开放式VPX为电子战平台提供紧密耦合的FPGA和CPU处理

OpenVPX 将高速并行处理 FPGA 与 CPU 的软件功能结合在一起，以满足无人平台最具挑战性的传感器处理应用。

如今的无人机、UUV和无人机正在随着传感器数量的增加而得到增强。来自这些电子战（EW）传感器的大量传入数据需要尽可能接近实时地进行处理。随着处理元件的发展，FPGA是理想的传感器接口。它非常适合以无与伦比的速度和非常低的延迟对并行数据执行固定算法。高端FPGA配备了大量的串行或并行接口，允许它们输入大量原始数据，然后进行预处理。

然而，现代传感器并不是孤立存在的。它生活在一个“系统系统”的背景下，与计算机，平板电脑和手持设备相互连接。通过大型网络连接智能设备的软件协议在CPU上运行，而不是在FPGA上运行。例如，在FPGA中运行以太网MAC相对简单。甚至可以运行TCP / IP，尽管它有点麻烦。运行更高级别的功能还比较困难：例如，套接字、FTP、http、数据移动中间件（如 MPI）或发布/订阅中间件（如 DDS）。没有这些使能软件组件的FPGA是隔离的。它可以收集数据，也可以处理这些数据，但它不能轻易地与外界共享数据。无人平台的数据必须共享才能具有可操作性。

无人平台传感器处理系统上的连接功能属于可轻松访问软件组件、堆栈和应用程序的 CPU。实际上有数十亿行开源软件，其中大部分是为x86架构编写的。在 CPU 上运行的软件基础架构为应用程序提供了将传感器连接到系统和用户的框架和协议。在开放式架构中连接FPGA和CPU的最佳方法是使用OpenVPX（VITA 65），因为它是从头开始构建的，旨在为异构计算提供机械和电气框架，从而有利于无人平台的数据处理。

用于无人平台的宽带电子战

针对电子战无人平台优化的理想传感器处理架构具有非常高的接收功能和连接到通用FPGA的高速发送功能。当今市场上最快的COTS ADC包含从测试设备市场引入军用/航空市场的技术。数据中心、通信设备供应商和 OEM 几乎在每个计算领域都即将迁移到 10 Gbaud 信令。泰克等测试设备供应商正在通过非常高速的探头技术来满足这一需求，该技术的基础是ADC转换器。用于探测 40 GbE、英菲尼宽带 FDR 或 PCI Express 3.0 的技术基于超高速 ADC。虽然有非常先进的技术在开发中，但能够以8位分辨率获取12 GSps的ADC技术现在正在跨越鸿沟，并迅速成为一个批量市场。

当它应用于密耳/航空无人平台设置以进行宽带数据采集时，这是一种非常强大的采样能力。8 位的 12 GSps 相当于 12 GBps 的原始数据，这是一个巨大的处理和数据移动挑战。在这种无情的原始比特流中找到感兴趣的信号所需的处理能力是巨大的。最新的 FPGA，例如 Xilinx 的 Virtex-7，将应对这一处理挑战所需的处理资源与摄取大量数据所需的高速信令相结合。FPGA能够跟上12 GBps的输入数据流，实时处理它，但仍然有足够的高速信号来产生波形响应。从测试设备供应商泰克（Tektronix）转向最先进的DAC技术，人们发现12 GSps 10位DAC现在已经达到了在无人系统中部署所需的技术成熟度。

在同一物理FPGA器件中，ADC和DAC的搭配将响应延迟降至最低水平。这组新兴技术现在能够将宽带电子战性能提高2-4倍，而以前使用开放式架构COTS组件是可能的。8 位 ADC 和 12 GSps 10 位 DAC 可通过基于 FPGA 的 6U 开放式 VPX 计算模块以 COTS 形式实现。FPGA节点可以使用直接存储器访问（DMA）支持数据平面接口，但它很难运行特定的高级协议和中间件，使其能够跨越系统结构或广域网。这使得FPGA难以提供无人传感器向分析师和地面部队提供数据所需的广域连接。CPU 提供了 EW 系统在这方面所需的灵活性。FPGA 和 CPU 模块必须通过高速开放式 VPX 背板接口连接，以避免瓶颈。

CPU 提供灵活性和连接性

如前所述，CPU最擅长运行将无人机、UGV 或 UUV 中的传感器连接到外部世界的中间件。此类别中的主要选择是英特尔第四代酷睿i7 CPU（以前称为“Haswell”）。这款全新的移动计算酷睿 i7 处理器基于英特尔 22 纳米微架构的低功耗嵌入式实现，是传感器计算的理想选择。CPU 包含集成的 16 通道 PCIe 第 3 代接口，允许在 FPGA 和 CPU 内存之间移动 16 GBps 的数据。由此产生的数据速率实际上超过了整个ADC的速度，这为与外界接口的应用提供了极大的灵活性。CPU 运行操作系统（通常是 Linux 或 VxWorks），并执行与数据平面接口的堆栈。图1显示了FPGA和CPU如何通过该高速管道连接。

图 1：一个基于 FPGA 的 6U 开放式计算模块和一个开放式多处理 DSP 模块将 FPGA 和 CPU 处理结合在一起。

（单击图形可缩放 1.9 倍）

嵌入式系统中的数据平面通常是三种类型的结构之一：10/40 GbE、英寸带或快速IO。数据平面结构用于在系统中的处理元素之间传输数据。在InfiniBand或RapidIO的情况下，通常必须有一个到以太网的桥接器，然后才能将数据传输到外部世界。

CPU 提供的最强大的功能之一是执行发布/订阅中间件（如数据分发服务 （DDS））的能力。Pub/sub 是一种面向消息的中间件，它允许数据源发布到称为订阅者的兴趣方。订阅者能够专门针对他们想要的数据进行调整，并能够设置特定于其需求的服务质量参数。例如，高速设备可以请求连续的图像流。速度较慢的设备可能会一次请求一个图像。某些设备可能只想查看一次图像，并且可能希望在查看后将其丢弃。其他人可能希望看到最早的图像（FIFO或先进先出），而不是最新的（后进先出或后进先出）。发布/订阅中间件允许数据发布者和订阅者共享虚拟链接，而无需管理和了解彼此以及各种其他系统发布者和订阅者的服务要求。

另一个功能强大的中间件是消息传递接口 （MPI）。MPI 是一种可移植的、与语言无关的协议，用于在分布式处理器（如 CPU）之间共享数据。它已成为高性能计算集群之间通信的事实标准，并被世界上最强大的计算机TOP500中的许多计算机使用。像 MPI 这样的中间件是将 CPU 集群有效扩展到大型高性能嵌入式计算 （HPEC） 系统的基本要素。

除了能够运行复杂的中间件之外，CPU 还可以轻松添加 PC 中常见的功能，例如：

显示器 – CPU 支持高分辨率图像渲染接口，如嵌入式显示器端口 （eDP）。DisplayPort 是一种数字通信接口，它利用差分信令实现高带宽总线接口，旨在支持 PC 与监视器、投影仪和电视显示器之间的连接。显示端口是第一个依赖于分组数据传输的显示接口。

存储 – 串行 ATA （SATA） 是连接到大容量存储设备（如硬盘驱动器和光盘驱动器）的接口。无人驾驶机载平台、陆地车辆或海军舰艇上的传感器处理器通常通过无线或卫星链路连接到企业网络。

外围设备 - 这些通过无处不在的通用串行总线（USB）连接，该总线连接到许多电子设备，包括键盘，指针设备和其他适配器。

图 2：柯蒂斯-赖特双英特尔酷睿 i7 4700EQ 基于 CHAMP-AV9 主板

开普攻克异质加工

OpenVPX 是异构系统的理想平台，这些系统执行无人驾驶车辆中高速雷达、图像处理、SIGINT 和电子战所需的处理。一个例子是柯蒂斯-赖特基于OpenVPX的双英特尔酷睿i7-4700EQ CHAMP-AV9 DSP模块（图2），包括OPENVPX背板上的32个PCIe 3.0扩展平面通道和16个10 Gbaud数据平面信号通道。该模块利用 OpenVPX 将 FPGA 的高速并行处理与 CPU 的软件功能结合在一起。这种范式的结果：设计人员能够征服无人平台最具挑战性的传感器处理应用要求。

审核编辑：郭婷