CN113064737B - 使软件通信体系结构的组件在多核处理器并行运行的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使软件通信体系结构的组件在多核处理器并行运行的方法，划分出可并行执行的逻辑设备组件和波形应用组件，并进行实例化定义；在逻辑设备组件的软件包描述文件和波形应用装配描述文件中添加需要部署和运行的CPU核编号；设备管理器根据逻辑设备组件的软件包描述文件将逻辑设备组件部署到指定的核上并运行；主控CPU对应的逻辑设备组件负责将波形应用组件部署到波形应用装配描述文件中指定的CPU核上并运行；实现各CPU核间波形应用组件之间的端口通信以及逻辑设备组件与波形应用组件之间的端口通信。本发明在嵌入式多核实时操作系统上实现组件的多核部署和运行，充分发挥多核CPU处理器的处理能力，提升系统性能。

Description

使软件通信体系结构的组件在多核处理器并行运行的方法

技术领域

本发明涉及软件通信体系结构(简称SCA)的组件的运行方法，尤其涉及使软件通信体系结构的组件在多核处理器并行运行的方法。

背景技术

综合化软件无线电系统采用开放式、模块化的系统架构，构建数字化、通用化的软件无线电平台。综合化软件无线电系统的特点是通过符合SCA标准规范的软件组件来定义系统的无线电功能，在高度综合化的通用平台上实现无线通信波形应用的综合信号处理，同时通过各类资源的合理复用，达到降低系统体积、重量和功耗的设计要求。

SCA是面向软件无线电系统的一系列接口通用标准，设计初衷是通过定义标准化的接口和框架，让波形应用能够在不同的平台上快速移植，降低波形应用开发成本并提高可重用率。SCA标准化并进行调度和管理的对象是各种组件，组件是对具体硬件资源(用于系统管理及信号处理的器件)和软件资源(波形控制软件及信号处理算法)功能的软件抽象，SCA为组件提供标准化的执行环境，利用框架控制组件的不同组合来产生不同的系统功能。

软件无线电系统利用SCA提供的操作环境，实现波形应用组件的部署和装配，并建立组件之间的管控和数据通信端口连接，在硬件器件互联互通的基础上实现功能组件的互联互通，进而完成一系列的射频信号处理，形成相应的无线电功能。在系统高度综合化的情况下，需要在有限的物理资源上部署和运行数十个波形功能组件，进而实现多个波形应用功能的同时运行。随着芯片工艺和处理能力的不断发展，软件无线电系统由原来采用的单核CPU处理器变为多核CPU处理器，在性能不受影响的前提下减少了CPU器件的数量，同时采用面向多核处理器的嵌入式实时操作系统，使得在一个CPU上并行运行多个组件功能成为可能。虽然采用多核处理器在硬件平台上带来了综合化程度的进一步提升，但基于SCA的组件并没有进行针对性的设计，仍然以串行逻辑的方式执行，对于由软件来定义功能的系统，并不能充分发挥多核处理器带来的性能提升，主要包括以下两点：

1.多波形状态下波形应用组件的加载性能；

2.多波形状态下波形业务数据的处理性能。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种使软件通信体系结构的组件在多核处理器并行运行的方法，在嵌入式多核实时操作系统上实现组件的多核部署和运行，充分发挥多核CPU处理器的处理能力，提升系统性能。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种使软件通信体系结构的组件在多核处理器并行运行的方法，包含以下步骤：

第一步、划分出可并行执行的逻辑设备组件和波形应用组件，并对可并行执行的逻辑设备组件和波形应用组件进行实例化定义；

第二步、在可并行执行的逻辑设备组件的SPD中添加当前逻辑设备组件需要部署和运行的CPU核编号；在SAD中添加当前波形应用组件需要部署和运行的CPU核编号；

第三步、设备管理器DeviceManager根据各可并行执行的逻辑设备组件的SPD将逻辑设备组件部署到指定的核上并运行；

第四步、主控CPU对应的逻辑设备组件负责将波形应用组件部署到SAD中指定的CPU核上并运行；

第五步、实现各CPU核间波形应用组件之间的端口通信以及波形应用组件与逻辑设备组件之间的端口通信。

优选地，在逻辑设备组件的SPD中添加当前逻辑设备组件需要部署和运行的CPU核编号的方法为在implementation元素的code子元素中，添加节点coreaffinity，节点的属性值为当前逻辑设备组件需要部署和运行的CPU核编号。

优选地，在SAD添加当前波形应用组件需要部署和运行的CPU核编号的方法为在componentplacement元素的componentinstantiation子元素中，添加节点coreaffinity，节点的属性值代表波形应用中当前波形应用组件需要部署和运行的CPU核编号。

优选地，第三步由设备管理器的PlatformComponentExecuteComponent组件的接口load()及execute()实现；其中，接口load()负责将逻辑设备组件的可执行程序文件加载到内存中准备执行，接口execute()负责对逻辑设备组件的SPD解析，设置SPD中指定的CPU核创建并激活对应逻辑设备组件的任务。

优选地，第四步由主控CPU对应的逻辑设备组件的接口load()及execute()实现；其中，load()接口负责将波形应用组件的可执行程序文件加载到内存中准备执行，execute()接口负责SAD解析，设置任务执行的CPU核，创建并激活对应波形应用组件任务。

优选地，第五步包含以下步骤：

1)在设备管理器上新建静态全局对象获取接口getDeviceManager()，接口getDeviceManager()用于实现部署在不同CPU核上的逻辑设备组件对设备管理器对象的引用；在应用管理器上新建静态全局对象获取接口getApplicationManager()，接口getApplicationManager()实现部署在不同CPU核上的波形应用组件对应用管理器对象的引用；

2)分别调用设备管理器和应用管理器对象的组件注册接口，完成逻辑设备组件和波形应用组件在实例化定义时定义的所有信息的注册；在逻辑设备组件和波形应用组件终止和卸载时，实现对应逻辑设备组件对象和波形应用组件对象的删除和注销；

3)SCA核心框架通过SAD中的节点connections获取组件间通信端口的连接关系，通过设备管理器和应用管理器，获取已经注册的组件通信端口对象实例，将其他核上已经注册到本地的组件通信端口提供者对象，通过端口使用者对象提供的connectUsesPort()接口，传递给另一核上使用端口的组件。

优选地，接口getDeviceManager()、getApplicationManager()采用线程锁的方式。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提出了一种基于多核处理器的SCA可并行执行组件的划分和实例化定义方法，提供组件对象的基本信息，为组件的多核部署、执行、互操作和统一管理提供基础。

2.本发明提出了一种多核部署组件的描述文件属性定义方法，提供对组件所需部署的CPU核的信息描述。

3.本发明提出了一种面向组件多核部署和执行的SCA核心框架接口设计方法，能够通过核心框架，利用组件描述文件提供的多核部署信息，完成组件可执行文件的部署和任务执行。

4.本发明提出了一种多核部署状态下的组件对象管理方法，基于全局唯一对象实例以及对象注册机制，实现SCA核心框架对多核部署组件的统一管理。

5.本发明提出了一种多核部署状态下的组件间通信方法，能够实现多核部署组件之间数据通信的同时，不暴露组件的其他非通信接口，提高了系统的安全性。

附图说明

图1是基于SCA的软件平台组件组成示意图。

图2是基于SCA的软件平台组件多核部署示意图。

图3是逻辑设备组件及波形应用代理组件多核部署与执行流程示意图。

图4是基于SCA的软件平台组件信息注册示意图。

图5是逻辑设备多核部署序列图。

图6是波形组件多核部署序列图。

图7是核间组件通信示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

先给出本实施例中使用到的部分软件通信体系结构的说明：

逻辑设备组件：逻辑设备组件是对实际物理硬件进行抽象后形成的软件代理。

波形应用组件：波形应用组件是实现波形应用中其中一个功能的组件。

设备管理器：设备管理器提供了当前节点的逻辑设备组件和框架服务组件的管理功能。

应用管理器：应用管理器提供了域内所有波形应用组件的统一管理功能，包括波形应用组件的启停控制、参数配置、状态查询等功能。

域管理器：域管理器提供了整个域内设备管理器、文件管理器以及应用管理器的管理功能。

软件包描述文件(SPD)：软件包描述文件(SPD)是对各类组件的属性进行描述的标准xml文件。波形控制器组件的SPD以及逻辑设备组件的SPD描述内容包括可执行文件路径、prf文件路径、入口函数、栈大小、优先级等信息。

波形应用装配描述文件(SAD)：波形应用装配描述文件(SAD)描述内容包括了本波形应用包含的波形应用组件及各波形应用组件的端口连接关系等。

核心框架：核心框架是SCA标准接口的基本核心集，提供系统软硬件资源管理的基础服务，是SCA架构设计的具体实现。

端口：端口提供逻辑设备组件、波形应用组件之间控制管理、数据传输功能。

作为举例说明，本实施例的目标平台硬件运行环境为：

1.主控CPU：PowerPC T2080

2.数据处理CPU：PowerPC T2080

3.信号处理DSP：TMS320C6678

4.信号处理FPGA:XILINX K7325T

本实施例的软件运行环境为：

1.目标平台主控及数据处理CPU操作系统：vxWorks 6.9SMP

2.宿主机操作系统：Windows 7

3.宿主机组件开发环境：WindRiver Workbench 3.3

参见图3所示，本实施例主要涉及以下几个步骤。

第一步：划分出可并行执行的逻辑设备组件和波形应用组件，并对可并行执行的逻辑设备组件和波形应用组件进行实例化定义。

1)SCA的组件按照所实现的功能分为波形应用组件、框架控制组件、逻辑设备组件和框架服务组件四大类，每个大类中又细分为多个小类，各小类中的部分组件存在串行的逻辑关系，无法实现并行执行，部分组件可各自独立运行而互不影响，可多核部署和并行执行。例如，在综合射频系统中的主控CPU、数据处理CPU、信号处理DSP、FPGA等器件可独立并行地完成波形应用组件的部署和执行，主控CPU、数据处理CPU、信号处理DSP、FPGA对应的逻辑设备组件之间没有数据、功能交联以及其他任何串行的逻辑关系，且均可以独立地动态的增加、删除以及执行、终止，因此在逻辑设备组件这一大类下，主控CPU、数据处理CPU、信号处理DSP、FPGA对应的逻辑设备组件可作为SCA中的可并行执行组件，在主控CPU上进行多核部署，其它无法独立并行的设备对应的逻辑设备组件不可以作为并行执行组件。又例如，波形应用中可独立并行地执行并实现的各功能对应的波形应用组件之间没有数据、功能交联以及其他任何串行的逻辑关系，且可以独立地动态的增加、删除以及执行、终止，因此，波形应用中各可独立并行执行的功能对应的波形应用组件可作为SCA中的可并行执行组件，在主控CPU上进行多核部署。

2)通过可并行执行的逻辑设备组件和波形应用组件的各自的执行入口对逻辑设备组件和波形应用组件进行实例化定义，实现逻辑设备组件到设备管理器的注册和波形应用组件到应用管理器的注册。实例化定义包括定义组件标识(identifier)、定义描述文件(profile)、定义组件类型(type)以及定义组件对象(object)。

以AllDemoWave波形应用为例，AllDemoWave波形应用包括的波形应用组件有AllDemoGPPComponent、AllDemoDPGPPComponent、AllDemoDSPComponent、AllDemoFPGAComponent。逻辑设备组件分别为GPPDeviceComponent00、DPGPPDeviceComponent00、DSPDeviceComponent00、FPGADeviceComponent00、MHALDeviceComponent。其中可独立并行运行的组件有波形应用组件AllDemoGPPComponent以及所有逻辑设备组件。

通过逻辑设备组件和波形应用组件的执行入口完成逻辑设备组件和波形应用组件的实例化定义，实例化定义后的信息如表1所示：

表1

以下所述的逻辑设备组件和波形应用组件均指可并行执行的逻辑设备组件和波形应用组件。

第二步、在可并行执行的逻辑设备组件的SPD中添加当前逻辑设备组件需要部署和运行的CPU核编号。在SAD中添加当前波形应用组件需要部署和运行的CPU核编号。作为举例说明，在逻辑设备组件的SPD中添加当前逻辑设备组件需要部署和运行的CPU核编号的方法为在implementation元素的code子元素中，添加节点coreaffinity，节点的属性值为当前逻辑设备组件需要部署和运行的CPU核编号。在SAD中添加当前波形应用组件需要部署和运行的CPU核编号的方法为在componentplacement元素的componentinstantiation子元素中，添加节点coreaffinity，节点的属性值代表波形应用中当前波形应用组件需要部署和运行的CPU核编号。利用XML形式的描述文件来描述平台所需要部署和执行的逻辑设备组件和波形应用组件的信息，包括逻辑设备组件和波形应用组件的可执行文件名称、入口函数、栈空间以及任务优先级等。SCA核心框架通过解析对应逻辑设备组件及波形应用组件的SPD来动态实例化目标对象，以实现逻辑设备组件和波形应用组件的动态部署和即插即用。

各波形应用组件和逻辑设备组件部署和运行的CPU核编号如表2所示：

表2

第三步，设备管理器DeviceManager根据各可并行执行的逻辑设备组件的SPD将逻辑设备组件部署到指定的CPU核上并运行。在设备管理器中，有负责加载和运行逻辑设备组件的PlatformComponentExecuteComponent组件，PlatformComponentExecuteComponent组件包含接口load()及execute()。load()接口负责将逻辑设备组件的可执行程序文件加载到内存中准备执行。execute()接口负责对逻辑设备组件的SPD中coreaffinity属性解析，设置SPD中指定的CPU核创建并激活对应逻辑设备组件的任务。execute()接口参数包括const char*filename,const CF::Properties options,const CF::Propertiesparameters。其中：Properties类型为键值对结构体的容器，存储逻辑设备组件名称及对应的coreaffinity属性解析。逻辑设备多核部署序列图见图5。

第四步、主控CPU对应的逻辑设备组件负责将波形应用组件部署到SAD中指定的CPU核上并运行。波形应用组件部署和运行在主控CPU上，由代理主控CPU的逻辑设备组件负责加载和执行。主控CPU的逻辑设备组件包含接口load()及execute()，load()接口负责将波形应用组件的可执行程序文件加载到内存中准备执行。在execute()接口负责SAD中coreaffinity属性解析，设置任务执行的CPU核，创建并激活对应波形应用组件任务。execute()接口参数包括const char*filename,const CF::Properties options,constCF::Properties parameters。其中：Properties类型为键值对结构体的容器，存储波形应用代理组件名称及对应的coreaffinity属性解析。波形组件多核部署序列图见图6。

第五步，实现各CPU核间波形应用组件之间的端口通信以及波形应用组件与逻辑设备组件之间的端口通信。

波形应用组件之间的端口通信以及波形应用组件与逻辑设备组件之间的端口通信可以采用类似于CORBA的对象请求代理中间件来实现，前提是CORBA中间件支持多核间通信。本实施例提供一种面向多核处理器的通用可行方法，通过建立面向多核的域管理器、设备管理器以及应用管理器的管理机制，实现不同核上组件对象之间互操作。SCA核心框架需要实现对组件资源的调度和管理，同时波形应用组件与负责总线通信的逻辑设备组件还存在数据交互，不同核上的组件需要具备接口互相调用的能力。针对部署在不同CPU核上的组件实现统一管理和互操作，具体流程如下：

1)在设备管理器上新建静态全局对象获取接口getDeviceManager()，接口getDeviceManager()用于实现部署在不同CPU核上的逻辑设备组件对设备管理器对象的引用。在应用管理器上新建静态全局对象获取接口getApplicationManager()，接口getApplicationManager()实现部署在不同CPU核上的波形应用组件对应用管理器对象的引用。同时getDeviceManager()、getApplicationManager()使设备管理器、应用管理器不需要在逻辑设备组件、波形应用组件中重复实例化，能够保证对象实例的唯一性。为了防止逻辑设备组件、波形应用组件并行执行时对上述对象的同时访问，getDeviceManager()、getApplicationManager()采用线程锁的方式，保证同一时刻组件接口调用的唯一性。

2)由于具备了多核部署组件的全局对象引用能力，逻辑设备组件及波形应用组件能够在实例化时，分别调用设备管理器和应用管理器对象的组件注册接口，完成逻辑设备组件和波形应用组件在实例化定义时定义的所有信息的注册，实现逻辑设备及波形应用组件对象的统一维护。在逻辑设备和波形应用组件终止和卸载时，实现对应组件对象的删除和注销。具体如下：

在设备管理器DeviceManagerComponent中，增加DevMgrComponentRegistry组件，DevMgrComponentRegistry组件包括接口registerComponent()和接口getDeployedDeviceComponents()。接口registerComponent(const CF::ComponentTyperegisteringComponent)实现逻辑设备组件对象在设备管理器的跨核注册。接口getDeployedDeviceComponents()实现逻辑设备组件对象的管理维护功能。

在应用管理器ApplicationComponent中，增加ApplicationComponentRegistry组件，ApplicationComponentRegistry组件包括接口registerComponent()、接口registerComponent()和接口getDeployedAppComponents()。接口registerComponent(const CF::ComponentType registeringComponent)实现波形应用代理组件对象在应用管理器的注册。unregisterComponent(const char*identifier)接口实现波形应用代理组件对象在应用管理器的注销。接口getDeployedAppComponents()实现波形应用代理组件对象在应用管理器的管理维护功能。

3)设备管理器、应用管理器维护了所有逻辑设备组件和波形应用组件的对象信息，部署在一个核上的逻辑设备组件和波形应用组件分别通过设备管理器、应用管理器实现与其他核上部署的逻辑设备组件和波形应用组件的接口级数据通信。为了在多核部署组件对象之间相对透明的情况下，保护组件内部其他接口，在组件注册时，仅将逻辑设备组件和波形应用组件中，实例化的通信端口对象作为对象信息进行注册。SCA核心框架通过AllDemoWave.sad.xml中的节点connections获取组件间通信端口的连接关系。通过设备管理器和应用管理器，获取已经注册的组件通信端口对象实例，将其他核上已经注册到本地的组件通信端口提供者对象(providesPort)，通过端口使用者(usesPort)对象提供的connectUsesPort()接口，传递给另一核上使用端口的组件，使用端口的组件能够通过传入的端口提供者对象，实现与提供端口的组件之间的数据通信。核间组件通信示意图见图7。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种使软件通信体系结构的组件在多核处理器并行运行的方法，其特征在于包含以下步骤：

第一步、划分出可并行执行的逻辑设备组件和波形应用组件，并对可并行执行的逻辑设备组件和波形应用组件进行实例化定义；

第二步、在可并行执行的逻辑设备组件的软件包描述文件中添加当前逻辑设备组件需要部署和运行的CPU核编号；在波形应用装配描述文件中添加当前波形应用组件需要部署和运行的CPU核编号；

第三步、设备管理器DeviceManager根据各可并行执行的逻辑设备组件的软件包描述文件将逻辑设备组件部署到指定的核上并运行；

第四步、主控CPU对应的逻辑设备组件负责将波形应用组件部署到波形应用装配描述文件中指定的CPU核上并运行；

第五步、实现各CPU核间波形应用组件之间的端口通信以及波形应用组件与逻辑设备组件之间的端口通信，包含以下步骤：

1)在设备管理器上新建静态全局对象获取接口getDeviceManager()，接口getDeviceManager()用于实现部署在不同CPU核上的逻辑设备组件对设备管理器对象的引用；在应用管理器上新建静态全局对象获取接口getApplicationManager()，接口getApplicationManager()实现部署在不同CPU核上的波形应用组件对应用管理器对象的引用；

2)分别调用设备管理器和应用管理器对象的组件注册接口，完成逻辑设备组件和波形应用组件在实例化定义时定义的所有信息的注册；在逻辑设备组件和波形应用组件终止和卸载时，实现对应逻辑设备组件对象和波形应用组件对象的删除和注销；

3)SCA核心框架通过波形应用装配描述文件中的节点connections获取组件间通信端口的连接关系，通过设备管理器和应用管理器，获取已经注册的组件通信端口对象实例，将其他核上已经注册到本地的组件通信端口提供者对象，通过端口使用者对象提供的connectUsesPort()接口，传递给另一核上使用端口的组件。

2.根据权利要求1所述的一种使软件通信体系结构的组件在多核处理器并行运行的方法，其特征在于在逻辑设备组件的软件包描述文件中添加当前逻辑设备组件需要部署和运行的CPU核编号的方法为在implementation元素的code子元素中，添加节点coreaffinity，节点的属性值为当前逻辑设备组件需要部署和运行的CPU核编号。

3.根据权利要求1所述的一种使软件通信体系结构的组件在多核处理器并行运行的方法，其特征在于在波形应用装配描述文件中添加当前波形应用组件需要部署和运行的CPU核编号的方法为在componentplacement元素的componentinstantiation子元素中，添加节点coreaffinity，节点的属性值代表波形应用中当前波形应用组件需要部署和运行的CPU核编号。

4.根据权利要求1所述的一种使软件通信体系结构的组件在多核处理器并行运行的方法，其特征在于在第三步由设备管理器的PlatformComponentExecuteComponent组件的接口load()及execute()实现；其中，接口load()负责将逻辑设备组件的可执行程序文件加载到内存中准备执行，接口execute()负责对逻辑设备组件的软件包描述文件解析，设置软件包描述文件中指定的CPU核创建并激活对应逻辑设备组件的任务。

5.根据权利要求1所述的一种使软件通信体系结构的组件在多核处理器并行运行的方法，其特征在于第四步由主控CPU对应的逻辑设备组件的接口load()及execute()实现；其中，load()接口负责将波形应用组件的可执行程序文件加载到内存中准备执行，execute()接口负责波形应用装配描述文件解析，设置任务执行的CPU核，创建并激活对应波形应用组件任务。

6.根据权利要求1所述的一种使软件通信体系结构的组件在多核处理器并行运行的方法，其特征在于接口getDeviceManager()、getApplicationManager()采用线程锁的方式。

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