CN111857669A - 软硬件解耦合软件化雷达系统、实时性设计方法和服务器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种软硬件解耦合的软件化雷达系统、实时性设计方法和服务器，系统包括：硬件层；固件逻辑层，固件逻辑层包括BIOS和BMC平台智能管理，配置为初始化和管理硬件层的设备；基础软件层，基础软件层包括操作系统、底层设备驱动和集成开发环境，配置为与固件逻辑层配合，管理硬件层的设备，并提供基础软件服务；中间件层，中间层包括通信中间件、算法中间件和数据库，配置为使应用程序可以工作在多平台或操作环境，实现分布式异构系统间的互通和互操作；开发接口层，开发接口层包括多种软件开发接口和示例程序，配置为使用平台提供的软硬件资源。通过使用本发明的方案，能够为实现软件与硬件的解耦合提供了可行的解决方案。

Description

软硬件解耦合软件化雷达系统、实时性设计方法和服务器

技术领域

本领域涉及计算机领域，并且更具体地涉及一种软硬件解耦合的软件化雷达系统、实时性设计方法和服务器。

背景技术

雷达目标的多样化、环境的复杂化和任务的多元化等发展趋势，决定了现有的以软硬件平台紧耦合为特点的传统雷达系统已无法满足未来信息化战争的作战要求。

传统雷达系统的有如下特征：软件与硬件紧耦合：软件运行在DSP及FPGA平台上，软件直接操作硬件寄存器及IO。软件开发除了实现上层应用，还需考虑底层硬件细节，软件工作量大、难度高，研制周期长。硬件改动将牵连软件随之改动，系统升级、维护工作量大，功能扩展难以实现。

因此，传统雷达系统急需向软硬件解耦合、功能扩展灵活、系统维护方便的方向发展。同时，随着相控阵雷达等具备多功能、多目标、高数据率、高可靠性和高自适应能力的高性能雷达的广泛应用，对雷达信号和数据处理系统的实时性提出了更高的要求，这给软件化雷达系统带来了新的挑战，因此提高软件化雷达系统的实时性势在必行。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种软硬件解耦合的软件化雷达系统、实时性设计方法和服务器，通过使用本发明的方法，能够为实现软件与硬件的解耦合提供可行的解决方案，同时通过任务切换实时性设计和中断处理实时性设计，有效提升了软件化雷达系统的实时性能，满足对实时性要求较高的应用需求，为软硬件解耦合的软件化雷达系统的实战应用提供了有价值的解决方案。

基于上述目的，本发明的实施例的一个方面提供了一种软硬件解耦合的软件化雷达系统，包括：

硬件层，硬件层包括为软硬件解耦合的软件化雷达提供硬件基础的多种硬件设备；

固件逻辑层，固件逻辑层包括BIOS和BMC平台智能管理，配置为初始化和管理硬件层的设备；

基础软件层，基础软件层包括操作系统、底层设备驱动和集成开发环境，配置为与固件逻辑层配合，管理硬件层的设备，并提供基础软件服务；

中间件层，中间层包括通信中间件、算法中间件和数据库，配置为使应用程序可以工作在多平台或操作环境，实现分布式异构系统间的互通和互操作；

开发接口层，开发接口层包括多种软件开发接口和示例程序，配置为使用平台提供的软硬件资源，降低软件开发难度。

根据本发明的一个实施例，多种硬件设备包括计算模块、存储模块、交换模块、电源模块、后IO模块。

根据本发明的一个实施例，操作系统配置为提供任务管理、存储管理、文件管理、设备管理的系统管理功能，提供多种调度策略，提供中断亲和性、线程亲和性调校功能，提供图形图像管理、网络协议、安全管理和多种实用工具服务。

根据本发明的一个实施例，底层设备驱动配置为支持不同处理平台下的各类接口，各类接口包括40G以太网、RapidIO、千兆以太网、GPIO、VGA及DVI、USB、键盘鼠标、串口、I2C、PCIE高速设备。

根据本发明的一个实施例，集成开发环境配置为提供Eclipse、QT可视化集成开发环境。

根据本发明的一个实施例，通信中间件配置为采用国产通信中间件，屏蔽异构操作系统、硬件架构、网络通信协议的差异，提供统一标准的发布或订阅模型的通信接口。

根据本发明的一个实施例，算法中间件配置为提供针对硬件平台优化的算法库以实现雷达信号与数据处理的矩阵类运算和变换类运算。

根据本发明的一个实施例，数据库配置为提供针对目标、干扰、杂波或特征的数据，提供模板、辐射源特征数据的高吞吐、低延时、高可靠的国产数据库。

本发明的实施例的另一个方面，还提供了一种软硬件解耦合的软件化雷达系统实时性设计方法，该方法包括以下步骤：

将内核层的中断处理程序移植到应用层；

中断处理程序从应用层获得GPIO物理地址对应的虚拟地址指针；

中断处理程序使用虚拟地址指针读写GPIO寄存器信息并控制GPIO中断信号的状态；

优化中断处理程序的调度策略，采用实时抢占式调度策略并提升程序优先级；

将中断处理程序与CPU核进行绑定并设置与CPU的亲和力。

本发明的实施例的另一个方面，还提供了一种服务器，服务器包括上述系统。

本发明具有以下有益技术效果：本发明实施例提供的软硬件解耦合的软件化雷达系统，通过设置硬件层，硬件层包括为软硬件解耦合的软件化雷达提供硬件基础的多种硬件设备；固件逻辑层，固件逻辑层包括BIOS和BMC平台智能管理，配置为初始化和管理硬件层的设备；基础软件层，基础软件层包括操作系统、底层设备驱动和集成开发环境，配置为与固件逻辑层配合，管理硬件层的设备，并提供基础软件服务；中间件层，中间层包括通信中间件、算法中间件和数据库，配置为使应用程序可以工作在多平台或操作环境，实现分布式异构系统间的互通和互操作；开发接口层，开发接口层包括多种软件开发接口和示例程序，配置为使用平台提供的软硬件资源，降低软件开发难度的技术方案，能够为实现软件与硬件的解耦合提供可行的解决方案，同时通过任务切换实时性设计和中断处理实时性设计，有效提升了软件化雷达系统的实时性能，满足对实时性要求较高的应用需求，为软硬件解耦合的软件化雷达系统的实战应用提供了有价值的解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1为根据本发明一个实施例的软硬件解耦合的软件化雷达系统的示意图；

图2为根据本发明一个实施例的软硬件解耦合的软件化雷达系统实时性设计方法的示意性流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

基于上述目的，本发明的实施例的第一个方面，提出了一种软硬件解耦合的软件化雷达系统的一个实施例。图1示出的是该系统的示意图。

如图1中所示，该系统包括：

硬件层，硬件层包括为软硬件解耦合的软件化雷达提供硬件基础的多种硬件设备；

固件逻辑层，固件逻辑层包括BIOS和BMC平台智能管理，配置为初始化和管理硬件层的设备，BIOS实现处理器的初始化、内存探测和配置、网络驱动配置、USB驱动配置、显示驱动的配置等硬件初始化功能，BMC平台智能管理可以方便用户监测当前的整机状态(温度、电压、风扇、电源等)，通过对整机的信息采集和数据分析，实现对整机的智能管理；

基础软件层，基础软件层包括操作系统、底层设备驱动和集成开发环境，配置为与固件逻辑层配合，管理硬件层的设备，并提供基础软件服务；

中间件层，中间层包括通信中间件、算法中间件和数据库，配置为使应用程序可以工作在多平台或操作环境，实现分布式异构系统间的互通和互操作；

开发接口层，开发接口层包括多种软件开发接口和示例程序，配置为使用平台提供的软硬件资源，降低软件开发难度。

本发明的技术方案是基于分层解耦的设计思想，通过以基础软件层、中间件层和开发接口层为核心的分层架构，将底层硬件细节进行封装，向上层应用提供满足雷达信号、数据处理要求的统一的API函数接口，实现上层应用软件与底层硬件平台的无关性，为实现软件与硬件的解耦合提供了可行的解决方案。同时，通过任务切换实时性设计和中断处理实时性设计，采用先进的应用层控制底层硬件技术和中断处理程序调度策略优化技术，有效提升了软件化雷达系统的实时性能，满足对实时性要求较高的应用需求，为软硬件解耦合的软件化雷达系统的实战应用提供了有价值的解决方案。

通过使用本发明的技术方案，能够为实现软件与硬件的解耦合提供可行的解决方案，同时通过任务切换实时性设计和中断处理实时性设计，有效提升了软件化雷达系统的实时性能，满足对实时性要求较高的应用需求，为软硬件解耦合的软件化雷达系统的实战应用提供了有价值的解决方案。

在本发明的一个优选实施例中，多种硬件设备包括计算模块、存储模块、交换模块、电源模块、后IO模块。硬件层包括计算模块、存储模块、交换模块、电源模块、后IO模块等硬件设备，其中计算模块以国内外高性能通用处理器为主，逐步替代传统雷达系统使用的PowerPC、DSP、FPGA等专用处理器，为软硬件解耦合的软件化雷达发展奠定基础，满足新型雷达装备通用性需求。

在本发明的一个优选实施例中，操作系统采用国产操作系统，国产操作系统配置为提供任务管理、存储管理、文件管理、设备管理的系统管理功能，提供多种调度策略，提供中断亲和性、线程亲和性调校功能，提供图形图像管理、网络协议、安全管理和多种实用工具服务。通过应用程序编程接口API向上层系统提供系统服务。

在本发明的一个优选实施例中，底层设备驱动配置为支持不同处理平台下的各类接口，各类接口包括40G以太网、RapidIO、千兆以太网、GPIO、VGA及DVI、USB、键盘鼠标、串口、I2C、PCIE高速设备。支持多种显卡，满足2D、3D图形加速需要。

在本发明的一个优选实施例中，集成开发环境配置为提供Eclipse、QT可视化集成开发环境。

在本发明的一个优选实施例中，通信中间件配置为采用国产通信中间件，屏蔽异构操作系统、硬件架构、网络通信协议的差异，提供统一标准的发布或订阅模型的通信接口以为用户提供易用、快速和无缝的集成服务。

在本发明的一个优选实施例中，算法中间件配置为提供针对硬件平台优化的算法库(MKL/VSIPL/FFTW)以实现雷达信号与数据处理的矩阵类运算和变换类运算。

在本发明的一个优选实施例中，数据库配置为提供针对目标、干扰、杂波或特征的数据，提供模板、辐射源特征数据的高吞吐、低延时、高可靠的国产数据库。

通过本发明的技术方案，能够为实现软件与硬件的解耦合提供可行的解决方案，同时通过任务切换实时性设计和中断处理实时性设计，有效提升了软件化雷达系统的实时性能，满足对实时性要求较高的应用需求，为软硬件解耦合的软件化雷达系统的实战应用提供了有价值的解决方案。

基于上述目的，本发明的实施例的第二个方面，提出了一种软硬件解耦合的软件化雷达系统实时性设计方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：

将内核层的中断处理程序移植到应用层；

中断处理程序从应用层获得GPIO物理地址对应的虚拟地址指针；

中断处理程序使用虚拟地址指针读写GPIO寄存器信息并控制GPIO中断信号的状态；

优化中断处理程序的调度策略，采用实时抢占式调度策略并提升程序优先级；

将中断处理程序与CPU核进行绑定并设置与CPU的亲和力。

实时性设计主要包括任务切换时间和中断处理相关时间两方面，任务切换时间是指CPU控制权由运行态的任务转移给另外一个就绪任务所需要的时间，包括在进行任务切换时，保存和恢复任务上下文所花费的时间及选择下一个待运行任务的调度时间，该指标跟处理器的寄存器数目和系统结构有关，并且与操作系统内核的进程管理调度算法效率有关。因此任务切换实时性设计主要从硬件平台和操作系统的设计着手。

硬件平台选型设计中，与任务切换实时性相关的主要设计指标如下表1所示：

表1任务切换实时性硬件平台设计指标

操作系统选型设计中，与任务切换实时性相关的主要设计指标如下表2所示：

表2任务切换实时性操作系统设计指标

经在Linux系统上使用cyclictest工具测试，未进行任务切换实时性设计的系统，单线程任务的最大响应时间为218us；优化后的系统，单线程任务的最大响应时间为16us，实时性能提升了13.63倍。

未进行任务切换实时性设计的系统，多线程任务的最大响应时间为15918us；优化后的系统，多线程任务的最大响应时间为23us，实时性能提高了692倍。

中断处理实时性设计主要包括以下两个方面：

(1)中断处理系统优化设计，采用先进的应用层控制底层硬件技术，使中断处理程序的工作效率显著提升，中断响应时间和中断处理时间显著缩短。充分调动处理器和操作系统的软硬件平台资源，采用“处理器MMU管理技术”结合“操作系统I/O地址虚拟映射技术”的设计方案，将内核层的中断驱动功能移植到应用层，使得中断处理程序能从应用层直接获得GPIO物理基地址对应的虚拟地址指针，然后使用这个指针来读写GPIO寄存器，获取并控制GPIO中断信号的状态。此设计方案与传统的应用层通过IOCTL调用驱动程序来控制GPIO中断信号状态的方案相比，节省了应用层和内核层反复切换所耗费的操作系统调用时间，工作效率大幅提高，中断响应时间大幅减小。

(2)中断处理程序调度策略优化设计，通过优化中断处理程序的调度策略、提高程序的运行优先级、绑定CPU核等措施，保证中断处理程序运行稳定可靠，操作系统默认的程序调度策略是时间片轮转调度策略，线程运行一个CPU时间片后将让出CPU等其它资源给别的线程，如果中断处理程序采用默认的时间片轮转调度策略，将难以保证长时间稳定高效的运行，难以保证中断响应的实时性和可靠性。

优化了中断处理程序的调度策略，采用实时抢占式调度策略取代默认的时间片轮转调度策略，并结合提高线程的运行优先级的策略，使中断处理程序在没有更高优先级的程序运行时，始终占据着CPU等资源，确保程序能高效稳定的运行。同时通过绑定CPU核、设置线程对应CPU亲和力等措施，保证程序不会因CPU核的动态切换而造成程序运行上下文的不稳定，且不会与其它高优先级的程序抢占CPU资源，进一步确保了中断响应的实时性和稳定性。经使用中断测试程序和示波器测试，中断实时性优化前中断响应时间为40us，优化后中断响应时间平均5us，实时性能提升了8倍。

基于上述目的，本发明的实施例的第三个方面，提出了一种服务器，服务器包括上述系统。

需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关硬件来完成，上述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中存储介质可为磁碟、光盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)或随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)等。上述计算机程序的实施例，可以达到与之对应的前述任意方法实施例相同或者相类似的效果。

此外，根据本发明实施例公开的方法还可以被实现为由CPU执行的计算机程序，该计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中。在该计算机程序被CPU执行时，执行本发明实施例公开的方法中限定的上述功能。

需要特别指出的是，上述系统的实施例采用了上述方法的实施例来具体说明各模块的工作过程，本领域技术人员能够很容易想到，将这些模块应用到上述方法的其他实施例中。

上述实施例，特别是任何“优选”实施例是实现的可能示例，并且仅为了清楚地理解本发明的原理而提出。可以在不脱离本文所描述的技术的精神和原理的情况下对上述实施例进行许多变化和修改。所有修改旨在被包括在本公开的范围内并且由所附权利要求保护。

Claims (10)

1.一种软硬件解耦合的软件化雷达系统，其特征在于，包括：

硬件层，所述硬件层包括为软硬件解耦合的软件化雷达提供硬件基础的多种硬件设备；

固件逻辑层，所述固件逻辑层包括BIOS和BMC平台智能管理，配置为初始化和管理所述硬件层的设备；

基础软件层，所述基础软件层包括操作系统、底层设备驱动和集成开发环境，配置为与所述固件逻辑层配合，管理所述硬件层的设备，并提供基础软件服务；

中间件层，所述中间层包括通信中间件、算法中间件和数据库，配置为使应用程序可以工作在多平台或操作环境，实现分布式异构系统间的互通和互操作；

开发接口层，所述开发接口层包括多种软件开发接口和示例程序，配置为使用平台提供的软硬件资源，降低软件开发难度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多种硬件设备包括计算模块、存储模块、交换模块、电源模块、后IO模块。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述操作系统配置为提供任务管理、存储管理、文件管理、设备管理的系统管理功能，提供多种调度策略，提供中断亲和性、线程亲和性调校功能，提供图形图像管理、网络协议、安全管理和多种实用工具服务。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述底层设备驱动配置为支持不同处理平台下的各类接口，所述各类接口包括40G以太网、RapidIO、千兆以太网、GPIO、VGA及DVI、USB、键盘鼠标、串口、I2C、PCIE高速设备。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述集成开发环境配置为提供Eclipse、QT可视化集成开发环境。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通信中间件配置为采用国产通信中间件，屏蔽异构操作系统、硬件架构、网络通信协议的差异，提供统一标准的发布或订阅模型的通信接口。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述算法中间件配置为提供针对硬件平台优化的算法库以实现雷达信号与数据处理的矩阵类运算和变换类运算。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据库配置为提供针对目标、干扰、杂波或特征的数据，提供模板、辐射源特征数据的高吞吐、低延时、高可靠的国产数据库。

9.一种软硬件解耦合的软件化雷达系统实时性设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

将内核层的中断处理程序移植到应用层；

中断处理程序从所述应用层获得GPIO物理地址对应的虚拟地址指针；

中断处理程序使用所述虚拟地址指针读写所述GPIO寄存器信息并控制所述GPIO中断信号的状态；

优化中断处理程序的调度策略，采用实时抢占式调度策略并提升程序优先级；

将中断处理程序与CPU核进行绑定并设置与所述CPU的亲和力。

10.一种服务器，所述服务器包括权利要求1-8所述的系统。

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