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一种基于平台的SoPC软硬件协同设计与实现

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第一章引言

第二章概述

第三章多约束处理流图模型MCPGM

第四章片内多总线结构SoPC设计

第五章SAR实时成像SoPC算法模拟与并行仿真

第六章基于平台的SAR实时成像SoPC系统

第七章SAR实时成像SoPC因子计算子系统

第八章基于平台的SAR实时成像SoPC系统评测

第九章总结

参考文献

致谢

作者简历

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摘要

合成孔径雷达(Synthetic Apenure Radar，sAR)实时成像是距离向与方位向二维匹配滤波过程，可实现全天时、全天候、大面积对地观察和高分辨率成像，在军事、经济和环境等领域有重要应用价值。SAP,实时成像数据规模大、计算复杂、处理精度要求高，片上可编程系统(system on a Programmable Chip，SOPc)是基于可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)的SoC，是SAR实时成像系统研究的重要方向。平台是一个软硬件集成的结构，基于平台的设计(Platform-Based Design，PBD)是SoPC的重要设计方法，软硬件协同设计(Hardware-Software Co-design)为其核心技术之一。 本文围绕基于Chirp Scaling算法的SAP,实时成像的具体应用，系统地研究了基于平台的SAP,实时成像SoPC的软硬件协同设计与实现，对系统模型、平台设计、算法模拟与原型仿真、系统实现、性能优化以及系统评测等相关内容进行了深入的研究： 结合基于平台的SOPC系统的特点，提出了一种多约束处理流图模型(Multi-Constrain Process Graph Model，MCPGM)。增加了虚拟处理节点，用于描述实际应用中软件和硬件实现之间切换所需的通信开销；增加设计余量约束，提供了面向平台应用的设计余量分析；研究了MCPGM的软硬件划分问题。MCPGM具有较强的平台描述能力，适合基于平台的SoPC系统建模。 设计并实现了一种高性能的片内多总线结构的SoPC(Multi-Bus SoPC，MBSOPC)，应用MBSoPC实现了SAR实时成像。设计实现了高效的异步总线桥，该桥采用高速异步HFO实现了数据快速突发传输。研究了可验证设计(DFV)方法，包括DFV状态机、对关联状态机之间设置状态同步点、设计影子寄存器实现不同存储空间的数据映射。DFV设计有效地验证了基于平台的系统设计，显著降低了验证复杂度，提高了验证效率。MBSoPC支持输入和输出并行，实现了高性能的数字信号处理，具有良好的扩展性。实际测试数据表明，片内三PLB总线结构SoPC，在相同的时钟频率条件下，处理性能是 基于片内三PLB总线结构的SoPC实现了SAIl实时成像Chirp Scaling系统，采用流水线和并行计算技术提高了成像性能。SAR实时成像SOPC系统采用了软硬件协同实现，其中固件实现系统的控制功能，软件完成因子预处理计算，硬件完成实时处理。研究了基于MPI的机群并行算法和性能优化，为SAR实时成像SoPC系统建立了算法设计、系统仿真和成像质量评测体系。详细讨论了SAR实时成像SoPC系统的主要功能单因子计算子系统是SAR实时成像SoPC系统的主要运算单元之一，在因子数值分析基础上，提出了一种适合采用软硬件协同实现的因子改进算法，降低了因子计算的复杂度，设计并实现了高性能的实时计算因子单元。实际运行结果表明，本文所提出的因子计算方法，在计算精度保持不变的前提下，统一了三个不同因子计算流程，显著提高了因子的计算效率。 最后对基于平台的SAR实时成像SoPC系统进行了成像质量和成像速度的系统评测。测试结果表明，SoPC系统成像质量满足应用需求，工作在50MHz时，能在22秒内同时完成两帧16384X16384短整型定点复数数据的SAR成像计算。

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