SAR实时成像处理设计的介绍，首先对本项目所用的信号处理板卡进行了详细地介绍，然后详细讲述了多核DSPC6678程序设计方面的问题和整个弹载SAR实时成像的算法流程，接着重点介绍了弹载SAR实时成像算法的软件实现以及整个实时成像处理方案的设计，最后展示了弹载SAR实时成像处理的调试结果，充分显示了DSPC6678在雷达实时成像方面的优势。第五章总结与展望，针对本论文的整体工作做了总结，并对该论文中可以优化修改的地方做了展望。万方数据 第二章弹载SAR成像算法3第二章弹载SAR成像算法SAR成像已广泛应用于军事以及其他领域，在我国的军事建设方面起着无可替代的作用，在国防建设的很多领域发挥了重要作用，尤其是弹载SAR成像算法的应用，已成为近些年迫切需要解决的问题。2.1弹载SAR成像系统的原理2.1.1SAR成像系统的基本原理SAR是拥有二维高分辨的雷达，其中，距离向是指雷达天线波束中心指定的方向，方位向指的是雷达载体运动的方向；合成孔径雷达的二维高分辨中，距离维的高分辨率是由雷达天线发射的线性调频波的带宽控制的，方位维的高分辨率由合成阵列形成的波束宽度决定；合成孔径雷达成像算法中，利用二维解耦和把二维信号处理变为一维的距离向处理和一维的方位向处理，大大简化了雷达信号处理的算法复杂度。关于二维解耦和的算法已经很成熟了，本文就简单介绍距离[1]向高分辨率和方位向高分辨的基本原理。在距离向，距离分辨率的计算公式为：rc（2-1）r2B要想提高距离分辨率即要较小，带宽B就要比较大。通过对线性调频信号r的脉冲压缩即可实现距离向高分辨率。线性调频（LFM）脉冲信号的表达式为：t12s(t)=rect()exp[j2π(ft+kt)]（2-2）crτ21,||1/2i其中，recti()，f为信号载频，是信号时宽，k为线性调频cr0,||1/2i率。匹配滤波的参考函数为：*h(t)s(t)（2-3）[1]脉冲压缩技术即是用匹配函数ht()与距离向雷达回波信号做卷积。对方位向，SAR利用合成孔径阵列形成较窄的波束宽度，从而实现较高的方万方数据 4基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计位分辨率。实际天线的波束宽度为：（2-4）BWD其中，为雷达信号波长，天线孔径为D。因此，在作用距离为R处，目标方位向分辨率为：aRR（2-5）aBWD从方位分辨率的表达式可以看出，雷达信号载频一定即信号波长不变，在一定距离的方位分辨率由天线孔径决定，天线孔径D越大分辨率越高。但是实际这样做是不现实的。合成孔径雷达的原理就是通过雷达载体在飞行过程中均匀间隔发射和接收雷达信号，并存储为矩阵信号形成一个虚拟的线性阵列，将线性阵作合成处理即可形成很大的孔径D大大改善了方位分辨率。s正侧视时，波束宽度为的雷达天线在波束中心方向距离R处的最大有BW效等效合成孔径长度为：RLR（2-6）sBWD由于该等效合成线性阵列的阵元是自发自收的工作模式，所以雷达信号的传播路径为2R，所以实际等效合成阵列为2L，则合成孔径雷达的等效波束宽度s为：（2-7）BWS2Ls合成孔径雷达方位向分辨率为：DRR（2-8）aBWS22Ls由上式可知，正侧视情况下方位向分辨率与目标距离无关。因此，不同距[1]离的目标分辨率是相同的，这就为合成孔径雷达成像图的实现提供了理论依据。2.1.2弹载SAR成像系统的原理弹载SAR成像系统作为合成孔径雷达SAR的一个重要应用，它拥有一般SAR系统的共性，也具有弹载SAR系统自身的特点。导弹的工作过程主要分为三个阶段，爬升阶段、中制导阶段和末制导阶段[36]；爬升阶段中雷达不用工作；当导弹上升到一定高度后进入中制导阶段，此时雷达需要对地面成像并通过景象匹配万方数据 第二章弹载SAR成像算法5以找出目标的大致区域，从而提高制导精度；最后，在末制导阶段，实现对目标的搜索、定位、跟踪和打击。根据导弹的实际工作特点把导弹末制导阶段又细分为俯冲下降段、平飞段和攻击段，如图2.1所示。由于导弹攻击的目标都是具有重要价值的建筑或武器系统，因此这些攻击目标周围都布满了许多防御系统，为使导弹能避开目标防御系统成功对价值目标实施精确打击就需要导弹在最后攻击阶段做机动飞行，同时还伴随着速度和高度的变化。弹载SAR系统具有速度快、非匀速且高度随时变化的特点，因此末制导阶段的制导过程比较复杂。导弹高度(a)侧视图(b)下视图蛇形机动轨迹俯冲下降段平飞段攻击段图2.1导弹攻击目标轨迹的三个阶段划分导弹中制导阶段，导弹通过弹载SAR系统的雷达图像进行景象匹配修正GPS/INS导航系统误差，从而提高中制导精度。如图2.2所示，具体实现是：导弹飞行过程中不断对地面场景成像得到实时雷达图像，并与事先存储在导弹中的电子地图中的参考图作匹配，得到场景中多个特征点的坐标信息，再由导弹和场景的相对位置计算出导弹的实际位置坐标，最后修正GPS/INS导航系统的误差，实现辅助导航的作用。基准图导弹位置、速度、场景场景弹体加速度、姿态回波实时图位置位置主导航成像景象匹配弹体定位滤波GPS/INS位置、速度、加速度、姿态次导航滤波图2.2景象匹配辅助制导实现框图其实不管是机载、星载SAR模式，或者弹载SAR模式，理想直线运动条件时万方数据 6基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计SAR成像原理是类似的。为实现理想的成像效果，需尽量使弹体满足匀速直线条件。虽然导弹末制导阶段，导弹是机动形式的复杂运动，主要是非匀速曲线运动，只有少量弹道满足匀速直线运动条件。但是非匀速直线运动情况下的SAR成像研究也要以匀速直线运动SAR成像为前提，因此匀速直线运动条件下的大斜视角SAR成像是弹载SAR系统的基础。2.2大斜视SAR全孔径成像算法在条带SAR中，斜视成像是一种重要的工作模式。与正侧视SAR相比，大斜视SAR具有很多优点。本节主要讨论大斜视情况下的非线性频调变标算法，针对大斜视角、大场景成像时的散焦问题，利用非线性CS（NCS）算法对距离压缩处理的特点，使其在处理斜视角数据的性能方面有了一定的优势。在大斜视情况下，如图2.3所示，随着载机运动，场景上任一点目标P(R,B[1]X)的斜距变化方程为n22Rtr(;)R(XVtVt)(2-9)mBncm其中，图2.3中B点的横向时间为t和多普勒中心f，以及和斜视角及垂cdc0直距离R的关系为BRfRtanBdcB0t(2-10)c2V21(ff)2VaaMvtm'BPBxnRR0RB0'0AtcCvtmtxm图2.3斜视下成像示意图雷达在tˆ-t域对点目标接收的回波基频信号为m万方数据 第二章弹载SAR成像算法7(ˆ,;)ˆ2R(tm;RB)sttmRBartaa(tmtc)c(2-11)22R(tm;RB)4πexpjπtˆexpjR(tm;RB)c对式(2-11)对快时间tˆ作傅里叶变换2fr4πS1(fr,tm;RB)arfraa(tm)expjπexpjR(tm;RB)(frfc)(2-12)c根据驻相点法对方位慢时间t作傅里叶变换为mRff2BarS2(fr,fa;RB)arfr/aatcexpjπ2V2(1ff)2(ff)2rcaaM(2-13)22Xnfcfrfaexpj2πfa(tc)expj4πRBVc2V2对于窗函数来说，(1ff)1。rc在进行非线性CS算法的处理前，需要将接收到的回波信号变换到f,f域，ra然后与函数Hf相乘，有1rSf,f,RSf,f,RHf(2-14)2YraB2raB1r2π3HfexpjYff(2-15)1r3ar式中Yf为待求量。将Hf与Sf,f,R的三次非线性调频量合并，得a1r2raB到一个总的非线性调频斜率3YfYff,R(2-16)maa3as2π在成像区域内做些近似处理，忽略f,R随距离的变化，用f,R替代3aB3as3fa,RB，记Ymfa为Ym。信号做完三次相位滤波后转换到多普勒频率—距离时间域为：1(,fR)RfStfRˆ,;aeaaB[tˆ(,fR)]aBtYaBrdaBac2π2V221(ff)aaMXn2π22expj2πft()expjRffacBMaa(2-17)VV2expjπe(,fRaB)tˆd(,fRaB)expj2π3(,)ˆ(,)3YfRtfRmeaBdaB3万方数据 8基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计式中，(f,R)为最近距离为R的点目标在频率域的位置对应的时间daBB2RB2RB(f,R)(2-18)daBccosc1(ff)2aaM等效调频率f;R随多普勒频率和点目标的距离变化的，在原始CS算法eaB用f;R来近似。非线性CS算法考虑了调频率随距离的线性变化特性easf;Rf;Rk(f,R)(2-19)eaBeassaB进行近似替代。这里k为等效调频率f;R在参考距离R处随距离的变seaBs化率，利用R＝c(f,R)cos/2，可以计算出其值为：BdaB22defa,RBdefa,RBdRBefa,Rssinkf(2-20)sa2ddRdfcosR0RsBR0Rsc接着在多普勒频率—距离时间域进行非线性CS操作，CS操作函数为22π3H2tˆ,fa,RBexpjπq2(fa)tˆdfa,Rsjq3(fa)tˆdfa,Rs(2-21)3式中q(f)，q(f)为待求参数，它们可在f,f域中求得。2a3araCS操作处理后信号为SYtˆ,fa,RBSYtˆ,fa,RBH2tˆ,fa,RB(2-22)CS操作处理后利用驻相点法积分把信号沿距离作傅里叶变换。frfrRBfaSf,f;Raat2YraBrac2V21(ff)2aaMXn2π22expj2πf(t)expjRff(2-23)acVVBaMaexpjΦf,f,ra式中，为式(2-23)中(f,R)的缩写。前两个指数项目与纵向距离处理aB无关，Φf,f,与纵向距离处理密切相关，它可写为ra23Φf,f,AY,q,q,f,f,f,fBY,q,q,ffram23arrrm23ar22CY,q,q,ffDY,q,q,ff(2-24)m23arm23ar23EY,q,q,f,,m23a通过选择合适的q,q,Y可以消除随距离变化的移动项和二次距离压缩项，23m也就是BYm,q2,q3,fa1CYm,q2,q3,fa0(2-25)DY,q,q,f0m23a万方数据 第二章弹载SAR成像算法9由式(2-25)可解得其中：k(f)0.5saY(2-26)m3(f,R)1easq(f,R)1(2-27)2eask(f)1saq(2-28)32式中，为(f)的简写，将式(2-26)、(2-27)和(2-28)代入式(2-24)可得afrfrRBfaSf,f;Raat2YraBrac2V21(ff)2aaMexpj2πf;RfddcBrexpj2πf;Rf;Rfdasddcsr233(2-29)πf2πqYf;Rfr3measrexpjj33efa;Rs3efa;RsXn2π22expj2πf(t)expjRffacVVBaMaexpjf;RaB这里f1f;Rf;R(2-30)reasaB12πks(fa)13fa;Rsπefa;Rs1fa;Rs1fa;Rs(2-31)3根据式(2-29)，就可以进行两维的距离压缩和方位压缩处理，首先对Sf,f;R乘以参考函数Hf,f;R2YraB3raBHf,f;Rexpj2πf;Rf;Rf3raBdasddcsr233(2-32)πf2πqYf;Rfr3measrexpjj33efa;Rs3efa;Rs此时距离压缩和走动已经做完，然后将回到距离多普勒域的信号乘以参考函数2π22H4fa,,R0expj2πfatcexpjRBfaMfaexpjfa;RB(2-33)V最后做完横向IFFT后完成了成像的处理。万方数据 10基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计2.3弹载SAR大斜视子孔径快视成像算法弹载SAR一般需要在大前斜视的情况下成像才能确保其转弯机动时间，再加上弹载SAR天线一般具有较小尺寸，其全孔径上的方位分辨率一般远高于匹配参考图，为了保证后续处理正常进行和满足制导的需要，弹载SAR成像算法不宜太过复杂，在一定的代价下可以仅使用子孔径数据，简化处理流程，以实现快视成像。本节从大斜视成像几何模型、距离向处理以及方位聚焦等方面详细分析弹载SAR子孔径快视成像算法。2.3.1弹载SAR大斜视成像几何模型弹载SAR大斜视成像几何模型如图2.4所示，导弹以速度v沿x轴匀速直线飞行，中心斜视角为。通过图2.4的几何关系可得点目标到雷达的瞬时斜距为022RtmR0cos0R0sin0vtmXn(2-34)其中，t代表方位慢时间，Xvt，t为天线波束中心穿越目标点的时刻。mnnn一般情况下，针对SAR成像，在低分辨或低斜视角的情况下，将瞬时斜距作泰勒展开近似处理，相位近似到三阶，包络近似到二阶；但是对于弹载SAR大斜视条件下，为了更高的满足后续匹配，要求成像精度高，因此在后续处理中不对瞬时斜距作任何近似处理。z航线vx0hRR00B波束天线带y测绘图2.4弹载SAR大斜视情况下成像的几何模型2.3.2弹载SAR大斜视信号分析及距离向处理假设雷达发射信号为线性调频(LFM)信号，则回波信号可以写为万方数据 第二章弹载SAR成像算法11222RtmmRt4Stt0ˆ,mwtrˆwtamtnexpjtˆexpjRtm(2-35)cc其中，tˆ为快时间，为发射信号的调频率，为发射信号波长，w和wra分别表示距离、方位窗函数。运用驻定相位原理将式(2-35)变到距离频域，可得2f4r(2-36)Ssftr,mWrfwtramtnexpjexpjfcfRtrmc由于大斜视成像中，距离与方位存在较大的耦合；通常的斜视SAR处理中，第一步通过时域线性距离走动校正极大地降低这种耦合性。因此，首先进行线性距离走动校正，校正因子为4vsin0H1ftr,mexpjfcftrm(2-37)c式(2-36)与式(2-37)相乘并作距离向脉压，可得4Ssftr,mWrfwtramtnexpjfcfrRtmvsin0tm(2-38)c对上式作方位向傅里叶变换将其变换到二维频域，可得22sinv0SSfr,faWrfWrafaexpjfafdcfrR00sinvtnvc(2-39)22ffffsinexpj4Rcoscradc0f00rc2vc其中，fa为方位频率，fdc为多普勒中心，Wa为方位窗函数的频域形式。为了进一步分析距离弯曲函数与二次距离压缩，将式(2-39)的根式作近似展开，即22fcfrfafdcsin02fABfCf(2-40)rrrc2vc式(2-40)中一次项表示为距离弯曲校正项，二次项对应的相位为二次距离压缩项；对式(2-39)进行距离迁徙校正和二次距离压缩的补偿，并将补偿后的二维频率域信号变换到距离时域方位频域22fffjR4coscadc^^2R0cv2(2-41)sStf(,)sincBt()Wf()exparac2Rsinj0ff2fftadcadcnv2.3.3方位信号分析为了得到更高精确度的方位向展开式，这里引入级数反演法对式(2-41)展开得到高近似度的高阶相位。万方数据 12基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计^^2RsStf(,)sincBt()Wf()expj()(2-42)ara012345c假设位于同一距离单元内的三个点目标A、B和C，在时域校正线性走动后，出现在不同的距离单元内，这导致了多普勒调频率的空变，如图2.5所示。RRXsin00nR0ABCRXsin00nRsinvt0mttXXXnmaxOmaxn图2.5走动校正示意图为了得到目标点所处的新距离单元，令RvtsinRXsinR(2-43)0nn000把式(2-43)代入式(2-42)可得：^^2RsStf(,a)sincBtr()Wf()expaj(0_new1_new2_new3_new4_new5_new)(2-44)c式(2-44)中其中四阶与五阶相位的空变量均可忽略，但是需要考虑三阶相位的空变；补偿完非空变的高阶相位得^^2RsStf(,a)sincBtr()Wf()expaj(0_new1_new2_new3_new)(2-45)c为了进一步分析方位向相位空变的本质，式(2-45)在时域的表达式^^2(RXsin)23sstt(,)sincBt(00n)wt()expjfttftt(2-46)ara0DRmnDTmncff其中DR为多普勒调频率，DT为方位向三次项系数。在频域引入高阶非线性CS扰动因子，即34Hfliterexpjpfajqfa(2-47)将(2-47)式代入(2-55)式，变换到方位时域消除空变项，可得：^^2(RXsin)sstt(,)sincBt00nwt(t)expj2(,)tt(2-48)armnmnc1C0式中2223342；可解(,)ttmnABtmCttmnDttmnEttmnFtmGtmfDRrefmt。则令2D0得p，q。最后补偿残留的高次相位，并做SPECAN处理将信号聚焦在方位频域上，实现SAR图像的聚焦。万方数据 第三章TMS320C6678DSP简介13第三章TMS320C6678DSP简介TMS320C6678是TI公司最近几年新推出的一款新型DSP,相对于传统的DSP,例如ADI公司的TS201来说，具有很大的优势。首先，TMS320C6678内部拥有八核结构，相对于TS201DSP的单核结构来说，运算速度和数据的处理能力得到了很大的提高，内存空间也有了很大的突破，每个核都拥有自己单独的L1P、LID和L2，再加上多核之间的通信，使TMS320C6678DSP成为信号处理系统新的宠儿；其次，DSP之间的通信也有了很大的提高，相对于TS201仅用的链路口通信，TMS320C6678的SRIO、Hyperlink、PCIE以及网口等接口都成为其被大方面使用的优势所在。3.1TMS320C6678内部结构3.1.1TMS320C6678的CPUTMS320C6678是TI公司最新推出的C66x家族的一块DSP，其内部结构包含8个功能单元，且这8个功能单元是可以并行操作的。它的CPU包含64个32位的通用寄存器和8个功能单元，这8个功能单元包含2个乘法器和6个ALU。TMS320C6678CPU的结构图如图3.1所示。图3.1TMS320C6678CPU的结构图由图3.1可以看出，TMS320C6678CPU的8核的基本组成，内存空间分别为万方数据 14基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计32KB的L1P、32KB的L1D，以及512KB的L2，L2可以用来作为Cache或者SRAM，还有4096KB的共享内存，外挂DDR3SRAM。对于8核中的每个核来说，其指令的操作流程大体上包含：1.指令的取出2.16位或者32位指令的分配3.控制寄存器的分配4.指令的流水5.指令的解码TMS320C6678的8个功能单元分别为.M1、.M2、.L1、.L2、.D1、.D2、.S1以及.S2，这些功能单元在写汇编语言时有着很大的作用，是TMS320C6678所有内部结构的基石。除此之外，TMS320C6678的CPU还可以与Bios操作系统联合到一起，实现其多核之间的任务分配和数据传输。3.1.2TMS320C6678的多核空间图3.2TMS320C6678的功能模块图如图3.2所示，TMS320C6678的功能模块中，多核结构有了明显的体现，板上多核多地址空间的使用给C6678的性能提升打下了基础。万方数据 第三章TMS320C6678DSP简介15表3.1是TMS320C6678的多核地址空间分配表3.1TMS320C6678的多核地址空间分配地址起始地址结束空间大小功能描述0x108000000x1087FFFF512KB核0L2SRAM0x10E000000x10E0FFFF32KB核0L1PSRAM0x10F000000x10F0FFFF32KB核0L1DSRAM0x118000000x1187FFFF512KB核1L2SRAM0x11E000000x11E0FFFF32KB核1L1PSRAM0x11F000000x11F0FFFF32KB核1L1DSRAM0x128000000x1287FFFF512KB核2L2SRAM0x12E000000x12E0FFFF32KB核2L1PSRAM0x12F000000x12F0FFFF32KB核2L1DSRAM0x138000000x1387FFFF512KB核3L2SRAM0x13E000000x13E0FFFF32KB核3L1PSRAM0x13F000000x13F0FFFF32KB核3L1DSRAM0x148000000x1487FFFF512KB核4L2SRAM0x14E000000x14E0FFFF32KB核4L1PSRAM0x14F000000x14F0FFFF32KB核4L1DSRAM0x158000000x1587FFFF512KB核5L2SRAM0x15E000000x15E0FFFF32KB核5L1PSRAM0x15F000000x15F0FFFF32KB核5L1DSRAM0x168000000x1687FFFF512KB核6L2SRAM0x16E000000x16E0FFFF32KB核6L1PSRAM0x16F000000x16F0FFFF32KB核6L1DSRAM0x178000000x1787FFFF512KB核7L2SRAM0x17E000000x17E0FFFF32KB核7L1PSRAM0x17F000000x17F0FFFF32KB核7L1DSRAM表3.1中的地址都是多核的实际物理地址，其映射到当前的物理地址分别为0x00800000、0x0087FFFF为L2的SRAM，0x00E00000、0x00E0FFFF为L1P的SRAM，0x00F00000、0x00F0FFFF为L1D的SRAM。3.1.3TMS320C6678的多核中程序的映射对于单核DSPTS201来说，程序的分配都是公用的一个内存空间和一个万方数据 16基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计CPU，处理时任务之间很难达到并行，而对于TMS320C6678来说，每个核都拥有自己的内存空间和处理系统，很容易可以达到任务的并行处理。但是由于DDR3总线的限制，数据的处理很难达到并行，只有在数据量较小的情况下，程序算法才可以完全达到八核的并行处理。当数据量超过一定范围时，8核之间的程序处理不可能达到完全的并行处理，多核之间存在一定的制约问题，如图3.3所示，假设数据给每个核传输的时间均为1s。数据传输核0延时1s核1数据延时2s核2延时3s核3图3.3核间程序的并行图3.2TMS320C6678多核间的通信TMS320C6678多核间的通信包含两方面的内容：数据的传输和多核间程序的控制流程。其中数据的传输可以通过DMA传输来完成，无论是DDR3、MSMC以及L2SRAM,都可以通过DMA传输实现；多核间的程序的控制流程是建立在Bios操作系统上，可以通过IPC或者MessageQ来完成，下面作重要的介绍。3.2.1DMA通信DMA通信是通过EDMA3控制器来实现两个存储器之间的端口端口与端口之间的数据传输。EDMA3控制器包含EDMA3通道控制器和EDMA3传输控制器两个基本的模块，下面就以实例来简单说明DMA通信的功能。数据之间的通信包含一维或者二维甚至三维之间的数据传输，同样DMA通信万方数据 第三章TMS320C6678DSP简介17也包含数据之间一维或者二维的传输，即A同步传输和AB同步传输。最基本的DMA通信就是数据搬移。如图3.4所示，数据块的大小为256个字，数据块的起始地址为0x80000000,内部地址为0x00800000。图3.4数据块的搬移其次在实时信号处理过程中，矩阵之间的转置处理时经常用到的。为了使数据传输占用的时间坚守，这里采用DMA进行数据传输是再好不过了。如图3.5所示，矩阵数据块的起始地址为0x000D0000,外部地址为0x80000000。图3.4矩阵转置图3.2.2多核间流程的控制这里重点讲解下MessageQ的应用，它可以实现8核之间的相互控制，对核间通信起着关键性的作用。1.模块的配置MessageQ模块发送和接受结构化的消息，其中消息是可以改变长度的，但是有个限制，只能有一个读操作，允许有多个写操作。消息的发送和接受都是通过消息队列来完成的，读操作是通过此队列来获得消息的进程，而写操作则相反。读操作用到的函数：MessageQ_create()、MessageQ_Get()、MessageQ_free()万方数据 18基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计和MessageQ_delete。写操作用到的函数：MessageQ_open()、MessageQ_alloc()、MessageQ_put()和MessageQ_close()。具体使用见图3.5。图3.5MessageQ函数图配置MessageQ的过程为：MessageQ=xdc.useModule(‘’);具体代码配置：MessageQ.maxNameLen=64;这个为名字规定的最大长度MessageQ.maxRuntimeEntries=4;这个表示可以动态创建的最大数量的个数MessageQ.numHeaps=0;这个为系统中堆名字的数量个数MessageQ.tableSection=null;2.模块的创建此模块指的是消息对了的创建，对应的对象为创建此对象的处理器。可以通过以下函数来完成读进程的操作：MessageQ_HandleMessageQ_Create(StringnameMessageQ_Params*params);使用MessageQ_open()打开一个消息队列，消息队列是不能没有名字的。在创建消息队列前需要对该参数初始化。创建消息的示例代码如下，其中初始化的程序省略：messageQ=MessageQ_create(CORE0_MESSAGEQNAME,&messageQParams)3.模块的打开写进程的操作可以用这个函数来完成：万方数据 第三章TMS320C6678DSP简介19IntMessageQ_open(Stringname,MessageQ_QueueId*queueId);具体的操作为：do{Status=MessageQ_open(COREn_MESSAGEQNAME,&remote_nQueueId);}while(status<0);4.消息的分配消息的分配是通过MessageQ_alloc()和MessageQ_free()函数来完成的。具体的操作为：Msg_n=MessageQ_alloc(HEAPID,sizeof(MessageQ_MsgHeader));5.消息的发送消息的发送是通过MessageQ_put函数来完成的status=MessageQ_put(remoteQueueId,msg);具体的操作为：status=MessageQ_put(replyQueue,msg);6.消息的接收具体的操作位status=MessageQ_get(messageQ,&msg,MessageQ_FOREVER);3.3TMS320C6678的通信接口TMS320C6678接口的全面性使得其成为DSP领域硬件实现的首要选择，这里我们重点介绍网口、PCIE以及SRIO的原理以及应用.3.3.1网口网口利用多核DSPTMS320C6678的SGMII接口外接以太网的物理层芯片88E1111。在DSP/BIOS架构上，用NDK提供的例程，实现了底层硬件驱动程序和TCP/IP协议栈。网口的结构图如图3.6所示，它包括3个端口、两个SGMII接口，两个串行解串器SerDes，一个数据管理器MDIO以及用来配置以太网模块的总线接口。TMS320C6678的网口模块是DSP处理器与外部物理层芯片的接口，主要负责以太网的数据解包接收与组包发送，它对应于以太网协议标准IEEE802.3中的MAC层。TMS320C6678的网口模块还包括一个数据管理器MDIO，主要负责对外部的万方数据 20基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计物理层芯片进行配置、枚举以及检测芯片的运行状态。图3.6网口的结构图网口的外围电路是通过Marvell的88E1111物理层芯片与RJ-45相连完成。88E1111完成网口协议中的物理层功能，支持GMII、RGMII、SGMII、TBI以及RTBI接口与TMS320C6678的网口模块实现无缝连接。88E1111吉比特以太网收发器应用于物理层，适应于1000BASE-T、100BASE-TX和10BASE-T这几种类型的以太网，它采用标准数字CMOS工艺制造而成，且包括所需的有源电路来实现物理层功能，这样数据就可以方便的在标准的CAT-5类非屏蔽双绞线上发送和接收。88E1111支持的接口包括：吉比特介质无关接口（GMII）、精简的GMII（RGMII）、串行吉比特介质无关接口（SGMII）、10比特接口（TBI）和精简的10比特接口（RTBI）。88E1111器件集成了一个可选的1.25GHz的SERDES接口，该串行接口可直接连接到光纤收发器，应用于1000BASET/1000BASE-X介质转换。88E1111器件的封装类型有三种：117引脚的TFBGA封装、96引脚的BCC封装整体尺寸只有9mm×9mm以及128引脚的PQFP封装。TMS320C6678的SGMII接口是一对差分信号线和差分时钟线，分别为SGMII_TXP，SGMII_TXN，SGMII_RXP，SGMII_RXN，SGMII_CLKP，SGMII_CLKN。其中SGMII_TXP，SGMII_TXN是网口数据发送差分线，SGMII_RXP，SGMII_RXN是网口数据接收差分线，SGMII_CLKP，SGMII_CLKN是网口的参考时钟，此次参考时钟为312.5MHz。外围的物理层芯片88E1111通过一对差分信号线S_INP，S_INN，S_OUTP，S_OUTN与SGMII相连，其中，S_INP，S_INN分别与SGMII的发送相连，即88E1111接收数据，S_OUTP，S_OUTN分别与SGMII的接收相连，即88E1111发送数据。88E1111的时钟是通过外部的晶振输入，此次参考输入时钟为25MHz。万方数据 第三章TMS320C6678DSP简介21网口程序的分层1.NIMU-specific层NIMU-specific是网络接口管理单元，起到NDK核心栈和以太网驱动之间的桥梁作用。在NIMU-specific层定义了API供用户使用，NDK核心栈能够使用NIMU-specific中的API对EMAC设备进行实时的配置以及发送以太网数据包，同时，这些API还能把接收到的以太网数据包传送给NDK核心栈。同时，NIMU-specific中定义的API都是通用、跨平台的，不仅仅适用于TMS320C6678，还适合于其他TI公司的DSP。2.以太网mini-driver层mini-driver层起到内存管理的作用，负责所有内存的分配、初始化以及释放。mini-driver层还具有为EMAC和MDIO的配置设置参数。为实现上述功能，mini-driver利用上一层NIMU-specific定义的API以及下一层CSL中定义的数据结构。mini-driver层还能给DSP发送中断信息。由于这个过程需要DSP设备的详细信息，所以这一层是不能移植到其他设备或者平台上，只能适应于特定的设备中。3.CSL层CSL是EMAC和MDIO的通用芯片支持库，具体包含如下几个方面的内容：1)EMACAPIs:配置EMAC需要用到的数据结构以及函数接口，以及收发以太网数据包的函数。2)MDIO和SGMIIAPIs:把从上层传下来的有关配置物理层芯片的信息解析出来，再通过MDIO或者SGMII接口传递给外部物理层芯片。3)内存描述符管理逻辑：可以实现CPPI中内存的申请、进队、出队以及进栈、出栈等操作。4)中断管理逻辑：具有中断服务的主要路由信息，不过它需要利用上一层mini-driver中寄存器的信息进行具体中断。这一层不是完全的通用，但是大部分都能移植到其他平台上，只要结构没有发生大的变化，比如，现在是外部只连接一片单独的物理层芯片，如果改成外部连接一个物理层交换芯片，这时候就不能用现有的CSL了，需要进行修改才可以。网口的数据传输：在我们的设计中，以太网是DSP与上位机之间进行通信的接口，DSP作为主机，一直处于监听状态，当收到上位机发送的连接请求即开始连接。再根据上位机发送的是读指令还是写指令，DSP发送或者接收数据。1）初始化初始化包括硬件平台的初始化以及以太网信息的初始化。硬件平台初始化包括平台的DDR、PLL、SGMII通道等的初始化。硬件平台的初始化利用函数万方数据 22基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计platform_init()完成，如果初始化成功，则返回1，否则返回0。以太网信息的初始化包括主机的IP地址、服务器的IP地址、子网掩码、DSN等，如下图3.7所示，其中LocalIPAddr是DSP端的IP地址，而GatewayIP是服务器端即上位机的IP地址。首先用inet_addr()函数把32位的IP地址转换为网络格式的IP地址，然后利用NetworkIPAddr()完成配置。2）网络监听及建立连接主机一直处于监听状态，当主机接收到服务器发送过来的建立请求后，就开始建立连接。利用函数DaemonNew()可以建立一个新的服务器入口，同时，也建立TCP或者UDP的socket，开始监听，并且可以同时监听多路。当不需要的时候可以用DaemonFree()函数关闭所有的socket。3）传输数据DSP作为主机一直处于监听状态，上位机控制收发数据。利用recvnc函数进行数据接收，如果没有数据，则一直等待数据来，接收成功则返回接收到的数据大小，接收到的数据存放在pBuf中，可以根据实际需要给pBuf分配地址，接收成功后，可以把数据再返回给上位机，利用send()函数，send(s,pBuf,I,0);把pBuf中的数据发送出去，发送的大小为I，如果发送成功则返回发送的字节数。最后经过测试，PC向DSP发送数据的速度大约为240Mb/s，而DSP向PC发送数据的速度大约为200Mb/s。3.3.2PCIE多核DSPTMS320C6678的PCIe模块主要有如下几个部分组成：PCIe物理层(PCIePHY)、PCIe核(PCIeCore)、中断(Interrupts)、时钟/复位/电源控制(Clock/Reset/PowerControl)以及配置总线(VBUSM)，如图3.7所示。万方数据 第三章TMS320C6678DSP简介23图3.7PCIE模块图PCIe物理层其实就是串行解串器SerDes，是物理层中的模拟部分。PCIe的数据传输利用差分线PCIETXP、PCIETXN、PCIERXP、PCIERXN进行收发。包括锁相环、模拟收发器、相位内插器为基础的时钟/数据恢复、串行解串器、加扰器以及配置、测试逻辑。PCIe的物理层包括传输层、数据链路层以及物理层中的MAC部分，PCIe核是一个双模式核，即既可以作为RC(RootComplex)端也可以作为EP(End-Point)端，作为EP端时还可以legacy终端和native终端。在多核DSP6678中有引导管脚PCIESSMODE[1:0]，在板卡上电的时候就决定PCIe核到底是工作在哪个模式下，当然也可以通过软件再去配置PCIESSMODE[1:0]。多核DSP6678的PCIe模块总共可以产生14个中断，包括INTA/B/C/D、MSI、MSI-X、错误中断、电源管理中断以及复位中断等等。在多核DSP6678的PCIe模块中有好几时钟域，这几个时钟域分别用作PCIe控制器以及接口桥的功能性时钟和数据收发时钟，用来数据收发的时钟是差分时钟。多核DSP6678的PCIe模块还支持如冷复位、热复位以及软件复位等复位。PCIe模块除了在没有活动存在时能以硬件进入（活动状态电源管理）自动电源关闭模式外，PCIESS支持更高级别的电源关闭，可以由用户软件控制实现。多核DSP6678的PCIe模块拥有一个128位的VBUSM主端口和一个128位的VBUSM从端口连接到CPU侧。主端口是用于入站传输请求，从端口是为配置PCIe的内存管理寄存器MMR和PCIe出站数据传输。PCIe的拓扑结构是树形结构，各个节点之间是点对点的连接。每一个PCIe系统中有且仅有一个根节点(RootComplex)，叶子节点就是终端节点(endpoint)，把万方数据 24基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计各个设备节点连接起来就是交换器。一个根节点可以有多个通道连接终端节点，但是每个通道都得单独实例化，单独分配堆栈空间。而且终端节点之间通信可以通过根节点就能实现，但是根节点之间就必须通过交换器完成。除此之外，还包括一些内容：1.SerDes配置在多核DSP6678的物理层有内置的锁相环PLL，用于时钟恢复电路。PLL能把一个相对低速的输入参考时钟倍频到很高的速度，比如在我们的设计中输入参考时钟只有100MHz，但是能倍到2.5GHz。当然输入时钟与传输速度没有必然联系，与CPU的系统时钟也是不同步的。倍频得到的高速时钟只是在SesDes模块才有效，其他模块就要用低速的时钟，所以对参考时钟的质量要求很高，尽量避免噪声的影响。多核DSP6678的PLL通过芯片层的寄存器PCIE_SERDES_CFGPLL进行配置，这个寄存器在DSP中的地址为0x02620358，默认值为0x000001C9。要使PLL工作，则使能信号ENPLL必须置1，置1之后需要等待1us让PLL工作稳定，然后PLL根据配置的信息就能在200个参考时钟内锁出我们需要的参考时钟。当锁定成功后，会输出一个锁定信号LOCK，当我们检测到LOCK信号变高的时候，就表明PLL已经处于稳定工作状态了。2.PCIe的地址转换PCIe的传输层包TLP都是统一用PCIe地址，所以就必须有一个地址转换机制把本地内部总线地址转换为PCIe地址，在多核DSP6678中就嵌入了这样的转换机制。如果传出或接收TLP的TypeField表示使用地址的路由，则需要出站或者入站地址转换把TLP中的地址信息转换为PCIe地址。PCIe的地址空间分为两部分Range0和Range1，其中，Range0主要是用来存放PCIe的配置信号，所以也称为配置空间；Range1是用来存放其他非配置信息，称为Memory空间。3.3.3SRIORapidIO是一种新型的高速互连技术。它的互连定义分为两种：1.ParallelRapidIO接口，适用于微处理器及系统间互连场合；2.SRIO接口，适用于串行背板、DSP以及DSP与FPGA互连等应用的场合。SRIO的编程模型包含基本存储器映射IO事务以及基于端口的消息传递模式两种。SRIO标准是开放的，十分适合嵌入式应用场合。SRIO最主要的的应用是作为系统或者芯片间的高速互连接口，实现芯片和芯片或者系统和系统间的通信。传输速度能从1Gbps到60Gbps，在未来的高速互连领域一定会得到更广泛运用。万方数据 第三章TMS320C6678DSP简介25SRIO协议分三层，分别是：物理层、传输层、逻辑层。物理层处于整个协议的最底层，该层具体规定了接口的一些细节，诸如包传输机理、流量控制、电气属性和错误管理。传输层位于中间，规定了SRIO的地址分配以及数据包传输需要的路由信息。逻辑层处于协议的最顶层，具体规定了SRIO接口的协议依据数据包的格式，另外逻辑层需为端点传输的发起和完成提供所需的信息。DSP内部的SRIO接口是一个独立的从模块但又可以在DSP内部作为一个主模块。具体意思是外部器件可以把数据写入DSP而不需要给CPU产生中断和依赖DSP的EDMA。这样的好处减少了中断的设计需求、减少了握手信号的使用和对EDMA资源的节省。SRIO定义的一个包最大不能超过256个字节，因为许多时候传输需要发送多个包。SRIO还定义了一个MESSAGE下最多只能有16个包。一个MESSAGE下的最后一个包发送结束后会产生一个中断通知CPU可以对L2中的数据进行后续的处理。作为终端，DSP是根据包里面的目的地址来接受数据的，这里就有两种方式，一是接受包里面目的地址和自身匹配的数据包，二是系统广播的操作。门铃操作：门铃操作由门铃包和响应这两种信息交流方式组成。常用于一个处理单元发送一个简短的消息给另外一个处理单元。门铃交易用于专门的信息位来传递信息，并没有信息的支付。这些信息位是软件可配置的。在运用中，一个处理器接受到一个门铃包，就会把它放到门铃信息队列中。这些队列信息可以在硬件中也可以在本地存储空间内。本地的处理器可以读取该队列的信息来确认后续的操作。门铃的功能是用户自定义的，但是主要功能是用来触发DSP的中断。门铃包是不同于之前传输的数据包的，所以门铃包的信息位要把DOORBELL这一位配置好用于区分。DSP中有四个门铃寄存器，通过设置在门铃包里面的16位信息位可以控制具体设置那个门铃寄存器的中断位。下面是SRIO的串行解串器SerDes的配置SRIO的串行解串器利用TI提供的SerDes宏，具有可变、自适应的特性，能够同时支持SRIO的1.25G、2.5G、3.125G和5G的速率。1.使能PLL物理层的串行解串器SerDes有内部的锁相环PLL，用来时钟恢复。PLL把低速的参考时钟进过倍频到一个高的时钟频率。当然输入时钟与传输速度没有必然联系，与CPU的系统时钟也是不同步的。倍频得到的高速时钟只是在SesDes模块才有效，其他模块就要用低速的时钟，所以对参考时钟的质量要求很高，尽量避免噪声的影响。多核DSP6678中通过如下几个寄存器来控制PLL：SRIO_SERDES_PLL、SRIO_SERDES_CFGTX[3-0]和SRIO_SERDES_CFGTX[3-0]。要使能内部的PLL，万方数据 26基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计寄存器SRIO_SERDES_PLL中的ENPLL位必须置1，置1后需要经过1s的时间使调节器能够稳定的工作，然后PLL在200个参考时钟周期内锁定输出时钟。。为了确保锁相环PLL稳定正常的工作，可以检测SerDes的状态寄存器SRIO_SERDES_STS，这个寄存器在DSP中的地址为0x02620154。2.使能接收器接收器的主要功能是进行解串，即把接收到的串行数据变为并行数据。要使接收器能正常工作，寄存器SERDES_CFGRXn_CNTL中的ENRX位必须置1。如果ENRX没有置1，则接收器内所有的资源都是不可用的，当ENRX置1后，接收器开始检测到输入管脚的差分电平。如果检测到输入信号有损耗，则恢复时钟立刻就固定，以防止损耗的信号破坏时钟的相位和频率。3.使能发射器发射器的主要功能就是进行串行，即把并行数据转换为串行数据。要使发射器正常工作，必须要把寄存器SERDES_CFGTXn_CNTL中的ENTX位置为1。同样的，如果ENTX没有置1，则发射器内所有的资源都是不可用的，除了发射时钟TXBCLK，这个发射时钟是一直处于正常工作状态。图3.8就是典型的SRIO连接图图3.8SRIO连接图SRIO的数据传输有directI/O和Message两种方式，在我们的设计中使用directI/O方式来进行数据传输。在directI/O模式中，SRIO的数据包中包含地址信息，即数据该存放在哪里或者该从哪里读数据。所以在directI/O模式中，源设备必须有一个地址表，这个表中的地址既是本地存放数据的地址，也是目的设备的有效地址，SRIO的源控制器就是利用这个表格来计算出目的地址，然后插入到数据包包头，目的设备接收到数据包后解析出目的地址，最后通过DMA把数据搬移到目的万方数据 第三章TMS320C6678DSP简介27地址。SRIO的数据传输的步骤包括锁定LSU、配置寄存器、发送数据等，具体描述如下：1.锁定LSU要锁定LSU则读寄存器LSU_Reg6中的full和busy位，如果full=1或者busy=1，则说明没有可用的影子寄存器，继续等待直到full和busy都为0；当full和busy都为0时，就可以锁定LSU了，像我们的设计中用多核DSP6678，这样其他核也能检测到LSU已经被锁定。当LSU被锁定后，读取LSU_Reg6寄存器返回两个值LTID(LSUTransctionID)和LCB(LSUContextBit)。LTID是一个临时的ID，加在数据包的末尾，这个ID的值不能超过映射到LSU的影子寄存器数量。假设映射到LSU0的影子寄存器有4个，则LTID的值为0~3。LCB用来指示完成码completioncode是否是真正有效的。2.配置寄存器配置寄存器主要是配置LSU_Reg0~4，由CPU完成。同时写寄存器请求的PRIVID必须与锁定LSU的PRIVID匹配，否则写寄存器请求将被忽略，当然在我们的设计中用EDMA来进行配置，这样也可以忽略PRIVID。3.发送数据经过上面的锁定LSU和配置寄存器后，最后配置LSU_Reg5寄存器，确定数据包的类型，配置完成后会把busy位清零，这表明影子寄存器可用。如果LSU正处于忙状态，就先把数据存放在影子寄存器中，等LSU跳出忙状态，就开始把数据从影子寄存器中读出来发送出去。3.4TMS320C6678中断中断在DSP中经常用到，这里需要简单介绍一下TMS320C6678中断，包括CPU中断和Doorbell中断。3.4.1CPU中断TMS320C6678的CPU中断包括复位和不可屏蔽中断。通常情况下，DSP工作的环境包括多个外部的异步事件，这些事件在DSP触发时执行。一个中断是指CPU停止当前任务的执行而去执行当前活动的需要完成的任务的事件，这些中断可以发生在芯片上或者芯片外，处理完中断后恢复到原来任务对应的地址继续执行。CPU中断包括4种类型:1.复位中断万方数据 28基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计2.可屏蔽中断3.不可屏蔽中断4.异常中断表3.2是CPU的中断表，优先等级从上到下依次递减。表3.2CPU的中断表中断名中断类型Reset复位中断NMI不可屏蔽中断INT4可屏蔽中断INT5可屏蔽中断INT6可屏蔽中断INT7可屏蔽中断INT8可屏蔽中断可以通过控制GIE来实现使用或者禁用所有的可屏蔽中断，具体操作位：1.GIE=1表示允许可屏蔽中断。2.GIE=0表示禁用可屏蔽中断。3.4.2Doorbell中断Doorbell中断是在通过SRIO接口来传输数据时使用的，门铃操作由门铃包和响应这两种信息交流方式组成。常用于一个处理单元发送一个简短的消息给另外一个处理单元。门铃交易用于专门的信息位来传递信息，并没有信息的支付。这些信息位是软件可配置的。在运用中，一个处理器接受到一个门铃包，就会把它放到门铃信息队列中。这些队列信息可以在硬件中也可以在本地存储空间内。本地的处理器可以读取该队列的信息来确认后续的操作。门铃的功能是用户自定义的，但是主要功能是用来触发DSP的中断。门铃包是不同于之前传输的数据包的，所以门铃包的信息位要把DOORBELL这一位配置好用于区分。DSP中有四个门铃寄存器，通过设置在门铃包里面的16位信息位可以控制具体设置那个门铃寄存器的中断位，图3.9为门铃中断寄存器的定义图。万方数据 第三章TMS320C6678DSP简介29图3.9为门铃中断寄存器的定义图因此，可以在通过高速串口SRIO传输数据时，可以方便地利用Doorbell中断来控制整个数据传输的流程，例如在雷达实时成像处理时，在通过高速串口传输完一个脉冲的数据时，可以通过Doorbell中断来做些算法处理，等做完处理后将中断的标志位清楚，继续接受下一个脉冲的数据。这个也是TMS320C6678优于其它DSP芯片的体现所在。万方数据 第四章基于多DSP的弹载SAR实时成像处理设计31第四章基于多DSP的弹载SAR实时成像处理设计本项目是与某研究所横向合作的基于多DSP的弹载SAR实时成像，硬件由研究所提供，是一块标准的信号处理板卡，上面嵌有1片FPGA、TiDSPC6455和4片TMS320C6678以及1片SRIO交换芯片CPS1848，我们的工作是基于硬件板卡来实现整个算法实现，设计出整个算法流程以及其在DSPC6678上的映射，基于算法和硬件上的综合考虑，我们采用了板卡上2片DSPC6678来完成整个弹载SAR的实时信号处理。4.1信号处理板卡简介及特点4.1.1系统总体结构板卡的实物图如图4.1所示，它是一块标准处理板卡，上面嵌有1片FPGA、TiDSPC6455和4片TMS320C6678以及1片SRIO交换芯片CPS1848。图4.1弹载SAR实时成像板卡实物图VPX是在VME总线标准的基础上针对其在雷达信号处理、图像处理、智能信万方数据 32基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计号处理等领域中存在的通讯带宽不足的缺点而发展、优化而成。VPX标准通过采用基于SerDes技术的高速的串行总线和增加I/O格式的布局，提升了背板的带宽。当前，VPX标准显然已经成为最为适合的在恶劣环境下的实现的新一代标准。相比于传统的PCI、CPCI、VME标准总线，VPX标准总线具备以下特点：(1)机械结构的灵活性和抗恶劣环境能力超强。VPX标准和VME总线标准一样完全的符合IEEE-1101规范中的规定的3U和6U机械结构的标准，其使用的MultiGigRT2连接器具有连接紧密且坚固的特性，使其抗恶劣环境能力大大加强。(2)扩展带宽。通过采用基于SerDes技术的高速串行互联架构，在显著增加带宽的同时，还减少了引脚的数量，其理论最大传输带宽可达到100GB/s。(3)增强的电源设计。在VME64X规范中，背板的最大功耗只有35W，随着多核、多处理器技术的不断发展，这一功耗限制已经成为瓶颈。VPX标准通过增加背板的供电电源种类、电源功率以及更加完善的散热系统来解决这一问题。(4)支持多种的高速串行的总线协议。VPX标准兼容了SerialRapidlO、以太网和PCI-E等等多种的高速串行的总线协议。从系统需求上可以看出，基于多DSP的实时雷达信号处理平台应用于弹载雷达系统中，首先，其特殊的应用场景决定了该系统对抗震动和抗冲击力具有很高的要求；其次，其高精度、高分辨率的特性，要求系统内各功能板卡具有10Gbps以上的数据吞吐率；最后，其系统内各板卡的功耗较高，如信号处理板卡的功耗超过70W（其中一片FPGA芯片15W，四片DSP芯片50W，其他的在5W以上）。因此，VPX标准总线很好的满足了设计所需，同时其标准化的基本规范、机械结构和总线定义使平台能够成功的适应与其他数字信号处理系统。MultiGigRT2连接器通过使用标准FR-4板材和布线技术，可稳定的工作在6Gb/s，并且理论可达10Gb/s。通过级联块和键一起使用，MultiGigRT2被VITA46规范选择为标准模块和背板设计。整个信号处理机架构如4.2所示。和路差路1差路2遥测设备通信J30J-25J30J-74信号GbE*4数据测量高速对接处理板接口接口高速ADC测试采样DDR3C6678C6678DDR3串口控制板Hyperlink设备通信驱动电路SRIO*4*4SW时序控制总线FPGAC6455DDR3C6678C6678DDR3Hyperlink频综时钟时钟电源电源管理管理管理SRIOSRIOSRIOSRIO二次电源VPX无源背板图4.2信号处理机图万方数据 第四章基于多DSP的弹载SAR实时成像处理设计334.1.2系统任务分配1.采集控制板采集控制板以Vitex5FPGA和TiDSPC6455为核心，主要完成高速ADC采集控制、数据预处理、慢速ADC/DAC的控制、导引头时序控制等。2.信号处理板信号处理板以TMS320C6678为核心，基于高速串口SRIO的互联接口，主要用来实现算法的处理。实现以TI最新高端8核DSP处理器TMS320C6678为核心点，采用4片DSPTMS320C6678、1片SRIO交换芯片CPS1848，通过Hyperlink、SRIO接口实现DSP之间的通信，采用松耦合方式，每片DSP上都配有独立的外部存储器，通过交换芯片实现任何两片DSP间的互连。3.无源背板背板的作用为实现各板卡间信号、电源的互连，通过控制信号线来与板卡进行连接，实现系统扩展，组成功能和结构完整的信号处理系统。信号处理系统采用高速串口SRIO作为数据通道。SRIO接口是一个独立的从模块但又可以在DSP内部作为一个主模块。具体意思是外部器件可以把数据写入DSP而不需要给CPU产生中断和依赖DSP的EDMA。设计中，板间通过4x通道形式可以达到最高12.5Gbps的数据传输能力。4.2多核DSPC6678的程序设计弹载SAR实时成像算法在运算处理时需要直接读取整个距离向或者方位向的数据，所以在多核程序设计时，可以利用C6678八核彼此独立的存储区和运算单元，实现八核并行运算的高效处理，故可以将原始数据按距离向或者方位向均分为八块，程序执行时每个核读取相应的数据块，达到八核并行的理想效果。4.2.1多核间的任务分配为了达到八核并行处理的理想效果，算法处理时每个核必须装载相同的程序，通过核号的判断来让每个核作相应的算法处理。本此项目中弹载SAR成像算法的程序设计就采用了这种方式，同时每个核也做了一些相应的特殊处理。核0就负责了整个弹载SAR实时成像处理的原始数据接收和发送工作，也包括DSP之间的参数和数据传输工作。如图4.3所示，在高速串口SRIO已经准备好的情况下，采集板FPGA将打包好的数据采用的中断方式，传送给DSP的MSMC存储区，核0负责相应Doorbell中断并做完相应的处理，完成数据的积累后通知万方数据 34基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计其他核进行程序处理，最后将处理完成后的数据发送出去。FPGA数据接收核0核1核2核3核4核5核6核7程序处理数据发送图4.3八核的任务分配图4.2.2多核间的同步方式为了达到DSP八核的并行，采用了将数据沿距离向或者方位向均分处理，所有核同时做距离向处理或者方位向处理，但是由于DDR3总线的仲裁和传输带宽的限制，每个核完成同一段处理的时间并不是一样的。在八核做弹载SAR实时成像处理时，必须做好八核之间的同步问题，即在做方位向处理时，八核必须都做完距离向的处理，我们采用了硬件信号量机制进行同步。信号量的应用，主要包括以下三个函数：CSL_semAcquireDirect(Uint8semNum)CSL_semReleaseSemaphore(Uint8semNum)CSL_semIsFree(Uint8semNum)作用分别为信号量的获取、释放以及判断信号量是否被获取，信号量号为0到31，可以用这3个函数来控制各个核之间的程序执行和数据处理。下面的两段程序都是用来判断八核是否全都执行完成，分别是通过信号量的获取和释放来完成的，在DSPC6678中必须间隔来使用。信号量获取来判断：CSL_semAcquireDirect(coreNum+1);do{}while((CSL_semIsFree(1)|CSL_semIsFree(2)|CSL_semIsFree(3)|CSL_semIsFree(4)|CSL_semIsFree(5)|CSL_semIsFree(6)|CSL_semIsFree(7)|CSL_semIsFree(8)));信号量释放来判断：CSL_semReleaseSemaphore(coreNum+1);do{}while(!(CSL_semIsFree(1)&CSL_semIsFree(2)&CSL_semIsFree(3)&CSL_semI万方数据 第四章基于多DSP的弹载SAR实时成像处理设计35sFree(4)&CSL_semIsFree(5)&CSL_semIsFree(6)&CSL_semIsFree(7)&CSL_semIsFree(8)));如果程序中用到的信号量过多，必须设计好整个信号量使用的结构，否则会造成高速串口的冲突，DSP无法接收到它所需要的整块数据。还有一点需要注意，如果用信号量做控制时，必须信号量判断完成后，重新获取或者重新释放该信号量，这样才能保证整个控制流程不会出现错误。4.3弹载SAR实时成像处理算法流程调频率估计原始数据方位FFT方距离FFT位方位高次相位向距距离脉压补偿因子非离参考函数线脉性压变距离IFFT方位高阶非线性标变标因子数据截取方位IFFT多普勒中心估计方位剩余高次相位补偿因子走距离FFTSP动EC校走动校AN正方位Deramp因子处正因子理方位FFT距离IFFT后多普勒中心搬移处方位FFT理距离FFT多视处理弯曲校弯曲校正因正子输出图像距离IFFT方位IFFT图4.4弹载SAR实时成像处理算法流程图如图4.4所示，为整个弹载SAR成像处理算法的流程图。原始数据为在FPGA中做完DDC后的图像数据，首先在距离向频域完成距离脉压，此时数据块在时域且被截取，对其做多普勒中心估计、接着进行距离向的FFT、走动校正因子相乘、万方数据 36基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计IFFT，然后进行方位向FFT、距离向FFT、弯曲校正因子相乘、距离向IFFT和方位向IFFT，这样就完成了整个距离向处理。随后对经过距离向的数据进行多普勒调频率估计，通过多普勒调频率得到径向加速度参数。再者是方位向处理，操作是对加速度信息进行曲线拟拟合，构造出相位补偿函数，进行方位向的FFT、高次相位因子和高阶非线性变标因子的相乘、IFFT、剩余高次相位补偿因子和Deramp因子的相乘、FFT，这样整个方位向的处理就完成了。通常为了使图像清晰，还需要做多视处理、几何形变校正，最后对数据做量化处理。尤其关键的是方位脉压和多普勒中心搬移，涉及到高次相位的补偿和变标因子的处理等。具体的程序处理必须考虑到弹载参数和弹道等问题，这也是整个成像算法的关键所在。4.4弹载SAR实时成像算法的软件实现DSPC6678的编译器拥有强大的编译能力，能够快速高效地将C代码转成为汇编代码。在DSPC6678实现整个弹载SAR成像算法,就必须依靠其强大的编译能力，建立起实现整个算法所需的DSP底层库函数，同时也需要实现弹载SAR成像数据在DSP内部和DSP与FPGA、DSP之间的通信工作。4.4.1DSP底层库函数的建立所谓的底层库函数，指的是用来对数据向量进行四则运算的子函数，有些是TI自带的，绝大部分都是我们编写的，可以实现所要求的功能。前提是必须对汇编指令有一定的了解，充分熟悉并熟练使用汇编指令，还需要熟练应用C代码优化方面知识。C代码优化作为一种程序优化方法，具有简单、高效、快速等特点，在不牺牲性能的条件下，最大程度上节约开发时间，提高开发效率。方法如下所述：1．内嵌函数的使用C6000编译器提供了与C66x指令许多内联函数，可以简单、高效、快速地优化C代码。对于有些程序，用C语言直接编写是很麻烦且效率低。内联函数的使用方法和调用函数是一样的，前面需加下划线“_”。2．对短字长的数据使用宽长度的存储器访问使用一条Load/Store指令能存取多个数据可以提高C6000数据处理速率。例如_add2()、_mpyhl()等与C66x相关的指令，它们操作数以16位数据形式分别存储在32位的高位部分和低位部分。访问一连串短型数据时，可以使用字长的数据格式一次存取两个短整型数据，提高程序指令的执行效率。万方数据 第四章基于多DSP的弹载SAR实时成像处理设计373.软件流水的使用软件流水是一种通过安排循环内的指令运行方式来使循环的多次迭代能够并行执行的一种技术。图4.5软件流水图图4.5中阴影部分称为循环核，核前面执行的过程为循环填充，核后面执行的过程为循环排空。本次项目的底层库函数基本上都是通过内联函数实现的，包括两个复数向量之间的点乘、FFT、IFFT、向量乘以一个常数等，这些内联函数通过开优化，可以使程序的执行时间大幅度的减少，这也是DSPC6678的优势之一，不需要对C6678的汇编语言有太深入的了解，就可以轻松地建立库函数，为上层函数的编写和整个程序的时间测试打下了一定的基础。这里就以复数向量点乘为例，做相关的说明。复数向量点乘程序：voidComplexVectorDotProduct(float*x,float*y,intnx,float*restrictz){inti;doublex0_im_re,y0_im_re,result;doublex1_im_re,y1_im_re,result1;doublex2_im_re,y2_im_re,result2;doublex3_im_re,y3_im_re,result3;_nassert(nx%4==0);_nassert(nx>0);_nassert((int)x%8==0);_nassert((int)y%8==0);万方数据 38基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计for(i=0;i<2*nx;i+=8){x0_im_re=_amemd8((void*)(x+i));y0_im_re=_amemd8((void*)(y+i));x1_im_re=_amemd8((void*)(x+i+2));y1_im_re=_amemd8((void*)(y+i+2));x2_im_re=_amemd8((void*)(x+i+4));y2_im_re=_amemd8((void*)(y+i+4));x3_im_re=_amemd8((void*)(x+i+6));y3_im_re=_amemd8((void*)(y+i+6));result=_complex_mpysp(x0_im_re,y0_im_re);result1=_complex_mpysp(x1_im_re,y1_im_re);result2=_complex_mpysp(x2_im_re,y2_im_re);result3=_complex_mpysp(x3_im_re,y3_im_re);_amemd8((void*)(z+i))=_ftod(_lof(result),-_hif(result));_amemd8((void*)(z+i+2))=_ftod(_lof(result1),-_hif(result1));_amemd8((void*)(z+i+4))=_ftod(_lof(result2),-_hif(result2));_amemd8((void*)(z+i+6))=_ftod(_lof(result3),-_hif(result3));}}程序中用到内联函数有：_amemd8、_complex_mpysp、_ftod、_lof、_hif，优化函数为_nassert，再加上程序使用了循环展开，大大减少了程序的执行时间。如表4.1所示，列举了一些底层库函数的时间统计（主频1GHz），并做出了对比：万方数据 第四章基于多DSP的弹载SAR实时成像处理设计39表4.1一些底层库函数的时间统计周期数1024点8192点函数名称复数向量DSPF_sp_fftSPxSP9,430228,220复数向量DSPF_sp_ifftSPxSP8,553243,039复数向量点乘3,12133,215ComplexVectorDotProduct实数向量查表法求指数11,83527,851floatVectorExp实数向量乘法DSPF_sp_vecmul4,6326,1694.4.2DSPC6678的数据通信整个弹载SAR数据在DSPC6678上的通信包含两个方面：DSP内部的DMA通信和DSP与FPGA、DSP之间的外部数据通信4.4.2.1DMA通信DMA通信可以实现DDR3、MSMC、L2SRAM之间的数据交换，下面是DMA部分的一些简单介绍：voidDMA_transportAB(intChannelNum,float*srcBuff,intsrcIncrement,intAcnt,float*dstBuff,intdstIncrement,intBcnt)ChannelNum为DMA通道号，可以设置0至63srcBuff为数据传输的源地址srcIncrement为源地址中两次传输数据之间的地址跳变（字节数）Acnt为每次传输数据的个数（字节数）dstBuff为数据传输的目的地址dstIncrement为目的地址中两次存储数据之间的地址跳变（字节数）Bcnt为传输数据的次数除了上面的传输函数外，还包括DMA通道初始化、关闭DMA通道和判断DMA是否传输完成。这些函数已经编写成子函数，验证通过，至于子函数中一些寄存器的控制和修改，需要对DMA底层控制和配置函数有充分的了解。表4.2是DMA在不同的存储空间之间数据传输的时间统计（1024个32位浮万方数据 40基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计点型数据）（主频1GHz）表4.2DMA在不同的存储空间之间数据传输的时间统计时间统计DDRL2SRAMMSMC存储空间DDR624716623L2SRAM714787715MSMC621715622这样，整个成像算法的各个模块基本上就可以完成了，接下来的工作就是各个模块的功能验证以及执行时间统计，最后需要将整个程序组合到一起，必须控制好整个流程让整个程序完整地跑下来。4.4.2.2DSP与FPGA、DSP之间的通信整个弹载算法涉及到DSP之间以及和FPGA之间的数据通信，因此有必要搞清楚如何通过DSPC6678的SRIO、Hyperlink、GPIO接口来传输和控制数据，如图4.6所示DSPC6678拥有4通道SRIO接口，可配置成1x、2x、4x三种模式，可以实现与其他拥有SRIO接口的器件的互联，其内部的SRIO接口是一个独立的从模块但又可以在DSP内部作为一个主模块。具体意思是外部器件可以把数据写入DSP而不需要给CPU产生中断和依赖DSP的EDMA。这样的好处减少了中断的设计需求、减少了握手信号的使用和对EDMA资源的节省。Hyperlink是TI特有的外设接口，不存在行业标准，Hyperlink为两片DSP之间提供一种高速、低延迟，引脚数少的通信连接接口。Hyperlink的设计速度最高速率支持12.5Gbps，目前在大部分的Key-StoneDSPs上,由于受限于SerDes和板级布线，速度接近为10Gbps。Hyperlink作为高速、低延迟点的通信接口，再加上其拥有基于SerDes的差分信号作为数据信号，可以采用1通道或4通道模式传输数据包，每个通道传输速率为12.5GBaud。GPIO外设提供了专用通用引脚，可以将其配置为输入或输出。当配置为输出，你可以写入到一个内部寄存器来控制输出引脚状态，当配置为输入，你可以通过读取内部寄存器的状态来检测输入状态。此外，GPIO外设可以在不同的中断/事件生成模式中产生CPU中断和EDMA事件。GPIO引脚可以用作通用输入或者输出一旦使能GPIO使能寄存器（GPEN）。万方数据 第四章基于多DSP的弹载SAR实时成像处理设计41您可以通过GPIO方向寄存器（GPDIR）单独配置每个GPIO引脚作为输入或输出。当配置为输出（GPXDIR位=1），在GPIO寄存器GPXVAL位的值（GPVAL）被设置，与相应GPN引脚相对应。当配置为输入（GPXDIR位=0）时，输入的状态可从相应的GPXVAL位读取。上面是三个接口性能和应用的简单介绍，下面是对应函数的介绍由于本项目的Hyperlink接口只是辅助接口，每通道传输速率达不到为12.5GBaud，故两片DSP之间的数据传输是通过SRIO接口来完成的。GPIO对应的函数：gpioSetDir(UINT8bankId,UINT8pinId,UINT8inOrOut);gpioSetPinState(UINT8bankId,UINT8pinId,UINT8pinState);gpioGetPinState(UINT8bankId,UINT8pinId,UINT8*pinState);gpioIntBankEnable(UINT8bankId,BOOLenable);GPIO作用是通过拉高对应引脚信号控制FPGA给两片DSP发送数据。SRIO对应的功能函数：voidtest_rapidio_init(UINT16srcId)voidtest_rapidio_send(UINT16srcId,UINT16dstID,float*srcAddr,float*dstAddr,UINT32txLen,UINT32cnt)test_rapidio_init主要是来初始化SRIO引脚，四片DSP对应的Id分别为0x10、0x20、0x30、0x40，FPGA对应的Id为0x11。test_rapidio_send是数据传输函数，srcAddr为srcId对应的发送数据地址，dstAddr为dstID对应的接受数据地址，txLen为一次传输数据的个数，最大可以达到1MB,cnt为接受的次数，数据传输完成后会相应doorbell中断。例如：test_rapidio_send((UINT16)0x30,(UINT16)0x20,data2,(float*)0x90000000,1024,1024/4);这个函数的功能是第三片DSP从data2对应的地址发送数据给FPGA，接收数据的地址为0x90000000，数据大小为1MB。万方数据 42基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计GPIOJTAGGPIOEMIFDDR31GBUARTMAX3232EEAEGPIOTMS320C6678I2CGPIO（0#master）GPIO*4Flash128MBSRIOGPIOMDC/MDIOGPIOSGMIILCMXO2280C-SPI3FTN324I_0AD9516HyperlinkJTAGEMIFXC5VSX95TDDR31GBSRIOTMS320C6678GPIOGPIOMDC/MDIOX16（1#slave）GPIOSGMIIFlash128MBGPIO*4SRIOX4*1I2CJTAGX4*4DDR31GBSRIO80HCPS1848TMS320C6678SRIOGPIOMDC/MDIO（2#slave）GPIOSGMIIFlash128MBGPIO*4HyperlinkDDR31GBJTAGGPIOSRIOMDC/MDIOTMS320C6678*4GPIOMDC/MDIO（3#slave）SGMII88E1145Flash128MBSGMII*4GPIO*4图4.6信号处理机具体架构图4.5弹载SAR实时成像处理方案设计本项目主要是基于多DSP的弹载SAR实时成像处理设计，针对弹载SAR信号数据量大、处理过程复杂的特点，采用基于FPGA+多DSP架构的信号处理板卡进行实时成像处理，具有极强的信号处理能力，因此必须合理地分配SAR成像算法成像程序，并结合TIDSPC6678的处理性能，确定出整个弹载SAR实时成像的方案。4.5.1方案设计的总体结构通过对TIDSPC6678底层库函数以及各个模块时间的统计，并结合弹载SAR成像算法以及整个算法时间要求，方案设计为采用两片C6678DSP进行实时成像处理。因此，必须合理分配两片DSP的处理任务，还需要考虑两片DSP之间的数据交换问题。万方数据 第四章基于多DSP的弹载SAR实时成像处理设计43采集板数据输入SRIO+GPIO前2048列后2048列1024*2048DSP1HyperlinkDSP21024*2048DSP1图像量化数据输出SRIO图4.7方案设计的总体结构如图4.7所示，采集板中FPGA首先完成DDC和数据打包工作，等待DSP中的GPIO信号拉高，表示高速串口SRIO已经准备好，于是将打包后的数据通过SRIO总线，采用Doorbell的中断方式，传给DSP的MSMC存储区。DSP接收完数据后响应Doorbell中断，在中断服务子程序中将标志位置1。接下来就是数据的预处理和储存工作，处理板采用两片DSPC6678完成成像处理，每片DSPC6678接收2048个脉冲。每片DSP采用0核接收数据包头和数据，在主函数中判断标志位，置1时提取数据包头信息，然后开始距离脉冲压缩处理，每个脉冲脉压后的数据截取中间的1024点，最后将数据搬移到DDR3中，并记录收取的回波数，此时必须将标志位置0，为接收下个脉冲数据做准备。在此期间，其他核必须等待核0接收处理完成数据，采用采用信号量控制！选择上面的方式接收数据，必须保证一个脉冲的距离压缩时间在一个重频对应时间内。为了充分发挥DSPC66788核的处理能力，这里每个模块的成像处理采用了将输入数据分为8块，8核并行处理对应的每一块数据，处理完成后将数据传输的DDR3。这里需要注意的一点是在八核做完整个模块的处理后，对提取出来的参数信息或者保留出来为后续处理使用的数据时，一定要注意缓存的一致性，确保每个数据都写到它对应的实际物理地址。如果需要产生一些参数信息用作八核的算法处理，只需要用其中的一个核去做就可以了，但必须保证整个参数信息或者数组万方数据 44基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计在共享内存中，注意它们的缓存一致性问题。处理板的工作：多普勒中心估计、距离走动和多普勒中心补偿加弯曲校正、多普勒调频率估计、参数拟合、方位运动补偿和方位脉压加多视处理、几何形变校正，最后对整块数据做量化处理，如图4.8所示。DSP1数据距离向连续DSP2多普勒中心估计1024*2048多普勒中心估计fdc1fdc2求均值Hyperlink距离走动校正、多普距离走动校正、多普1024*2048勒中心补偿勒中心补偿距离弯曲校正1024*2048距离弯曲校正数据交换Hyperlink数据方位向连续数据转置、合成为4096*1024多普勒调频率估计子块数据为2048*1024，步进补偿函数交换512，共估计5个调频率Hyperlink距离向分块距离向分块运动补偿、方位脉压、几运动补偿、方位脉压、几4096*512何形变校正、多视处理何形变校正、多视处理数据交换Hyperlink图像量化图像输出图4.8方案设计的具体流程图4.5.2距离向处理设计首先，每片DSP接收到2048个脉冲后，对整个数据块（1024*2048）进行多万方数据 第四章基于多DSP的弹载SAR实时成像处理设计45普勒中心估计，每个距离向选择中间的256点，采用相关法求多普勒中心。为了得到准确的多普勒中心值，如图4.7所示，两片DSP需要通过Hyperlink接口互传多普勒中心参数，之后求均值。接下来DSP对数据块（1024*2048）进行距离走动校正和多普勒中心补偿。这里需要着重说明距离走动校正参数和弯曲校正参数必须沿整个方位向点数产生（4096点），可在距离走动和弯曲校正之前完成。这里需要注意的是第2片DSP距离走动校正参数和弯曲校正参数的起始地址，必须偏移2048，才能得到正确的参数信息。每片C6678都采用8核进行成像算法处理，采用信号量控制，等8核做完距离走动校正和多普勒中心补偿后开始距离弯曲校正。因为距离弯曲校正涉及方位数据连续问题，为了实现连续存储，故这个模块采用如下方式进行处理，如图4.9所示。矩阵转置FFT矩阵转置RCM_correction矩阵转置IFFT图4.9距离弯曲校正流程图距离弯曲前的数据是距离向连续，故先将数据块（1024*2048）转置成方位向连续，再做完傅里叶变换FFT后通过矩阵转置成距离向连续，然后在频域做弯曲校正，此时数据依然是距离向连续，再通过矩阵转置成方位向连续，然后做逆傅里叶变换IFFT。下面将进行方位向处理，因此不需要再做矩阵装置。此时DSP1和DSP2的数据块大小为8MB（2048*1024）,为了对整个数据块做万方数据 46基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计方位向处理，两片DSP通过Hyperlink将数据块相互传递，但数据并不是整个方位向连续，因此做方位向处理是必须从不同的地址取出数据，保障处理时数据在整个方位向连续，或者先将两个数据块转换成整个方位向连续，然后再做方位向处理。4.5.3方位向处理设计数据传输完成后，在DSP1中对数据进行多普勒调频率估计，选择的数据子块的大小为8MB（2048*1024）,此时数据时方位向连续，距离向只选取中间的256点，即数据块大小为2MB（2048*256），这样就得到了一个调频率。将数据块沿方位向每步进512点做一次多普勒调频率估计，这样整个数据块（4096*1024）就可以得到5个调频率，如图4.10所示。204820481024256512512图4.10多普勒调频率估计图DSP1求出多普勒调频率估计后，可算出对应的加速度，即5个加速度，然后通过三次样条插值得到方位运动补偿的匹配函数，然后通过Hyperlink将运动补偿函数数据传送给DSP2，两片DSP开始进行方位向的处理。此时每片DSP的数据块大小为16MB（4096*1024），两片DSP分别处理前后各512列数据，即每片DSP做方位向处理的数据块大小为8MB（4096*512），。方位向处理包括方为运动补偿、方位脉冲压缩、几何形变校正和多视处理，每片DSP同样采用8核处理。此时需要特别注意处理时的入口地址以及处理程序中与距离向点数有关的数组，必须与DSP以及核号对应起来。做完成像处理后，DSP2将处理完成的数据通过Hyperlink传输给DSP1，在DSP1中完成图像量化和数据打包，然后通过SRIO总线将数据送给FPGA。采集板FPGA接收完数据后会相应中断，将下一幅图像数据加包头传输给DSP。万方数据 第四章基于多DSP的弹载SAR实时成像处理设计474.5弹载SAR实时成像处理调试结果弹载SAR实时成像处理调试包含实时成像处理的时间调试、整个信号处理板流程的调试以及实时成像结果的验证。4.5.1实时成像处理时间统计调试各个模块的过程中，还需要注意cache一致性的问题，保证数据能准确读写到变量对应的实际地址空间。表4.3是各个模块的时间统计（开底层O3优化）：表4.3各个模块的时间统计成像算法名称(距离*方位)周期数（主频1GHz）距离脉冲压缩（2048*1）61,671多普勒中心估计（256*2048）923,294距离走动校正（1024*2048）11,001,972距离弯曲校正（1024*2048）37,211,094多普勒调频率估计（256*2048）(5次)9,490,100方位运动补偿、多视处理、几何形变校正214,466,005(1024*4096)4.5.2实时成像处理调试方案4片DSPC6678与FPGA之间的接口以及交换芯片的应用，为整个信号处理机的通信提供了便捷的通道。整个系统的调试分为两种方案：AD模式和验证模式，成像处理采用其中的两片DSP(DSP2、DSP3)。AD模式下的调试主要是验证整个系统的流程是否流畅，可以连续地处理多幅图像。具体过程是AD采集完成的数据通过C6455的控制由FPGA发送给两片进行成像处理的DSP，等DSP处理完图像数据后，通过SRIO将打包好的数据传输给DSP1，DSP1通过网口将图像数据传送给界面。验证模式下的调试主要是验证整个成像算法的准确效果。具体步骤为界面通过网口发送数据加包头信息给DSP1，DSP1通过SRIO将数据传输给FPGA，中间通过交换芯片，并且用C6455做控制，将仿真数据传输给做成像处理的两片DSP，等DSP处理完图像数据后，通过SRIO将打包好的数据传输给DSP1，最后DSP1通万方数据 48基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计过网口将图像数据传送给界面，验证图像是否正确，如图4.11所示。验证模式界面网口+GPIOSRIODSP1DSP2SRIOSRIOSRIOFPGA+6455SRIODSP3图4.11验证模式流程图4.5.3实时成像处理结果采用本文算法对某机载实测数据进行处理，雷达系统工作在Ku波段，斜视角0度为60，图4.12为实测数据成像结果，地面场景聚焦效果良好，验证了本文算法的有效性。图4.12机载大斜视60度子孔径实时成像图万方数据 第五章结束语49第五章结束语5.1工作总结伴随着SAR成像技术的发展，将SAR和精确制导融合在一起的SAR已经成为近年来研究的热点问题。针对弹载SAR成像数据量大、处理过程复杂和实时成像要求高的特点，采用基于FPGA+多片DSP的架构进行实时成像处理已经成为实现弹载SAR实时成像处理技术的最基本的选择，也正是DSP强大的运算和处理能力以及简单易懂、便于实用的优势所在。本论文研究了基于TIDSPC6678的非线性CS算法的大斜视弹载SAR实时成像算法，介绍了SAR成像的基本原理，叙述了大斜视SAR全孔径成像算法的原理，并对本文研究过程中所采用的弹载SAR大斜视子孔径快视成像算法的原理进行了介绍和分析。然后介绍了TI多核DSPTMS320C6678，包括DSPC6678的CPU、多核间的通信以及中断，详细介绍了DSPC6678接口的通信相关方面的问题，充分展示了DSPC6678在性能和处理方面的巨大优势。接着重点介绍了基于多DSP的弹载SAR实时成像处理设计，包括信号处理板卡地简介、特点和多核DSPC6678程序设计方面的问题以及整个弹载SAR实时成像的算法流程，接着重点介绍了弹载SAR实时成像算法的软件实现以及整个实时成像处理方案的设计，最后展示了弹载SAR实时成像处理的调试结果，其中弹载SAR实时成像算法的软件实现包括成像算法的实现和DSP与FPGA、DSP之间的数据通信。DSPC6678充分发挥了其汇编语言特性以及强大的汇编和C优化指令，再加上其8核处理性能，大大减少了底层函数以及成像模块的执行时间。数据通信部分用到SRIO、Hyperlink和GPIO，SRIO传输速率为每条通道3.1255GBaud，总共有4条通道,Hyperlink传输速率是每通道可以达到12.5GBaud。本论文从SAR实时成像处理的要求方面入手，学习和研究了弹载SAR实时成像算法，成功地在硬件板卡上实现了弹载SAR实时成像处理，获得了聚焦效果良好的成像结果。5.2展望弹载SAR由于其在军事领域广泛的实用性，已经成为这几年中国军工企业或者研究所研究的热点之一，这也是SAR成像技术的快速发展的体现之一。万方数据 50基于TIDSPC6678的弹载SAR实时成像处理设计对于实时信号处理系统而言，处理大数据量和满足系统的实时性已经成为现在雷达系统的基本要求。我们常用的首选处理方案是采用FPGA+多DSP的信号处理机结构，这也是最基本的处理方案之一。TI公司最近几年新推出的TMS320C6678在实时信号处理领域的引起了大的轰动，由于它设计上具有的的多核结构，差不多已经替代了传统的DSP，例如TS201，再加上其系统上具有的多核多层片以及可以将操作系统bios应用于实时信号处理方面，这大大方便和简化传统的DSP所需的任务与资源的分配。但是目前，由于本人对TMS320C6678如何将操作系统bios应用到DSP中了解还不是很全面，在任务与资源的分配方面仍需要做更加深入的研究。也许随着DSP技术的快速发展，将来也会出现超于TMS320C6678的DSP新的技术，更加满足未来军事的发展。由于本人在科研方面的知识和能力的有限，再加上本次项目内容的局限性，没有对DSPC6678有更加深入的认识，自身知识还有需要进一步增强。论文中的不妥或错误之处希望老师和同学多多提出意见。万方数据 致谢51致谢时光飞逝，两年半的研究生生活就要结束了。回首这段时光，充实而又快乐，每一步的成长都离不开老师们辛勤的指导、同学们的热情帮助以及家人的支持，在此，我向他们致以最诚挚的感谢！本论文是在导师邢孟道教授悉心指导下完成的，邢老师科学的工作学习和严谨的治学态度方法使我收获颇丰，对我的成长产生了及其深刻的影响，在以后的工作学习生活中，我会继续以邢老师为榜样继续努力，争取更大的成就，在此向邢老师表示衷心地感谢。梁毅老师悉心的指导帮助我完成了实验室所安排的科研课题，除此之外，他在生活工作学习上也都给予了我极大的鼓励和帮助，在此向梁老师表示衷心的谢意。感谢同课题组的王虹现老师、全英汇老师、唐禹老师、周峰老师和李亚超老师，在我的学习生活和科研工作中，他们都给予了我无私的指导和帮助，在论文撰写和科研工作中提出了许多宝贵的意见，在此对他们表示衷心的感谢。感谢实验室程荣刚老师、陈瑞林老师、刘华锐老师、李兰老师、詹志伟老师、刘茂仓老师、白洁等老师给予我的支持，感谢雷达信号处理国防科技重点实验室提供的良好的工作学习环境。在实验室工作和论文撰写期间，李震宇师弟、刘东洋师弟、刘士杰师弟、杜凡师弟、方午梅师妹、李乐师弟、李志华师妹、牟士旭师弟、王金龙师弟、宋亚坪师弟、肖川江师弟、陈露露师妹等人对我论文中的研究工作给予了热情的帮助，在此向他们表示我的感激之情。感谢和我同一级的胡功胜、谭高伟、周瑞雨、何振、钱宏博、崔俊鹏、姚鑫东、江海平、陈杰等。和他们在一起工作学习，使我受益匪浅。感谢张升、曾乐天、李学仕、徐刚、杨泽民、黄大荣、赵博、李浩林等博士生，感谢李蓓蕾、陈皓、李艳红、周换、樊超、黄兴、杨桓、曾晓晓、张亢等师兄师姐，非常留恋和他们一起工作学习的美好时光。深深地感谢我的父亲、母亲和奶奶！感谢他们对我的抚养和教育之情！他们是我的第一任老师，是他们教会了我做人的道理，是他们教会了我如何勇敢的面对挫折和困难。衷心感谢在百忙中抽出时间来审阅论文、参加答辩并给予我批评指正的各位专家和学者。最后，谢谢所有关心与帮助过我的亲人和朋友们，希望他们永远平安快乐，健康幸福！万方数据 参考文献53参考文献[1]保铮，邢孟道，王彤，雷达成像技术[M]，北京：电子工业出版社，2005.4：124-227[2]J.C.Kirk,“DigitalSyntheticApertureRadarTechnology”.IEEEInternationalRadarConference,1975,pp.120-123[3]张直中，机载和星载合成孔径雷达导论[M]，北京：电子工业出版社，2004:20-136[4]原涛.弹载SAR实时成像信号处理机设计.西安电子科技大学硕士毕业论文.2013：1-2.[5]邢孟道，基于实测数据的雷达成像方法研究[D]，西安电子科技大学博士论文，2002：2-13[6]李蓓蕾，基于多DSP的雷达实时成像处理技术[D]，西安电子科技大学硕士论文，2013：43-49[7]樊超，基于多核DSPTMS320C6678的FMCWSAR成像，西安电子科技大学硕士论文，2013：13-54[8]张欢，基于实测数据的斜视SAR成像算法研究，西安电子科技大学硕士论文，2006:14-35[9]C.W.Sherwin,J.P.Ruina,R.D.Rawcliffe,Someearlydevelopmentsinsyntheticapertureradarsystems,IRETrans.Onmilitaryelectronics,1962,Vol.6,No.2,pp.111-115[10]J.J.Kovaly,Highresolutionradarfundamentals,InEli-Broakner,RadarTechnology,Dedham.Mass,ArtechHouse,1977,pp.385-402[11]苏涛，何学辉，吕林夏.实时信号处理系统设计[M].西安电子科技大学出版社.2006.5.[12]L.J.Cutronaetal.“AComparsionofTechniqueforAchievingFineAzimuthResolutin”,IRE,Vol.MIL-6,No.2,April1962,pp.129-131.[13]刘书明，罗勇江，ADSPTS20XS系列DSP原理与应用设计[M]，电子工业出版社，2006:5-9[14]黄源宝,保铮.基于多普勒调频率的机载条带SAR运动补偿.现代雷达.March2006.Vol.28No.3.[15]D.O.North,“AnAnalysisoftheFactorswhichDetermineSignal-NoiseDiscriminationinPulsedCarrierSystems”,RCALab.Rept.,PTR-6C,June1943,万方数据 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