基于FPGA的CORBA通信系統(tǒng)設計方案

0 引言

自1992年Jeo Mitola中提出了軟件無線電(Software Defined Radio，SDR)的概念以來，有許多公司和團體致力于SDR的研究和開發(fā)，并取得了一定成果。但由于沒有統(tǒng)一的標準，各研發(fā)單位采用各自不同的解決方案和實現架構，從而導致了不同制造商的SDR波形組件相互不兼容，難以實現互連、互通、互操作，不能進行有效的協(xié)同工作，而且也不容易實現重配置。為了解決這些問題，美軍JTRS(Joint Tactical Radio System)JPEO(Joint Program Executive Office)制定了軟件通信體系架構(Soltware CommLmication Arehitecture，SCA)規(guī)范，用以實現不同波形組件間的可移植性，以降低開發(fā)費用、縮短開發(fā)時間。SCA基于POSIX、CORBA(Common Obiect Request Broker Architecture)和面向對象等技術，提高了SDR的互操作性以及波形組件的可移植性和可重用性，并獲得了GPP(General Purpose Processor)的良好支持，使基于SCA的SDR在GPP上能夠很好地實現。

隨著對無線通信帶寬、速率等提出的更高要求，GPP受工作方式、處理能力的限制，難以滿足這些要求，這就需要FPGA(Field Program-mable Gate Array)的加入來實現波形組件的并行處理和高速運算等功能。雖然SCA為GPP上的波形組件提供了很好的可移植性和可重用性，但目前還沒有一個標準能夠為FPGA上的波形組件提供這種支持。為了實現FPGA上波形組件的可移植性和可重用性，一些方案是在GPP上實現FPGA上波形組件的代理，其中比較典型的是JTRS JPEO提出的MHAL(Modem Hardware Abstraction Layer)，同時，也有部分公司或團體提出了直接在FPGA上實現CORBA的方案。本文將在分析MHAL和現存的CORBA方案優(yōu)缺點的基礎上，提出一種在FPGA上實現CORBA的改進設計方案，并對該方案進行了測試驗證。

1 技術介紹

1．1 CORBA簡介

CORBA中間件標準是SCA必需的中間件層，它為SDR系統(tǒng)提供所需的通信架構。CORBA位于應用程序和操作系統(tǒng)之間，屏蔽了不同平臺、操作系統(tǒng)、網絡協(xié)議等的差別，為開發(fā)者提供了一致的調用模式。通過CORBA，應用組件可以獲得良好的可移植性、可重用性和互操作性。

ORB(Object ReqLtest Broker)是CORBA的核心，其任務是幫助客戶調用對象上的方法，包括：定位對象、激活對象、把客戶的請求傳遞給對象。ORB能夠屏蔽與底層平臺有關的細節(jié)，保證了信息在分布式環(huán)境中不同平臺上的應用組件間透明地傳輸。為了使由不同開發(fā)者開發(fā)的實現之間能相互通信，CORBA規(guī)范定義了GIOP(General Inter-ORB Protocol)協(xié)議標準，能夠在任何具有連接的傳輸層上實現。

1．2 SCA簡介

SCA是美軍在JTRS中制定的軟件通信架構標準，是JTRS的主干。SCA通過面向對象方法劃分軟件／硬件結構，建立了開放的系統(tǒng)標準，提供了與具體實現無關的軟件無線電開發(fā)框架，保證了軟、硬件的可移植、可重構及設備的互操作性。SCA規(guī)范包含軟件體系結構定義、硬件體系結構定義、安全體系結構定義和應用程序接口(API)四部分。

通過SCA所定義的分布式構件規(guī)范，可將應用與操作環(huán)境分離，同時使應用功能模塊化，并為管理和使用軟件構件定義了通用接口，通用業(yè)務和API以支持軟／硬件模塊移植。

2 現有實現方案分析

GPP處理器受其處理能力的限制，無法滿足當前通信業(yè)務需求，使通信設備越來越多地依靠DSP(Digital Signal Processor)、FPGA等專用處理器來完成高速的數據處理任務，這就使SDR系統(tǒng)的設計和實現必須面對由GPP，DSP和FPGA共同組成的多處理器平臺。雖然通過使用COR BA中間件技術可以很容易地實現分布式波形應用，但由于CORBA標準是針對GPP的，在DSP，FPGA等處理器上沒有相應的標準可用。這導致SCA ／SDR的研究焦點分別集中在應用程序接口(API)和商用中間件上，使SCA／SDR的設計和實現出現了兩種主要模式：使用使用硬件抽象層(如MHAL)和使用分布式中間件技術(如CORBA)。

2．1 使用MHAL方式實現的SCA／SDR系統(tǒng)

MHAL是JTRS JPEO提出的一種基于硬件抽象層的解決方案。其實現方法是通過在核心框架與FPGA之間加入代理，并明確規(guī)范代理與FPGA之間的數據格式來實現FPGA在SCA中的應用的。圖1是以MHAL方式實現的分布式SCA／SDR系統(tǒng)布局結構示意圖。這種方式下，GPP需要為FPGA上的每個波形組件實現一個代理，以實現分布式波形組件間的通信。通過使用代理，系統(tǒng)可以將FPGA上的波形組件當作GPP上的波形組件一樣處理，這樣就可以實現對FPGA上波形組件的靈活、高效的管理和使用。

在FPGA上實現的MHAL波形組件并通過接收帶參數的操作來調用波形組件所實現的功能，雖然這樣的實現方式對于FPGA開發(fā)人員而言，可以減小編寫波形組代碼的難度，但對于GPP開發(fā)人員來說，卻要在GPP上為每個FPGA上的波形組件實現一個組件代理，大大增加了開發(fā)的負擔。而且這這種實現方式也必然會相應地增加GPP的運行負擔以及內存資源占用，同時，在進行GPP上的波形組件與FPGA上的波形組件問通信時，必須要經過組件代理的處理，實現GIOP報文與MHAL報文格式的轉換，這也就必然會給整個通信過程引入一定的延遲的增加、吞吐量的降低和低層次的重用。

而且，在以MHAL方式實現的SCA／SDR系統(tǒng)中，開發(fā)者需要在GPP上設計實現適配器來完成GIOP報文和MHAL報文的轉換，以便使用CORBA機制的波形組件和使用MHAL機制的波形組件間的通信。但對于適配器的實現，目前還沒有統(tǒng)一的標準，而且，MHAL也不是一個針對通用市場的可用標準，它受到ITARS(International Traffic in Arins Regulations)限制，其實現細節(jié)并不公開，且MHAL報文結構的細節(jié)并不足以完成波形組件的實際需要，從而必然會導致不同的MHAL實現方式，且彼此間相互不兼容，這也必然會破壞MHAL波形組件的可移植性和可重用性。

2．2 使用CORBA方式實現的SCA／SDR系統(tǒng)

由于GPP上的波形組件是使用CORBA實現的，所以只要將CORBA擴展到DSP和FPGA上，就能夠很容易地實現布署在各種類型處理器上的波形組件間的通信。圖2是以CORBA方式實現的分布式SCA／SDR系統(tǒng)布局結構示意圖。在以CORBA方式實現的SCA／SDR系統(tǒng)中，GPP保持原有狀態(tài)即可，而DSP和FPGA上的ORB負責完成CORBA報文的處理。這使系統(tǒng)中所有波形組件使用CORBA中間件進行通信，而不需要在GPP上實現代理，不僅減輕了GPP的運行負擔以及內存資源占用，而且系統(tǒng)中波形組件間的通信不再需要通過代理的轉換，從而也就降低了通信時延，提高了通信效率。

同時，CORBA為不同類型的處理器提供統(tǒng)一的通信架構，使任何組件都能夠以簡單的函數調用方式獲得分布于系統(tǒng)中的其他組件的服務。軟件客戶端和硬件服務程序之間由此變得連接無縫、快速并且使用較少的系統(tǒng)資源。與MHAL實現方式相比，該架構提供了波形組件的移動性和位置透明性，使得在同一處理器與在遠程處理器中調用對象相比沒有什么差別，使設計人員可以很容易地將波形組件從一個處理器中轉移到另一個處理器中。這意味著，設計人員一開始可以在他們的工作站上構建SDR，然后很容易地將部件一塊塊轉移到GPP、DSP和FPGA上，來優(yōu)化系統(tǒng)總性能。