一种基于SCA的动态部分可重构设备资源虚拟化与波形部署方法技术

本发明专利技术涉及一种基于SCA的动态部分可重构设备资源虚拟化与波形部署方法，解决现有SCA规范及相关实现仅提供了对FPGA全局动态重构的支撑，未对DPR技术进行支撑，重构粒度过大，资源不能得到有效的空时复用等问题。本方法建立从波形组件到FPGA动态部分可重构区域的映射关系。通过对核心框架下的域描述文件进行设计和配置，在SCA的规范下拓展了系统功能的同时不改变软件体系的整体架构，保证了组件的可移植性和平台的异构性，减小了开发和维护复杂度。

A dynamic partial reconfigurable device resource virtualization and waveform deployment method based on SCA

【技术实现步骤摘要】
一种基于SCA的动态部分可重构设备资源虚拟化与波形部署方法
本专利技术涉及一种软件无线电系统中的硬件设备虚拟化与软件部署机制。具体来说，涉及基于软件通信体系架构（SoftwareCommunicationsArchitecture，SCA）的软件无线电系统中，动态部分可重构可编程逻辑门阵列设备的硬件资源虚拟化与波形应用的动态部分可重构部署，该方法使用可扩展标记语言（eXtensibleMarkupLanguage，XML）进行方案设计，具有较大的灵活性，提高了软件无线电系统硬件资源利用率与波形部署效率。
技术介绍
民用无线通信领域存在种类繁多的通信制式，其中短距无线通信主要包括WIFI、蓝牙、Zigbee、REID等，长距无线通信有卫星通信、2G、3G、4G蜂窝网络等通信制式。目前，世界各国都在积极推进第5代移动无线通信技术的发展，未来5G通信也将在人工智能、高清多媒体、无人驾驶、远程医疗等多个方面取得大量应用。军用领域，以美军为例，其各军种之间的通信电台带宽覆盖2MHz-3GHz，通信制式多达几十种。在上述民用和军用领域，种类繁多的通信制式带来彼此各异的硬件设备平台，使得软件开发和维护难度大，升级周期长。软件无线电（SoftwareDefinedRadio，SDR）技术是继有线通信到无线通信，模拟通信到数字通信之后的第三次通信革命。SDR的核心是搭建一个标准化、通用化、集成化的硬件平台，通过加载不同的通信波形软件实现通信方式的切换。SDR系统的组成可分为硬件平台和软件体系架构，其中硬件平台通常采用通用处理器CPU与可重编程、可重构的专用处理器如FPGA、DSP等。业内也出现了将射频、信号处理、模数转换等功能进行硬件模块化设计SDR硬件解决方案以适应不同通信波形需求，比如USRP、Sora等硬件开发平台。软件体系架构以美军联合战术网络中心（JointTacticalNetworkingCenter，JTNC）发布的SCA应用最为广泛，截止到2017年底美军装备了约50万部基于SCA的各型软件无线电电台。2018年美军将SCA4.1作为强制标准在全军进行推广，标志着SCA标准已成为全球军事无线通信系统的技术体制和发展方向。现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）可以通过加载不同的比特流文件实现内部逻辑功能的转换，功能重构时根据重构资源数量可分为动态全局重构和动态部分可重构（DynamicPartiallyReconfigurable，DPR），全局重构时会重构整个芯片的资源，当任务实例占用资源较小时将造成计算资源的浪费。DPR技术可以使不同任务同时运行在FPGA的不同区域，相互之间不受影响，增加了硬件资源利用率。然而，已有SCA规范及相关实现仅提供了对FPGA全局动态重构的支撑，未对DPR技术进行较好的支撑，重构粒度过大，导致资源不能得到有效的空时复用。本专利技术将基于SCA架构设计DPRFPGA的硬件资源虚拟化与波形部署方案，从而发挥SCA与DPR的优势，提升系统的综合性能与灵活性。
技术实现思路
为了解决基于SCA体系架构的软件无线电系统中FPGA的重构粒度大，资源利用率低的不足，本专利技术提出了一种基于SCA的动态部分可重构设备资源虚拟化与波形部署机制。本方法通过利用XML语言对SCA中逻辑设备的域描述文件进行资源虚拟化设计，包含FPGADPR的相关实现与波形组件的动态部分可重构部署。在不影响系统功能的前提下，让FPGA可以做到空时复用，减小FPGA的重构粒度。在SCA的架构下，硬件设备被抽象封装成逻辑设备组件，每个组件都有相应的域描述文件来描述组件的实现、端口连接等信息。域管理器通过解析XML域配置文件启动、初始化、运行、配置、重构相应的应用程序。域描述文件根据描述内容的不同可分为设备包描述文件（DPD）、设备配置描述文件（DCD）、软件装配描述文件（SAD）、软件包描述文件（SPD）、软件组件描述文件（SCD）、属性描述文件（PRF）、域管理器配置描述文件（DMD）等。为了解决SCA规范中对FPGA动态部分可重构能力支撑不足的问题，对SPD文件与PRF文件进行设计完成设备的DPR资源虚拟化与波形部署，在符合SCA规范的前提下完成动态部分可重构功能实现。SCA规范是软件无线电系统能够发挥平台异构性、加载软件完成功能切换的保证，针对SCA规范下软件组件的动态部分可重构部署，本专利技术提出了从域内波形应用创建、依赖性检查、容量分配、可重构部署完整的映射流程。本专利技术所采用的技术方案是：基于SCA的运行机制，分析硬件设备资源虚拟化与软件组件的部署方式，通过逻辑设备组件的SPD和PRF域描述文件提供多种划分方式，多种资源配置的FPGA动态部分可重构资源虚拟化方式；通过XML域描述文件提供FPGA的动态部分可重构资源虚拟化与组件的动态部分可重构部署机制，SCA通过解析波形组件的SPD和PRF域描述文件，完成依赖性检查、容量分配、动态部分可重构部署一系列操作，进而建立起FPGA可重构区域与波形组件的映射关系；具体包括下述步骤：1.动态部分可重构设备资源虚拟化1.1SPD文件核心元素及组成基于SCA架构的软件无线电系统中，将物理计算设备组件化并设计成逻辑设备组件，通过核心框架（CoreFramework，CF）中的基本设备接口和基本设备组件对动态部分可重构的FPGA进行软件组件化，抽象封装成支持DPRFPGA的逻辑设备组件。该逻辑设备组件的SPD文件将FPGA进行资源虚拟化，配置FPGA的DPR参数信息，以支持划分区域不同的多种重构方式与粒度更小的资源分配。SPD文件为树状结构，softpkg是整个SPD文档的根元素，包含title、author、description、propertyfile、descriptor、implementation、usesdevice等7个子元素。（1）title元素：表示该软件组件的名称。（2）author元素：表示该软件组件的开发者信息。（3）description元素：表示该软件组件的额外描述信息。（4）propertyfile元素：表示该SPD文件引用的PRF文件。（5）descriptor元素：表示该SPD文件引用的SCD文件。（6）implementation元素：表示该软件组件的实现信息。（7）usesdevice元素：表示该软件组件与系统中其他设备间的使用关系。implementation元素是设备DPR资源虚拟化的核心元素，为软件组件的特定实现方式提供描述信息，一个softpkg可以包含多种不同的实现方式，例如该组件支持不同类型的处理器、操作系统。该元素还允许定义在设备组件或应用组件创建过程中所用到的依赖性属性。该元素的id属性用于唯一标识软件组件的一个特定实现方式。implementation元素包含description、propertyfile、code、compiler、programmingla本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SCA的动态部分可重构设备资源虚拟化与波形部署方法，包含动态部分可重构设备资源虚拟化及基于SCA的波形组件动态部分可重构部署，其特征在于，在基于SCA规范的标准下，利用逻辑设备的域描述文件完成动态部分可重构资源虚拟化，通过波形组件的域描述文件完成组件的动态部分可重构部署，/n所述动态部分可重构设备资源虚拟化，具体步骤包括：/n1.1 SPD文件核心元素及组成/n将计算设备组件化并设计成逻辑设备组件，对动态部分可重构的FPGA进行软件组件化，抽象封装成支持DPR FPGA的逻辑设备组件，/nSPD文件为树状结构，softpkg是整个SPD文档的根元素，包含title、author、description、propertyfile、descriptor、implementation、usesdevice7个子元素；/n1.2 FPGA设备DPR资源虚拟化/nFPGA逻辑设备组件的域描述文件设计如下：/n步骤1：配置SPD文件的softpkg根元素使其包含多个implementation子元素；/n每个implementation元素配置一种FPGA动态部分可重构区域划分方式的资源描述，/n步骤2：配置implementation元素中引用的PRF文件，/nPRF文件提供该划分方式下的各个动态部分可重构子区域的资源配置；/n步骤3：配置SPD文件的softpkg根元素下的PRF文件，/nsoftpkg根元素下的PRF文件包含FPGA的型号和运行环境及版本信息，供波形组件部署时进行依赖性检查使用；/n步骤4：配置保证该逻辑设备组件运行和功能描述的其他信息，/nsoftpkg根元素下的author、descriptor、description子元素提供组件开发者、组件端口连接、组件功能描述信息；/n所述基于SCA的波形组件动态部分可重构部署机制，具体步骤包括：/nSCA通过解析波形应用的域描述文件获得各个组件的连接、配置关系，/n波形应用在SCA域内的创建及组件部署流程如下：/n步骤2.1：客户端调用CF框架控制接口中ApplicationFactory接口的create操作，/ncreate操作在SCA域内创建应用，该操作提供一个客户端接口用来在客户端请求的设备上创建应用；/n步骤2.2：SCA解析波形应用的域描述文件，包括应用的SAD文件和各个组件的SPD文件获得应用的组成、各个组件之间的端口连接、组件部署所需的处理器/运行环境配置信息；/n步骤2.3：逻辑设备执行allocateCapacity操作，分配组件运行所需的内存、处理器，更新Device的内存和处理器使用情况；/n步骤2.4：逻辑设备通过LoadableInterface和ExecutableInterface完成组件的加载和执行。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于SCA的动态部分可重构设备资源虚拟化与波形部署方法，包含动态部分可重构设备资源虚拟化及基于SCA的波形组件动态部分可重构部署，其特征在于，在基于SCA规范的标准下，利用逻辑设备的域描述文件完成动态部分可重构资源虚拟化，通过波形组件的域描述文件完成组件的动态部分可重构部署，
所述动态部分可重构设备资源虚拟化，具体步骤包括：
1.1SPD文件核心元素及组成
将计算设备组件化并设计成逻辑设备组件，对动态部分可重构的FPGA进行软件组件化，抽象封装成支持DPRFPGA的逻辑设备组件，
SPD文件为树状结构，softpkg是整个SPD文档的根元素，包含title、author、description、propertyfile、descriptor、implementation、usesdevice7个子元素；
1.2FPGA设备DPR资源虚拟化
FPGA逻辑设备组件的域描述文件设计如下：
步骤1：配置SPD文件的softpkg根元素使其包含多个implementation子元素；
每个implementation元素配置一种FPGA动态部分可重构区域划分方式的资源描述，
步骤2：配置implementation元素中引用的PRF文件，
PRF文件提供该划分方式下的各个动态部分可重构子区域的资源配置；
步骤3：配置SPD文件的softpkg根元素下的PRF文件，
softpkg根元素下的PRF文件包含FPGA的型号和运行环境及版本信息，供波形组件部署时进行依赖性检查使用；
步骤4：配置保证该逻辑设备组件运行和功能描述的其他信息，
softpkg根元素下的author、descriptor、description子元素提供组件开发者、组件端口连接、组件功能描述信息；
所述基于SCA的波形组件动态部分可重构部署机制，具体步骤包括：
SCA通过解析波形应用的域描述文件获得各个组件的连接、配置关系，
波形应用在SCA域内的创建及组件部署...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐麒，郭彪，魏急波，王喆，黄圣春，周力，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43