一种动态可重构星上处理系统评估平台及方法

技术领域

本发明涉及星上处理技术和星上处理评估技术领域，具体涉及一种动态可重构星上处理系统评估平台及方法。

背景技术

动态可重构星上处理系统是指处理系统可在运行时对可重构器件进行重新配置。根据系统粒度的不同，处理系统可分为粗粒度可重构系统和细粒度可重构系统。粗粒度可重构系统是由异构计算芯片组成的，可动态重构软件的处理系统，粒度细化至异构计算芯片一级。细粒度可重构系统是基于高能效动态可重构芯片设计的处理系统，粒度细化至芯片内的可重构处理单元。

由于传统的星上处理系统针对特定需求设计，普遍存在处理功能单一、开发周期长、灵活性差的问题，因此，近年来面向通用处理需求的新型动态可重构星上处理系统逐渐成为星上处理领域的主流。

新型动态可重构星上处理系统应用场景多样、技术指标复杂，评估验证存在较大的困难。目前国内外对星上处理系统测试评估的研究处于起步阶段，未建立成体系的星上处理系统评估平台。只有针对特定项目的地面检测设备，可以对星上处理的功能和性能指标进行简单的测试验证，无法全面地系统地测试评估星上处理系统的各项指标，为星上处理软硬件优化提供解决方案。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种动态可重构星上处理系统评估平台及方法。动态可重构星上处理系统评估平台是指通过模拟动态可重构星上处理系统，搭建测试平台，对星上处理系统的处理算法和硬件架构进行测试评估，并对处理算法和处理硬件架构给出综合评价，为提高星上处理能力、优化星上处理硬件构架，提供解决方案。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种动态可重构星上处理系统评估平台，包括载荷数据获取模拟分系统、星上处理模拟分系统和星上处理数据记录分析分系统；所述载荷数据获取模拟分系统、星上处理模拟分系统和星上处理数据记录分析分系统串联形成模拟星上处理数据流的闭环系统；所述载荷数据获取模拟分系统用于完成模拟载荷发送数据的时序、载荷数据格式的标准化以及数据格式的转化；所述星上处理模拟分系统用于完成星上处理系统的软硬件协同工作过程；所述星上处理数据记录分析分系统用于完成高速数据的汇集和处理、SAR图像质量分析和信号时频域分析。

进一步地，所述动态可重构星上处理系统评估平台包括硬件和软件；所述硬件包括标准化的测试总线、多种类异构计算硬件；所述软件实现底层硬件驱动模块化和功能化设计、针对不同的测试场景提供算法API、层次化设计。

进一步地，适配5种类型的处理芯片，分别为CPU、GPU、FPGA、NPU和DSP。

进一步地，包括可重构处理芯片。

进一步地，所述载荷数据获取模拟分系统包括处理器平台、数据传输单元和高性能存储单元。

进一步地，所述星上处理模拟分系统包括处理器平台、数据传输单元、GPU计算单元、FPGA计算单元、NPU计算单元和DSP计算单元。

进一步地，所述星上处理数据记录分析分系统包括处理器平台、数据传输单元和高性能存储单元。

本发明还提供一种动态可重构星上处理系统评估平台的评估方法，用于评估星上处理系统的处理算法时，将动态可重构星上处理系统评估平台中的载荷数据获取模拟分系统、星上处理模拟分系统和星上处理数据记录分析分系统串联起来，将待评估的算法加载到星上处理模拟分系统中，利用星上处理模拟分系统中的多种类异构计算硬件对不同算法进行原型验证和性能评估；

载荷数据获取模拟分系统产生算法所需激励数据，首先根据算法应用范围从数据云平台获取相应的数据集，用该数据集产生星上处理算法所需的载荷数据，接着将载荷数据转换为标准格式，并模拟载荷发送的时序，将载荷数据发送给星上处理模拟分系统作为算法所需激励数据；同时，载荷数据获取模拟分系统产生同步触发信号，确保三个分系统的时间同步以便计算处理延时；

星上处理模拟分系统接收到激励数据后，用待评估的星上处理算法对激励数据进行计算处理，计算完成后将处理结果发送到星上处理数据记录分析分系统；

星上处理数据记录分析分系统接收到处理结果后，记录处理结果、分析评估算法性能指标并计算出整个评估过程的处理延时，同时给出评估结论，用户根据评估结论判断算法性能和处理延时是否满足要求，并制定下一步的优化方案。

本发明还提供一种动态可重构星上处理系统评估平台的评估方法，用于评估星上处理系统的硬件架构性能时，将载荷数据获取模拟分系统、被测的星上处理系统和星上处理数据记录分析分系统串联起来，模拟星上处理的数据流传输和计算过程，通过用所述星上处理系统的硬件架构分别运行几种不同的星上处理通用算法，根据处理结果评估星上处理系统的硬件架构的性能；

载荷数据获取模拟分系统产生算法所需激励数据，首先根据算法应用范围从数据云平台获取相应的数据集，由所述数据集产生星上处理算法所需的载荷数据，接着将载荷数据转换为标准格式，并模拟载荷发送的时序，将载荷数据发送给被测的星上处理系统的硬件架构作为算法所需激励数据；同时，载荷数据获取模拟分系统产生同步触发信号，确保三个分系统的时间同步以便计算处理延时；

被测的星上处理系统的硬件架构接收到激励数据后，用星上处理通用算法对激励数据进行计算处理，计算完成后将处理结果发送到星上处理数据记录分析分系统；

星上处理数据记录分析分系统接收到处理结果后，记录处理结果、分析硬件架构性能指标并计算出整个评估过程的处理延时，同时给出评估结论，用户根据评估结论判断硬件架构性能是否满足要求，并制定下一步的优化方案。

本发明还提供一种动态可重构星上处理系统评估平台的评估方法，用于评估星上处理系统时，将系统中的载荷数据获取模拟分系统、被测的包括硬件架构和处理算法的星上处理系统和星上处理数据记录分析分系统串联起来，模拟星上处理的数据流传输和计算过程；

载荷数据获取模拟分系统产生算法所需激励数据，首先根据算法应用范围从数据云平台获取相应的数据集，由所述数据集产生处理算法所需的载荷数据，接着将载荷数据转换为标准格式，并模拟载荷发送的时序，将载荷数据发送给被测的星上处理系统的硬件作为算法所需激励数据；同时，载荷数据获取模拟分系统产生同步触发信号，确保三个分系统的时间同步以便计算处理延时；

被测的包括硬件架构和处理算法的星上处理系统接收到激励数据后，用内部加载的算法对激励数据进行计算处理，计算完成后将处理结果发送到星上处理数据记录分析分系统；

星上处理数据记录分析分系统接收到处理结果后，记录处理结果、分析处理系统性能指标并计算出整个评估过程的处理延时，同时给出评估结论，用户根据评估结论判断处理系统性能是否满足要求，并制定下一步的优化方案。

有益效果：

（1）本发明首次构建动态可重构星上处理评估平台，为动态可重构星上处理系统提供高效通用测试评估平台，解决此类系统当前缺乏高效通用测试手段的难题；

（2）本发明的评估平台具有高性能可重构的硬件处理资源，充分发挥了硬件平台的计算和存储性能，满足不同应用场景和算法对处理架构的需求；

（3）本发明利用评估平台对处理系统的硬件构架和芯片进行测试评估，根据评估结论，筛选出优秀的处理芯片和处理架构，从而可以提出高算力、高缓存、高带宽的动态可重构处理器的硬件解决方案，突破传统芯片能量效率低、容量受限、使用门槛高等限制，提高星上处理软硬件架构设计核心技术和产品研制能力，为动态可重构星上处理评估平台的架构设计提供依据；

（4）本发明利用评估平台测试不同的星上处理算法，得到算法处理性能和处理时效性等特点，为星上处理系统筛选出合适的算法；

（5）本发明模拟卫星载荷数据获取过程，为星上处理提供数据源；

（6）本发明模拟动态可重构星上处理系统的软硬件协同工作过程，验证处理算法和处理芯片；

（7）本发明提出的动态可重构星上处理模拟评估技术研究为国内外首次，评估技术面向各类星上处理芯片、处理算法和处理系统进行综合能力评估，在星上处理评估领域具有高普适性。在各类特定的应用场景下，对星上处理系统的设计和优化也具有指导意义。

附图说明

图1为星上处理测试设备结构示意图；

图2本发明的动态可重构星上处理评估平台组成框图；

图3为处理算法评估流程框图；

图4为处理硬件架构评估流程框图；

图5为处理系统性能评估流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的动态可重构星上处理评估平台为通用化和自动化的评估平台，其设计包括硬件设计和软件设计两方面。

在硬件设计上，以最大兼容性为原则设计，以满足不同测试场景的需求，包括：

1）采用标准化的测试总线，对星上处理系统的各类待测信号进行详细的分类，且分配足够数量的测试通道；

2）基于星上处理系统（或被测设备）涉及海量数据的特点，提高评估平台硬件的数据存储、数据缓存、数据访问和数据传输能力；

3）基于各种处理算法的特点，配备多种类异构计算硬件适应评估平台不同的计算需求。

在软件设计上，将各个功能单元模块化，以软件定义评估系统为方向，搭建评估平台，包括：

1）进行底层硬件驱动模块化和功能化设计，方便根据需求随时调用；

2）针对不同的测试场景，提供丰富的软件、算法API和易用的测试范例，提高测试效率；

3）统一标准，采用层次化和开放化的思想进行设计，提高软件的兼容性。

此外，星上处理应用场景复杂，处理算法的实现方法有很大的差异，如何针对不同算法选择适应性更好的处理芯片是一个重要的问题。评估平台包含多种异构计算资源，可以模拟多类型处理芯片的处理环境，快速直观地评估同一算法在不同类型处理芯片上实现的性能。

评估平台拟适配5种类型的处理芯片，包括CPU、GPU、FPGA、NPU和DSP。后续随着处理芯片性能的迭代和种类的增多，可扩展更多类型的处理芯片。针对特定的应用场景，还可定制可重构处理芯片，提高处理性能和能耗比。

开发者使用同一种算法可以在评估平台上快速进行二次开发，并部署到相应的计算单元中，快速评估处理性能和时效性。

如图2所示，本发明的动态可重构星上处理评估平台的架构主要根据星上处理系统的数据流来构建。如图1所示，星上处理流程大致包括：特定项目的载荷数据模拟产生器获取数据，然后经过星上处理系统（或被测设备），送入数据记录器，最后经过处理结果分析软件进行处理分析，那么对应于“卫星载荷获取数据-星上处理数据-数据下传分析”的星上处理流程，评估平台应具备模拟载荷获取数据过程、模拟星上处理系统、记录和分析星上处理数据的能力，因此评估平台的架构根据功能划分为3个分系统，分别是设置载荷数据获取模拟分系统、星上处理模拟分系统、星上处理数据记录分析分系统。

所述载荷数据获取模拟分系统主要完成模拟载荷发送数据的时序、载荷数据格式的标准化以及数据格式的转化。所述星上处理模拟分系统完成星上处理系统的软硬件协同工作过程。所述星上处理数据记录分析分系统完成高速数据的汇集和处理、SAR图像质量分析和信号时频域分析等。

所述评估平台设计为服务器机柜的形式，各个分系统设计为机架式服务器的形式装入机柜。评估平台通过将各个分系统串联可形成模拟星上处理数据流的闭环系统，实现处理算法原型验证等功能。同时，评估平台支持星上处理系统（或被测设备）的接入，被测设备可通过线缆与评估平台连接，实现被测处理系统的性能评估。系统中的各个分系统通过万兆以太网与远程服务器（如数据云平台）通信（即交换互联），用户可远程监控评估平台。

各个分系统设计为机架式通用服务器的结构，利用强大和高度密集且可扩展的计算能力和存储能力为系统支持，拥有充足的计算、内存、存储和连接选项，并可以针对特定的典型应用灵活配置。

评估平台实现的功能包括：1）处理数据的多源汇集和标准化；2）微波遥感成像算法的模型仿真和原型验证；3）遥感图像目标检测识别算法的模型仿真和原型验证； 4）星上处理系统（外部被测设备）的性能指标评估。

所述载荷数据获取模拟分系统由下述三部分组成，如表1所示。

表1

，

载荷数据获取模拟分系统在系统中承担以下功能：1）载荷数据的格式标准化；2）载荷数据传输的时序模拟；3）发起算法原型验证或处理系统评估的任务。

在软件方面，载荷数据获取模拟分系统运行系统任务管理软件和数据格式标准化软件，用于发起测试评估任务和载荷数据格式标准化。系统任务管理软件的主要功能如下：

1）与用户交互：用户在该软件进行任务发起、系统数据格式化、处理模块选择等操作；

2）发起任务：将待处理的数据发送到星上处理模拟分系统或被测设备，并调用信息处理控制软件与数据分析软件完成任务；

3）监测与记录系统工作状态，形成工作日志：监测任务过程中的系统状态，与操作记录一起形成工作日志；

4）系统数据的本地管理：管理各任务相关的本地数据；

5）系统数据的格式化：对不同型号的数据进行格式化，生成标准格式数据。数据格式标准化软件的主要功能如下：(a)载荷数据格式统一：利用载荷数据格式标准，将不同星上处理系统的载荷数据进行格式统一，载荷数据包括采集信号、图像和辅助数据等；(b)载荷数据信息标记：对输入载荷数据进行信息管理标记，标记信息包括载荷数据类型、生成时间、场景、大小等信息，建立完整的载荷数据库。

星上处理模拟分系统由下述六部分组成，如表2所示。

表2

，

星上处理模拟分系统在系统中承担以下功能：1）微波遥感成像算法的模型仿真和原型验证；2）遥感图像目标检测识别算法的模型仿真和原型验证；3）电子侦察与对抗算法的模型仿真和原型验证；4）雷达探测算法的模型仿真和原型验证。

在软件方面，星上处理模拟分系统运行星上处理模拟控制软件，用于控制处理单元加载与数据流传输，星上处理模拟控制软件的主要功能如下：

1）接收系统任务：接收系统任务管理软件下发的任务，包括模块选择，数据流控制方式等控制参数；

2）模块加载：加载选择的处理模块；

3）数据流控制：控制不同的处理模块实现数据流控制。输出处理结果到数据记录分析软件。

星上处理数据记录分析分系统由下述三部分组成，如表3所示。

表3

，

星上处理数据记录分析分系统在系统中承担以下功能：1）处理系统数据记录；2）处理系统的性能评估分析；3）处理系统的处理延时计算；4）微波遥感成像算法性能评估；5）遥感图像目标检测识别结果统计分析；6）电子侦察算法性能评估；7）雷达探测算法性能评估；8）电子对抗算法性能评估。

在软件方面，星上处理数据记录分析分系统运行数据记录软件和数据分析软件，用于处理数据的记录与分析，数据记录软件的主要功能包括：1）接收系统任务：接收系统任务管理软件下发的任务，完成不同的数据分析任务；2）数据记录：记录由信息处理分系统发送到星上处理数据记录分析分系统的处理数据。

数据分析软件的主要功能包括：1）数据分析：对处理数据进行数据分析，包括成像和目标检测识别的处理延时分析、目标检测的检测率和虚警率分析、目标识别分类的准确率分析等；2）形成分析报告：对分析结果形成分析报告。

基于评估平台丰富的硬件资源，其具备星上处理各类典型应用场景的评估验证能力。具体来说，评估平台具备典型应用场景相关算法的评估验证能力，具备星上处理设备的各项功能和性能指标的评估验证能力。下面分别介绍星上处理算法、硬件构架、星上处理系统的评估过程。

评估平台用于评估星上处理算法时，将平台中的载荷数据获取模拟分系统、星上处理模拟分系统和星上处理数据记录分析分系统串联起来，将待评估的算法加载到星上处理模拟分系统中，利用星上处理模拟分系统中强大的多种类的异构计算资源可对不同项目相关的各类典型算法进行原型验证和性能评估。如图3所示为评估星上处理算法的流程框图。

载荷数据获取模拟分系统产生算法所需激励数据。首先根据算法应用范围从数据云平台（如图2所示）获取相应的数据集，用该数据集产生星上处理算法所需的载荷数据，接着将载荷数据转换为标准格式，并模拟载荷发送的时序，将载荷数据发送给星上处理模拟分系统作为算法所需激励数据。同时，载荷数据获取模拟分系统会产生同步触发信号，确保三个分系统的时间同步以便计算处理延时。

星上处理模拟分系统接收到激励数据后，用待评估的星上处理算法对激励数据进行计算处理，计算完成后将处理结果发送到数据记录分析分系统。这里，待评估的星上处理算法需提前移植到星上处理模拟分系统中。由于系统内具有丰富的异构计算资源和软件开发套件，开发者可将待评估的算法快速移植进星上处理模拟分系统。

星上处理数据记录分析分系统接收到处理结果后，记录处理结果、分析评估算法性能指标并计算出整个流程的处理延时，同时给出评估结论，用户可根据评估结论判断算法性能和处理延时是否满足要求，并制定下一步的优化方案。

除具备评估算法的能力外，评估平台还具备评估星上处理硬件架构性能的能力。评估平台用于评估星上处理硬件架构时，用户可将系统中的载荷数据获取模拟分系统、星上处理系统（被测设备）和星上处理数据记录分析分系统串联起来，模拟星上处理的数据流传输和计算过程。对硬件架构的测试评估，主要是通过用该硬件架构分别运行几种不同的星上处理通用算法，根据处理结果来评估硬件架构的性能。

如图4所示，载荷数据获取模拟分系统产生算法所需激励数据。首先根据算法应用范围从数据云平台获取相应的数据集，由这些数据集产生星上处理算法所需的载荷数据，接着将载荷数据转换为标准格式，并模拟载荷发送的时序，将载荷数据发送给被测星上处理硬件架构作为算法所需激励数据。同时，载荷数据获取模拟分系统会产生同步触发信号，确保三个分系统的时间同步以便计算处理延时。

被测星上处理硬件架构接收到激励数据后，用星上处理通用算法对相应数据进行计算处理，计算完成后将处理结果发送到星上处理数据记录分析分系统。这里，星上处理通用算法需提前移植到被测星上处理硬件架构中。

星上处理数据记录分析分系统接收到处理结果后，记录处理结果、分析硬件架构性能指标并计算出整个流程的处理延时，同时给出评估结论，用户可根据评估结论判断硬件架构性能是否满足要求，并制定下一步的优化方案。

对星上处理系统的评估是指对算法和硬件架构的整体测试评估。评估平台用于评估星上处理系统时，用户可将系统中的载荷数据获取模拟分系统、星上处理系统（被测设备，包括硬件架构和算法）和星上处理数据记录分析分系统串联起来，模拟星上处理的数据流传输和计算过程。

如图5所示，载荷数据获取模拟分系统产生算法所需激励数据。首先根据算法应用范围从数据云平台获取相应的数据集，由这些数据集产生处理算法所需的载荷数据，接着将载荷数据转换为标准格式，并模拟载荷发送的时序，将载荷数据发送给被测星上处理系统的硬件作为算法所需激励数据。同时，载荷数据获取模拟分系统会产生同步触发信号，确保三个分系统的时间同步以便计算处理延时。

被测星上处理系统接收到激励数据后，用内部加载的算法对相应的数据进行计算处理，计算完成后将处理结果发送到星上处理数据记录分析分系统。

星上处理数据记录分析分系统接收到处理结果后，记录处理结果、分析处理系统性能指标并计算出整个流程的处理延时，同时给出评估结论，用户可根据评估结论判断处理系统性能是否满足要求，并制定下一步的优化方案。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。