基于FPGA的CORBA通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

雖然使用CORBA方式實(shí)現(xiàn)的SCA／SDR既保持SCA的兼容性，又減小了傳輸負(fù)載，而且，開發(fā)者也無需開發(fā)通用GPP上的定制代理。但由于FPGA的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式與GPP完全不同，其編程主要集中于底層硬件，往往同特定的可編程資源緊密聯(lián)系在一起，而且FPGA不能提供等效的操作系統(tǒng)中虛擬地址等機(jī)制，從而使FPGA上CORBA功能的實(shí)現(xiàn)比較困難。目前為止，在FPGA上實(shí)現(xiàn)ORB的主要的方案有以下兩種：

(1)Prismtech公司開發(fā)了一款集成電路ORB(ICO)產(chǎn)品，該產(chǎn)品提供了一個(gè)使用VHDL語(yǔ)言編寫的ORB模塊，能夠運(yùn)行于Xilinx，Altera等公司的多款FPGA上。整個(gè)產(chǎn)品包括ORB引擎、IDL-to-VHDL代碼產(chǎn)生器和SCA應(yīng)用組件等幾個(gè)部分。ORB引擎負(fù)責(zé)GIOP報(bào)文的解析和封裝，對(duì)于到達(dá)的GIOP請(qǐng)求報(bào)文，ORB引擎對(duì)報(bào)文中的對(duì)象鍵值、操作名稱、參數(shù)等信息進(jìn)行解析，然后將數(shù)據(jù)傳遞給特定的FPGA邏輯模塊進(jìn)行處理；如果處理結(jié)果需要向外部發(fā)送，則ORB引擎根據(jù)預(yù)先獲得的一些信息，將結(jié)果封裝為GIOP請(qǐng)求報(bào)文或應(yīng)答報(bào)文，并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

盡管ICO實(shí)現(xiàn)了FPGA程序與分布式系統(tǒng)的直接ORB通信，但由于其ORB引擎的實(shí)現(xiàn)代碼是由IDL-to-VHDL代碼生成器根據(jù)特定的應(yīng)用生成的，這就使其ORB引擎的實(shí)現(xiàn)邏輯與特定的FPGA應(yīng)用程序密切相關(guān)，從而也就導(dǎo)致了ORB的引擎不具備通用性。一旦FPGA的應(yīng)用程序做了修改，原有的ORB引擎往往無法對(duì)新應(yīng)用程序的GIOP報(bào)文進(jìn)行正確的解析和封裝，此時(shí)必須再次使用IDL-to-VHDL代碼生成器重新生成新的邏輯。目前有很多FPGA在硬件上已經(jīng)具備了部分重配置功能，而且有一部分分布式應(yīng)用，也需要實(shí)現(xiàn)FPGA的動(dòng)態(tài)部分重配置，這就需要在動(dòng)態(tài)改變FPGA部分邏輯功能的同時(shí)，依然保持ORB引擎和其他FPGA模塊的正常工作，但I(xiàn)CO與FPGA應(yīng)用程序的緊密相關(guān)性使這一功能無法實(shí)現(xiàn)。

(2)OIS公司在一項(xiàng)專利中提出了一種新的基于FPGA的CORBA實(shí)現(xiàn)方法。該方法是將ICO的ORB引擎的分為4個(gè)功能模塊，包括ORB接收模塊、ORB發(fā)送模塊、接收操作適配器和發(fā)送操作適配器。其中ORB接收模塊和ORB發(fā)送模塊僅負(fù)責(zé)解析和封裝GIOP的報(bào)文頭信息，而接收操作適配器和發(fā)送操作適配器負(fù)責(zé)解析和封裝與每個(gè)應(yīng)用模塊相關(guān)的操作名稱和參數(shù)。這樣，每個(gè)應(yīng)用模塊都有自己專屬的處理操作名稱和參數(shù)的處理單元，從而保證了FPGA上應(yīng)用模塊的靈活性和通用性，也可以滿足部分重配置的需求。

然而，由于在OIS公司的專利中所提出的解決方案中，必須為每個(gè)應(yīng)用模塊都實(shí)現(xiàn)一個(gè)接收操作適配器和一個(gè)發(fā)送操作適配器，由此導(dǎo)致應(yīng)用模塊的實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜，必然會(huì)給應(yīng)用模塊的開發(fā)人員帶來一定的負(fù)擔(dān)；同時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部各應(yīng)用模塊之間的信息傳遞必須經(jīng)過發(fā)送操作適配器和接收發(fā)送操作適配器的處理，這對(duì)于FPGA內(nèi)部乃至FPGA之間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊箫@然是不恰當(dāng)?shù)?；而且，?dāng)一塊FPGA中運(yùn)行的應(yīng)用模塊數(shù)量較多時(shí)，也必然要有大量的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源被處理操作名稱和參數(shù)的邏輯所占用，無法實(shí)現(xiàn)硬件資源的有效利用，甚至造成資源的浪費(fèi)，這也是實(shí)際應(yīng)用中無法接受的。

3 改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案

以上分析表明現(xiàn)存的種實(shí)現(xiàn)方案都不夠理想，有必要設(shè)計(jì)一種新都實(shí)現(xiàn)機(jī)制來改善當(dāng)前的設(shè)計(jì)。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中通信系統(tǒng)的需求，結(jié)合上述分析的幾種實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，在兼顧系統(tǒng)的資源利用率、應(yīng)用組件的易開發(fā)性、通用性、靈活性等各方面的性能，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案對(duì)基礎(chǔ)上，對(duì)FPGA上的ORB實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)各種波形的應(yīng)用模塊一般需要支持初始化、參數(shù)配置、參數(shù)查詢、建立連接、斷開連接、啟動(dòng)、停止、數(shù)據(jù)傳遞等操作功能，所以在改進(jìn)后的方案中，根據(jù)應(yīng)用模塊的實(shí)際需要抽象出一組與上述操作相對(duì)應(yīng)的操作名稱：initialize，configcIre，query，connectPort，disconnectPort，start，stop，pushPacket等，可稱之為公有操作。公有操作名稱的識(shí)別和處理由ORB主適配器完成。另外，對(duì)那些只是個(gè)別應(yīng)用模塊所實(shí)現(xiàn)的操作，可稱之為私有操作，其識(shí)別和處理則由應(yīng)用模塊的ORB輔助適配器完成。各模塊發(fā)所實(shí)現(xiàn)的功能如下：

ORB主適配器(ORB Mian Adapter)實(shí)現(xiàn)的功能包括兩個(gè)方面：一是解析接收到的GIOP報(bào)文信息，從接收到到報(bào)文信息中抽取出GIOP報(bào)文頭和數(shù)據(jù)域，丟棄填充域。在該過程中，ORB主適配器需要基于GIOP報(bào)文頭信息所提供的協(xié)議版本和數(shù)據(jù)大小端標(biāo)志完成報(bào)文格式的識(shí)別和數(shù)據(jù)的大小端轉(zhuǎn)換。需要注意的是GIOP報(bào)文中的ObjecKey和Operation Name段均是變長(zhǎng)的信息，為了便于后續(xù)處理，需要在ORB主適配器的處理過程中將它們轉(zhuǎn)換為固定的編碼，其中ObjectKey轉(zhuǎn)換為用于標(biāo)識(shí)應(yīng)用模塊的地址編碼，而Operation Name則轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的控制信息；二是封裝需要發(fā)送到GIOP報(bào)文信息，負(fù)責(zé)從應(yīng)用模塊的數(shù)據(jù)總線和控制總線接收數(shù)據(jù)與控制信息，然后加上GIOP報(bào)文頭，將控制信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的操作名稱，填充對(duì)齊數(shù)據(jù)等完成GIOP報(bào)文信息封裝，之后通過FIFO等類似的接口將數(shù)據(jù)傳送出去。

交叉開關(guān)(Crossbar Switch)實(shí)現(xiàn)的功能是根據(jù)接收到的地址編碼完成控制信息和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

ORB輔助適配器(ORB Assistant Adapter)實(shí)現(xiàn)的功能與ORB主適配器類似，也包括兩個(gè)方面：一是接收來自交叉開關(guān)的控制信息，若調(diào)用調(diào)用的是應(yīng)用模塊的私有操作，則將此操作名稱轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的操作編碼后發(fā)送給給交叉開關(guān)，否則，直接將控制信息轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用模塊；二是接收來自應(yīng)用模塊的控制信息，當(dāng)應(yīng)用模塊調(diào)用私有操作時(shí)，則將操作編碼轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的私有操作名稱后發(fā)送給給交叉開關(guān)，否則，直接將控制信息轉(zhuǎn)發(fā)給交叉開關(guān)。

應(yīng)用模塊(Application Module)根據(jù)控制信息完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理，給出處理結(jié)果。

在根據(jù)改進(jìn)后設(shè)計(jì)方案所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)中，GPP上的應(yīng)用將保持原有狀態(tài)，不會(huì)引人任何額外的處理負(fù)擔(dān)和處理延遲。FPGA上由ORB主適配器統(tǒng)一完成各個(gè)應(yīng)用模塊的公有操作，在減小FPGA硬件資源的浪費(fèi)的同時(shí)也減輕了應(yīng)用模塊開發(fā)的負(fù)擔(dān)。應(yīng)用模塊預(yù)留有私有操作處理接口，可對(duì)其實(shí)現(xiàn)的私有操作進(jìn)行擴(kuò)展，從而也保證了應(yīng)用模塊的靈活性和動(dòng)態(tài)部分重配置功能的實(shí)現(xiàn)；而且，F(xiàn)PGA上各應(yīng)用模塊間的數(shù)據(jù)傳遞不需要額外的處理，也滿足了高速處理的要求。

4 方案實(shí)現(xiàn)與測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)后設(shè)計(jì)方案的可行性和合理性，在圖5所示的硬件平臺(tái)上對(duì)該方案進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和性能測(cè)試。其中PC計(jì)算機(jī)用作為數(shù)據(jù)源和接收終端，實(shí)現(xiàn)視頻和測(cè)試數(shù)據(jù)產(chǎn)生并接收顯示視頻和校對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)；ARM上運(yùn)行VxWorks 5．5操作系統(tǒng)，使用TAO來提供CORBA功能，實(shí)現(xiàn)CORBA報(bào)文的封裝和解析；FPGA運(yùn)行根據(jù)前面所描述的改進(jìn)方案所實(shí)現(xiàn)的ORB，完成CORBA報(bào)文數(shù)據(jù)的解析、處理和封裝。測(cè)試過程中，首先由PC計(jì)算機(jī)產(chǎn)生視頻或測(cè)試數(shù)據(jù)，并通過Ethernet傳送給ARM處理器，ARM處理器上運(yùn)行的應(yīng)用程序?qū)⑵浞庋b成CORBA報(bào)文后發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA接收到CORBA報(bào)文后對(duì)其進(jìn)行解析，并對(duì)凈荷數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后重新封裝為CORBA報(bào)文后再發(fā)送給ARM處理器，ARM接收到FPGA發(fā)送到CORBA報(bào)文后對(duì)其進(jìn)行解析處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC計(jì)算機(jī)，最終由PC計(jì)算機(jī)對(duì)接收到到數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻解碼顯示或校對(duì)檢測(cè)。

驗(yàn)證過程中先后在FPGA上實(shí)現(xiàn)了波形組件間的建立連接操作(connectPort)、數(shù)據(jù)傳遞(pushPaeket)，波形組件參數(shù)配置(configure)和波形組件參數(shù)查詢(query)四個(gè)操作，并在波形組件到參數(shù)設(shè)置和查詢操作中完成short，float，double，string等類型的支持。通過測(cè)試，系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的各種功能均符合設(shè)計(jì)需要。此外，還分別實(shí)現(xiàn)建立連接、數(shù)據(jù)傳遞2個(gè)操作與實(shí)現(xiàn)建立連接、數(shù)據(jù)傳遞、參數(shù)配置、參數(shù)查詢4個(gè)操作兩種情況對(duì)FPGA上對(duì)資源占用進(jìn)行了比較，其結(jié)果見表1。從表中所得到的數(shù)據(jù)可以看出，在FPGA中實(shí)現(xiàn)對(duì)CORBA報(bào)文的操作以及參數(shù)進(jìn)行解析、封裝處理非常耗費(fèi)硬件資源。這主要是由于CORBA報(bào)文中使用的公共數(shù)據(jù)表示(CDR)來描繪所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型所引起的，其也從一個(gè)方面證明了OIS公司所設(shè)計(jì)的為每個(gè)波形組件都實(shí)現(xiàn)一個(gè)接收操作適配器和發(fā)送操作適配器將極其耗費(fèi)硬件資源，這在實(shí)際應(yīng)用中是不能被接受的。

5 結(jié)論

本文在分析現(xiàn)有的解決方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了一種在FPGA上實(shí)現(xiàn)ORB的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，不但為彼此分離的、工作于多處理器平臺(tái)上的各個(gè)GPP，DSP和FPGA開發(fā)小組提供了通用的CORBA通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)波形組件的位置透明性；還克服了現(xiàn)有的FPGA上實(shí)現(xiàn)ORB方案的缺點(diǎn)，使FPGA上實(shí)現(xiàn)的ORB既可以支持動(dòng)態(tài)部分重配置，又使波形組件開發(fā)人員盡可能少地處理ORB相關(guān)的工作，大大簡(jiǎn)化了波形組件開發(fā)人員所承擔(dān)的開發(fā)任務(wù)。最終，所提出的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果也表明了此方案的合理性和可行性。