基于G4平台的嵌入式VxWorks系统在雷达信号处理中的应用

引　言

在雷达系统的数字信号处理中，其主要特点是数据流量大、运算量大和处理的实时性，单片高性能的DSP芯片也不能满足处理要求，必须采用多DSP板作为数字信号处理平台。开发复杂的多DSP板硬件平台需要投入大量的人力而且开发风险较大，购买专业公司开发的稳定、可靠的通用数字信号处理平台是数字信号处理领域发展的趋势。设计人员只需致力于信号处理算法的研究，利用高级语言编写算法软件来完成系统要求，从开发复杂的硬件平台中解脱出来，降低了整个信号处理系统的开发风险，缩短了开发周期。本文介绍一种通用的G4数字信号处理硬件平台，该平台选用基于抢占式多任务VxWorks实时操作系统作为平台的操作系统，它能管理各种独立任务的执行，每个任务能及时响应外部事件并且能及时处理。它为整个雷达信号处理能实时完成处理提供了很好的系统软件支持。

G4硬件平台的基本结构和特点

G4平台基本结构
G4 DSP功能框图如图1所示。

图1　G4 DSP功能框图

如图1 所示，G4 硬件平台是一块由4 片CPU组成的数字信号处理板， CPU是摩托罗拉公司PowerPC系列MPC7410 RISC的微处理器，处理器支持对称多处理器技术( SMP) ，内核时钟500 MHz，包含多个运算处理单元，支持哈佛结构和指令流水线操作，具有SIMD特点，在一个时钟周期可执行8条指令；集成了128bit AltiVec执行单元，14 GFLOPS数据处理能力，能够快速地完成卷积、FIR 滤波器和FFT等数字信号处理算法；内部总线是60X总线(32位地址总线和64位数据总线) ，100MHz的外围设备总线速度，包含32kbyte一级指令Cache和数据Cache， 支持最高2Mbit的外部L2 CACHE，支持多种内存寻址的内存管理模式。每一个处理器与外围I/O 接口通信通过CPC710 桥的PC I总线实现，处理器间通过64 bit、66MHz Intel 21555非透明PCI桥互联，其峰值带宽为528Mbyte / s。

G4平台的基本特点

G4平台的基本特点为：

(1) 每一节点是独立的， 包含大容量内存SDRAM (256 Mbyte) ， 16 Mbyte FLASH 用于存放系统B IT、用户应用程序和常数表等；
(2)每一节点包含Xilinx 7410XC95144XV PLD中断控制器，节点间可以相互发中断请求和中断回应，用于节点间通讯握手以及板内与板外间的通信握手；
(3) 每一节点包含RS232串口，用于对节点进行软件调试；每一节点都有JTAG接口；节点2 和4提供了64 bit/66MHz PMC (PMC - IEEE P1386. 1) ，它是一种高速的、工业标准的扩展PCI接口，可以用于扩展为图形卡、板间通信卡、高速通信(ATM、ISDN等)卡、多媒体、或用户根据需要进行扩展使用，峰值传输带宽为1 056 Mbyte / s；节点3带有32 bit/33MHz PCI总线，用于板间通信，或作其他扩展使用；
(4) 节点1 提供VME64、100BaseT Ethernet (通过CPC710 上的32 bit/33 MHz PC I总线) ； VME64与板外的进行通信，其峰值带宽为80 Mbyte /s； Ethernet主要用来调试；可以单独或多用户同时对G4DSP板的每一个节点进行调试。
(5)节点间通过PC I桥互联，通过PC I地址映射，每一节点都能“看见”对方的内存，能直接对其
他节点内存进行读写；支持DMA传输，完成点对点的高速数据传输。

G4平台支持的软件

G4平台的软件支持是开放和独立的，不局限于某一种操作系统和某一种信号处理库，为最大限度地保护用户的软件投资并快速上手开发应用程序，有利于算法的开发。

(1) 支持风河公司的VxWorks/VxMP实时操作系统和VSPWorks DSP RTOS虚拟单处理器实时操作系统，开发人员面向单处理器系统编写的源代码，可在任意数量的处理器上执行。VSPWorks会协调好处理器之间的一切通信机制，最多可以支持1 000个处理器；

(2)支持MPI软件公司的VSI/Pro VSIPL和Dy 4Systems公司的IXLibs- AV数字信号处理库，专门针对MPC7410进行优化的数字信号处理算法库，包括FFT、FIR滤波器和图像处理函数等，执行效率高。

(3) 节点间通信可以使用VxWorks实时操作系统中的共享内存组件VxMP。VxMP的数据结构驻留在所有CPU 的共享内存区域，最多支持20个CPU。MPI软件公司的ChaMPIon/RT是一种实时消息传递接口标准，采用时间驱动、事件驱动、优先权驱动编程模式和混合编程模式，并采用了面向对象编程技术，它使MP I/RTAPI更易于使用。也可以使用RadStone公司专门为G4平台开发的消息传递接口RMP，充分利用硬件资源来进行消息传递，是一种低消耗、高效的消息传递方式。它们主要用于不同处理器上不同任务间的通信、同步和互斥，执行效率有所不同，都运行在VxWorks系统的应用层。

VxWorks实时操作系统的优点

VxWorks是美国风河公司推出的一个具有微内核、可裁剪的高性能、强实时操作系统，它主要有以下的优点：

(1)VxWorks具有高度可剪裁的微内核结构，需极少的RAM空间和ROM空间，内核与硬件无关，支持许多种嵌入式芯片，只需开发与硬件有关的BSP包即可，用户可以根据需要对VxWorks直接进行配置和修改；

(2)VxWorks 能快速高效地对多任务进行调度，支持中断驱动的优先级抢占式调度和时间片轮转调度；任务间的通讯快速灵活，任务上下文切换快，切换时间确定；任务的状态可以动态地改变，可以在任意时刻改变任务的优先权、删除任务等；任务也可以禁止由内核调度；中断延迟时间短，延迟时间确定，是微秒级的； VxWorks系统任务和应用程序任务运行在SuperMode模式，系统调用开销小；

(3)VxWorks系统具有很好的稳定性和可靠性，某一任务运行出错，操作系统挂起当前出错的任务，在系统中的其他任务继续执行，并可以恢复出错的任务；

( 4)VxWorks具有灵活方便的I/O系统，驱动程序可以在用户的任务堆栈中运行，用户可以随意地添加设备的驱动程序，既可在VxWorks启动时添加设备的驱动程序，也可在应用程序任务中随时添加和删除设备驱动程序；

(5)VxWorks 支持强大的网络功能，提供了TCP /IP协议、UDP / IP、FTP和TFTP服务器以及远程过程调用RPC等，可以用于宿主机和目标机的调试或其他的网络通信，通过TCP / IP支持多宿主机对同一个目标机进行程序下载、调试，在G4平台上可以配置成同一宿主机对多个CPU进行程序下载、调试；

(6) 提供一个直观的、可视化的、用户可扩充的交叉集成开发环境Tornado；采用c / c + +语言进行开发，提供了高效交叉编译器，编译效率可达90%以上；Tornado IDE通过宿主机上的目标服务器与目标机的目标代理进行通信，可以静态和动态地下载应用程序模块；支持任务级和系统级调试；任务级调试，被调试的任务暂停执行，其他任务继续执行，系统级调试每一个任务都停止执行； Tornado IDE提供了多种纯软件调试工具:WindView (软件逻辑分析仪)可以看到程序在动态运行时发生的情况，如任务的状态、占用CPU的时间等； Browser定时采样工具，把采样后的数据(如任务队列、堆栈、占用内存的大小等)进行分析。Tornado能准确定位开发的应用程序在硬件平台上运行时的错误状态，帮助开发者缩短开发周期；嵌入式VxWorks作为G4硬件平台的操作系统是较好的选择。

在雷达数字信号处理中的应用

雷达数字信号处理主要是通过高速A /D采集雷达正交基带回波信号，然后进行数字脉冲压缩处理、杂波抑制、恒虚警和目标检测，最后把目标信息数据传送给雷达终端进行显示。采用高速A /D采集雷达回波信号，和VxWorks完成大容量数据传输和实时性处理管理，合理划分任务和安排处理时序是成功实现的关键。

基带信号采集