（微电子学与固体电子学专业论文）基于片上多核的gps导航数据定位解算方法研究.pdf

基于片上多核的g p s 导航数据定位解算方法研究 摘要 近年来，多核系统的研究和应用，越来越多地受到关注。由于存储器性能 提高的速度远不及处理器，片上多核存储系统已成为制约多核系统性能提升的 重要因素，同时也会制约多核系统在实际应用中的发展。全球定位系统( g p s ) 是当代精密卫星导航定位系统，它具有全能、全球、全天候、连续实时的精密 三维导航和定位能力，在国防军事和民用领域有着广泛的应用价值和发展潜力， 其中伪距定位一直是g p s 导航定位系统的一个重要研究和应用领域。 本文在介绍g p s 伪距绝对定位基本原理基础上，研究了定位数据处理方 法，建立了卡尔曼滤波g p s 定位模型，研究该算法在片上多核及其存储系统的 实现。论文研究工作如下： 1 、本文在继承当前国际上多核系统研究成果的基础上，研究设计了基于共 享总线结构和二维网格结构的多核存储系统模型，并对多处理器核系统的架构 及各组成部分进行探讨，重点分析了各处理器核及核间通信方式、多核存储系 统层次结构设计的方法和特点，同时对片上存储器进行了功能划分，并介绍了 各存储模块的功能。 2 、介绍g p s 信号的结构、伪距绝对定位基本原理，详细研究了定位数据 处理方法一一卡尔曼滤波定位算法，在此基础上，根据g p s 定位原理，建立了 g p s 定位模型，实现该算法在片上多核的映射，并设计基于存储系统的解决方 案。 3 、初步完成了定位解算在多核系统中的实现，对所设计的解决方案进行了 初步验证，从而论证了设计基于多核s o p c 的g p s 导航定位接收机系统的可行 性。 关键字：多核存储系统s o p cg p s 定位 r e s e a r c ho i lp o s i t i o n i n ga l g o r i t h mf o rg p sn a v i g a t i o nd a t a b a s e d0 1 1t h em u l t i p r o c e s s o r a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，i cd e s i g n e r sp a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fm u l t i p r o c e s s o rs y s t e m a sa d v a n c ei np e r f o r m a n c eo fp r o c e s s o r si s m u c hf a s t e rt h a nt h ei m p r o v e m e n to fm e m o r yp e r f o r m a n c e ，m e m o r ys y s t e mf o r m u l t i - p r o c e s s o r o n c h i p h a sb e c o m ea n i m p o r t a n t r e s t r i c tf a c t o ro fb o t h m u l t i p r o c e s s o rs y s t e mp e r f o r m a n c ea u g m e n ta n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) i sac o n t e m p o r a r ys o p h i s t i c a t e ds a t e l l i t en a v i g a t i o na n d p o s i t i o n i n gs y s t e m ，w h i c h h a s p r e s e n t e d e x t e n s i v ea p p l i c a t i o nv a l u e a n d d e v e l o p m e n tp o t e n t i a li nt h ef i e l do fm i l i t a r yd e f e n s ea n dc i v i l i a na r e ad u et oi t s a d v a n t a g e s o f a l l - r o u n d ， g l o b a l ， a l l - w e a t h e r ， c o n t i n u o u s r e a l 。t i m e t h r e e d i m e n s i o n a ln a v i g a t i o na n dp r e c i s ep o s i t i o n i n gc a p a b i l i t y p s e u d o r a n g e p o s i t i o n i n ga s s u m e s a l l i m p o r t a n t a r e ao fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni ng p s n a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n gs y s t e m t h ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m so fp o s i t i o n i n gd a t aw a ss t u d i e di nt h i st h e s i s ，a n d k a l m a nf i l t e rm o d e lo fg p sp o s i t i o n i n gw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h e b a s i c p r i n c i p l e o fg p s p s e u d o r a n g e p o s i t i o n i n g m e m o r y s y s t e m f o r m u l t i p r o c e s s o r o n c h i p h a sb e e nd i s c u s s e d ，t h e nt h ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m so f p o s i t i o n i n gd a t aw e r ea c h i e v e db a s e do nt h em u l t i - p r o c e s s o r - o n - c h i ps y s t e ma n d m e m o r ys u b s y s t e m m a i n w o r k so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ec u r r e n ti n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hr e s u l t so nm u l t i 。p r o c e s s o r s y s t e m s ，m u l t i p r o c e s s o rm e m o r ys y s t e mm o d e l s w a sa n a l y z e d t w om e m o r y s t r u c t u r e s ，s h a r e d b u sa n d2 dm e s h ，w e r ed e s i g n e d s t r u c t u r ea n dc o m p o m e n to f m u l t i p r o c e s s o rs y s t e mw e r ed i s c u s s e d ，e s p e c i a l l yt h ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m a n dt h e m e m o r yh i e r a r c h y a r c h i t e c t u r e o nc h i pm e m o r yc l a s s i f i c a t i o nw a s i n t r o d u c e da n df u n c t i o no f e a c hm e m o r yc o m p o n e n t sw e r ed i s c u s s e d 2 g p ss i g n a ls t r u c t u r ea n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fp s e u d o r a n g ep o s i t i o n i n g w e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ep r o c e s s i n gm e t h o do fp o s i t i o n i n gd a t a ，k a l m a nf i l t e rg p s p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m ，w a s s t u d i e di nd e t a i l t h e nb a s e do ng p sp o s i t i o n i n g p r i n c i p l e ，t h eg p sp o s i t i o n i n gm o d e l a r ee s t a b l i s h e d 3 t h ef u n c t i o no fg p sp o s i t i o nr e s o l u t i o nw a sp a r t i a l l yi m p l e m e n t e db a s e do n m u l t i p r o c e s s o rs y s t e m ，w h i c h s h o w st h e f e a s i b i l i t y o ft h e d e s i g no fg p s n a v i g a t i o nr e c e i v e rb a s e do nm u l t i - c o r es o p c k e y w o r d s ：m u l t i - p r o c e s s o r ，m e m o r ys y s t e m ，s o p c ，g p s ，p o s i t i o n i n g i i i 插图清单 图1 1 设计效率与芯片集成规模之间的“剪刀差”2 图1 2 典型的s o p c 系统模块框图4 图1 3g p s 系统组成5 图1 - 4g p s 接收机的基本结构6 图2 1 多核系统基本结构1 0 图2 2 基于总线共享的多处理器系统1 0 图2 32 x 2 n o c 结构1 1 图2 - 4 通讯互连架构1 2 图2 5 分布式全局共享总线结构1 2 图2 6 本地a v m o n 总线_ 1 3 图2 7n i 数据包结构1 3 图2 8s w i t c h 示意图1 4 图2 - 9 存储器和处理器性能随时间的变化曲线( 用对数坐标描绘) 1 5 图2 1 0 基于集中式共享总线结构的分布式共享存储子系统1 6 图2 1 1 基于分布式共享总线结构的分布式共享存储子系统1 7 图2 1 2 基于网络的存储结构1 8 图3 1g p s 地面监控站的分布2 0 图3 2 地面监控部分系统方框图2 0 图3 3g p s 单点定位示意图2 1 图3 - 4 伪距观测量定位示意图2 3 图3 5g p s 卫星发射信号构成原理框图。2 4 图3 6c a 码发生器2 5 图3 7g p s 导航电文的组织结构2 7 图3 8 每个子帧的内容：2 8 图3 - 9 导航电文子帧1 的数据比特内容2 9 图3 1 0 导航电文子帧2 的数据比特内容3 0 图3 11 导航电文子帧3 的数据比特内容3 0 图3 1 2g p s 卫星轨道参数及示意图j 。3 1 图3 1 3 卡尔曼滤波的系统模型3 4 图3 1 4 卡尔曼滤波的递推算法3 5 图3 15g p s 定位的卡尔曼滤波算法流程3 7 图4 1s o p c 系统开发的整体流程图3 9 图4 2s o p c 硬件系统开发流程图4 0 图4 3s o p c 软件开发流程图4 0 图4 - 4 基于h a l 的系统层次4 1 图4 5n i o si i 处理器核心框图4 2 图4 6g p s 导航接收机工作流程图4 4 图4 7g p s 导航数据定位解算设计流程图：4 5 图4 8 可视卫星位置计算流程图4 6 图4 9 接收机定位解算流程4 8 图4 1 0 位置解算代码片段初始数据4 9 图4 nj p e g 标准的解码过程5 0 图4 1 2 颜色空间转换代码片段5 1 图4 1 3s t r a t i xi ie p 2 s 1 8 0 开发板5 2 图4 1 4j p e g 解码流程( 总线结构) 5 3 图4 15j p e g 解码流程州o c 结构) 5 4 图4 1 6 总线结构核间通讯读操作代码片段5 6 图4 1 7 总线结构核间通讯写操作代码片段5 7 图4 1 8n o c 网络传输数据代码片段k 5 8 图4 1 9s o p c 系统配置5 9 图4 2 0n i o si ii d e 开发界面5 9 v i 表格清单 表1 1i t r s2 0 0 9 预测表2 表4 1n i o si i 类型系列处理器的特性4 3 表4 2 资源利用率5 4 表4 3 加速比表5 4 i x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金目里工些太堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 拗 签字嗍加年乒月刀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金目旦工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 刮彩 签字日期：勿肜年4 - 月刃日 学位论文作者毕业后去向： j ：作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：2 o l o 年争月矽e l 电话： 邮编： 致谢 首先感谢我的导师高明伦教授。高老师渊博的学识，严谨的治学态度，对 学生的谆谆教导和生活上的关心深深记在我心中。在我今后的人生道路上我会 牢记高老师的教诲，保持谦逊的学习态度和刻苦钻研的精神。 感谢张多利老师、杜高明老师、宋宇鲲老师和解放军电子工程学院的李东 生教授在我项目上的指导和严格要求。感谢张多利老师对我论文上的指导和修 改。 感谢本文研究工作的资助项目：安徽省自然科学基金资助项目“可重构 m p s o c 体系结构关键技术研究”( 项目编号：0 9 0 4 1 2 0 2 9 ) 。 感谢尹勇生老师、邓红辉老师、王晓蕾老师、王锐老师、胡永华老师在课 程学习上的指导。 感谢林微老师、范阿姨、胡剑、木子一在实验室日常事务中的辛勤劳动。 感谢耿罗峰师兄对我在基础知识学习上的指导和帮助。感谢n o c 项目组成 员温海华、肖福明、黄俊俏、陈迎春、何莹莹同学在长期合作中对我的帮助。 感谢视频组成员胡学权、覃春平、于亚轩、吴腊狗、程贤文同学在项目中的合 作与帮助。 感谢兵器二一四研究所的各位领导和师傅在我工作、学习期间的支持与指 导帮助，感谢同事们的合作与帮助。 感谢我的父母，感谢他们多年来对我的教育和养育之恩，感谢我的兄长多 年来对我工作、学习的支持和帮助。 i v 刘艳 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 随着半导体集成电路制造工艺水平和设计技术的发展，超大规模集成电路 技术已经成为现代科学技术发展的一个主要推动力，该领域是计算机和通信的 基础，并且保持着全速发展，目前设计技术的发展在努力跟上工艺技术的飞速 发展。集成电路的集成密度、复杂度和性能在过去的三十多年间经过了一场翻 天覆地的革命。在2 0 世纪6 0 年代，g o r d o nm o o r e 预见了能够在一个单片上集 成的晶体管数目将随时间按指数规律增长，即著名的摩尔定律：电路集成的复 杂程度大约一至两年翻一倍。集成电路发展至今，逻辑i c 集成密度以每3 年4 倍的速度持续增长【l j 。 在2 0 世纪，随着以微电子技术为基础的计算机、通信、航空航天等技术的 高速发展，基于卫星的无线电导航系统已经成为目前主流的定位和导航的系统 架构。目前，全世界已经投入运行的卫星定位和导航系统有美国的g p s ( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ) 和俄罗斯的g l o n a s s 2 儿3 1 ，近几年才投入使用的有欧盟的 g a l i l e o 和我国的北斗系统。 从系统构成的角度分析，基于卫星的定位和导航系统主要由空间卫星网络、 地面控制中心和用户终端构成；从技术的角度分析，卫星定位和导航系统涵盖 了卫星姿态控制、卫星通信、原子钟技术、控制理论、微电子技术、系统状态 参数估计和测绘测量等诸多现代科技分支。总体而言，基于卫星的定位和导航 系统是现代科技多分支的有机结合，体现了一个国家的综合技术实力，是当前 世界大国和主要利益集团之间发展和竞争的热点科技领域。 定位和导航技术在国防和军事上的重要性不言而喻，同时在民用领域也已 经展现了巨大的应用前景和广阔的商业市场，势必在不远的将来改变我们大多 数人的思维方式和生活习惯，为人类社会的发展做出巨大的贡献。 1 2 多核技术 由于半导体工艺水平高速发展，而集成电路设计效率的增长速度相对缓慢， 导致了设计效率的增长率总是滞后于芯片集成度的增长率，产生了一个差值即 著名的“剪刀差一一集成电路加工技术在以每年5 8 的速度发展，而设计效 率的发展速度只有平均每年2 1 ( 参见图1 1 【4 1 ) ，并且他们之间的差距将越来越 大。为了跟上工艺技术的发展速度，在新的物理效应和剪刀差的压力下，必定 要发生芯片基础架构及其设计方法学的全新变革【5 】，如i t r s ( i n t e r n a t i o n a l t e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s ，国际半导体技术蓝图) 2 0 0 9 年的预测【3 剐 报告也说明了这一点，如表1 1 所示。多核设计技术和i p 复用技术正是这场变 革的“参与者与实践者 。 1 0 , 0 0 0 ，、1 , 0 0 0 是 磐 1 0 0 戴 鐾 1 0 龌 警 1 避 爹 o t 巾 l l - 0 _ 0 i 删嚯 j 删年 集成规模增篓 所 一一 一，彳惫| 肆 。么豸中- l 设计效率增长 ；霉警备露荔嚣，警譬玺薹鲁警箸盆 璧篓篓篓娶璺璺篓墨量嚣蠹蕊翕蕊1 一 _ _ _ 一一一 _ 一- n 曩叶鼍_ _ 图i - i 设计效率与芯片集成规模之间的“剪刀差” 表1 1i t r s2 0 0 9 预测表 t 设荨复用 年嚣 年份 2 0 0 92 0 1 02 0 1 12 0 1 22 0 1 32 0 1 4 单芯片功能单元 2 2 1 22 2 1 24 4 2 44 4 2 48 8 2 8 8 8 2 8 ( 百万晶体管) 高性能 芯片尺寸( 删n 2 ) 2 6 01 8 42 6 01 8 42 6 02 6 0 口u 百万晶体管数c m 2 8 5 l1 2 0 31 7 0 12 4 0 63 4 0 34 2 8 7 ( 包括s r a r v 0 量产芯片功能单元 7 2 9 91 0 3 2 31 4 5 9 92 0 6 4 62 9 1 9 83 6 7 8 6 ( 百万晶体管) 量产最大芯片尺寸 8 5 88 5 88 5 88 5 88 5 8 8 5 8 a s i c ( m m 2 ) 百万晶体管数e m 2 8 5 l1 2 0 31 8 0 12 4 0 63 4 0 34 2 8 7 在单处理器核产品中，提高性能主要通过提高频率和增大缓存来实现。提 高频率会导致芯片功耗的增大；而增大缓存则会让芯片晶体管规模激增，造成 芯片成本大幅度增加。这两种措施代价高昂，却也只能带来性能的小幅度提升。 而如果引入多核技术，便可以在较低频率、较小缓存的条件下达到大幅提高性 能的目的。相比大缓存的单核产品，耗费同样数量晶体管的多核 s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 拥有更出色的效能，同样在芯片的晶体管效率方面，多核 设计也有明显的优势p j 。 多处理器系统芯片( m l t i p r o c e s s o r ss y s t e m o n c h i p ，m p s o c ) 指的是在单一 芯片上集成多个处理器的复杂s o c ，由计算节点、通讯节点和其它功能模块组 成【9 】。计算节点完成广义的计算任务，它们既可以是微处理器或s o c ，也可以 是单一功能的i p ；通讯节点及其连线负责计算节点之间的数据通讯，可以是总 线，也可以是网络或任何其它通讯工具；其它功能模块是共享存储器、外设接 口等模块。 m p s o c 提供了支持高效率可重用设计方法学的体系结构。现有的s o c 完 全可以作为m p s o c 的功能模块参与可重用设计，其重用效率大大提高，但同 时也在硬件和软件的设计上对设计人员提出了新的挑战【5 1 。随着单芯片上集成 的处理核个数的增加，芯片规模变得越来越庞大，系统设计也变得更加复杂。 既要进行硬件部分的设计，也包括软件设计部分。虽然在多处理器系统芯片的 设计工作中设计人员可以借鉴传统的计算机体系结构和s o c 系统的设计经验， 但仍然存在着一些技术难题制约m p s o c 的实现。这些机遇和挑战使得m p s o c 的设计成为研究的热点。 1 3s o p c 技术 在系统设计复杂度不断提高及新产品市场周期不断缩短的双重压力下，系 统和i c 设计者为了寻求灵活、快捷的设计方法与途径，设计者们把f p g a 及单 个或多个微处理器核内嵌在同一个芯片上，构建成一个可编程的s o c ( 单芯片系 统) 或多核s o c 体系框架结构，建成所谓的可编程芯片系统s o p c ( s y s t e mo na p r o g r a m m a b l ec h i p ) 。 1 3 1s o p c 系统简介 s o p c 系统是一种新的系统设计技术，也是一种新的软硬件协同、综合设 计技术。通过s o p c 设计技术，我们可以快速地将硬件系统( 包括微处理器，存 储器，外设以及用户逻辑电路等) 和相应的软件设计以及系统所需要的各功能模 块都集成在一个可编程的芯片中，从而达到系统的i c 设计，并构建成一个可编 程的片上系统。该系统具有开发周期短、系统可修改( 即可扩充、可剪裁、可升 级) 性强等特点。业界第一款可编程逻辑优化的可配置处理器是2 0 0 0 年a l t e r a 发布的r i s c 处理器软核一一n i o s 核，它正是基于s o p c 技术的，是a l t e r a e x c a l i b u r 嵌入式处理器计划中的第一个软核产品。 s o p c 系统的硬件平台包括：a l t e r a 的n i o s 处理器、a v a l o n 总线，片内外 存储器以及外设i p 模块等【6 1 ，典型的s o p c 系统模块框图如图1 2 所示【3 2 1 。系 统开发的过程中，用户也可以设计自己的外设i p 模块，s o p cb u i l d e r ( 嵌入式处 理器开发软件包) 】会根据用户选择的i p 生成相应的h d l 描述文件( 即相应的系 统模块文件) ，这些文件与用户逻辑区域内的设计描述文件一起由q u a r t u si i 软 件( a l t e r af p g a 的集成开发环境) 进行引脚定义和综合，再下载到f p g a 内，构 成系统的硬件基础。 l n s t r - 【娶罕笔。舞； a d d r e s s “i 。“ n i o s c p u d e c o d e r a v a l o n 。d a t a m a s t e r s i a v e p o r t t i m e r 0f “- o n - c h i pd e b u gc o r e i n t e r r u p t i n t e r f a c e s “i 1 n u c u -c o n t r o l l e r 、 r p ln 1 ”“ r 1 7 l 0 11u i d tn 、i ts t a t e。i “ o f f - c h i ps o f t w a r eg e n e r a t i o n t r a c em e m o r y i g p i o0 i ，去：“ d a t a i n 、 i v r l u n m u l t i p l e x e r d m a 0p “一 - 1 工，乩久n | 舳m ；a 删s t e i r | i 龇蛐劬m p “、i， d y n a m i c 。 1 iu r - d e f i n e d 伫：墨 b u ss i z i n g 7 l i n t e r f i t e e 。“i a v a l o n 总线模块 。a 图l - 2 典型的s o p c 系统模块框图 在进行s o p c 系统设计时，利用s o p cb u i l d e r ，用户可以很方便地将微处 理器、存储器和其它外设i p 模块连接起来，再通过软件开发平台进行软件设计， 形成一个完整的系统。 现在研究、学习s o p c 技术的人员越来越多，本文旨在研究基于m p s o c 系统的基础上，采用n i o si i 的s o p c 平台，研究多核存储器层次结构和g p s 导航数据定位解算处理算法，并开发验证基于n i o si i 多核平台的s o p c 系统的 设计和基于该平台的g p s 导航数据定位解算。 1 3 2s o p c 的多种解决方案 s o p c 技术是美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年最早提出的，并同时推出了相应的 开发软件。s o p c 是基于f p g a 解决方案的s o c ，与a s i c 的s o c 解决方案相 比，s o p c 系统及其开发技术具有更多的特色，构成s o p c 的方案也有多种途 径：基于f p g a 嵌入i p 硬核或软核的s o p c 系统，基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统实现等解决方案l 6 】。 例如a l t e r a 的e x c a l i b u r 系列f p g a 中植入了a r m 9 2 2 t 处理器，x i l i n x 的 v i r t e x i ip r o 系列中植入了p o w e r p c 4 0 5 处理器，这是基于f p g a 嵌入i p 硬核 的s o p c 系统。这种系统使得s o p c 系统的实现更方便、灵活。在该系统中可 以利用f p g a 中的可编程逻辑资源和i p 软核，直接利用f p g a 中的逻辑宏单元 来构成该嵌入式处理器的接口功能模块，并可以直接配置存储器、各种通信接 4 口、v g a 接口或其它专用接口【6 】。该系统把f p g a 灵活的硬件设计和硬件实现 与嵌入式处理器强大的软件功能有机结合，并能提高系统的可靠性和稳定性。 但是，将i p 硬核直接嵌入f p g a 中的解决方案存在着嵌入式处理器硬件资 源无法裁剪、在同一f p g a 中只能使用一个处理器核、处理器的接口方式和总 线规模乃至指令形式无法裁剪等不利因素，所以构建基于f p g a 嵌入i p 软核的 s o p c 系统可以克服以上不足【6 】。目前最具有代表性的软核嵌入式处理器核有 a l t e r a 公司的n i o si i 核、x i l i n x 公司的m i c r o b l a z e 核等。在处理器核配置到 f p g a 之前，用户可根据设计要求，利用相应开发平台，对处理器软核及其外 围系统进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全 面满足用户系统设计的要求。 基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统实现，是利用原有的f p g a 开发工具， 将已经成功实现于f p g a 器件上的s o p c 系统通过特定的技术直接向a s i c 转 化，把大容量的f p g a 灵活性和a s i c 的市场优势结合起来，实现在对于有较 大批量要求并对成本敏感的电子系统产品上，从而避开了直接设计a s i c 的困 难。 1 4g p s 系统简介 g p s 系统( n a v i g a t i o n s a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a l p o s i t i o n i n g s y s t e m ，卫星测时测距导航全球定位系统) 是由美国国防部的陆、海、空三军 在7 0 年代联合研制的新型卫星导航系统，其所有权、控制权和运行权都属于美 国。其主要目的是为陆、海、空三军提供连续、实时、全能、全天候和全球性 的导航服务，并用于情报收集、应急通讯和信息监测等一些军事目的。近年来， g p s 系统在汽车和手持设备导航、工程测量等民用领域同样发展迅猛。g p s 系 统包括下列三大部分组成：g p s 空间部分( g p s 卫星) 、地面支撑系统( 地基监控 站) 和g p s 用户设备部分( g p s 接收机) ，如图1 3 所示【2 】。 图1 3g p s 系统组成 g p s 的空间星座部分和地面监控部分是用户应用该系统进行导航定位的基 础，而用户只有使用g p s 接收机才能实现其定位、导航的目的。目前，国际上 用于工程测量工作的g p s 接收机亦有众多产品问世，它们被广泛地应用于交 通、大地测量、勘探和地球物理等领域。g p s 接收机的基本结构如图1 4 【2 】所示。 图1 - 4g p s 接收机的基本结构 g p s 系统除定位服务外，同时也能利用g p s 卫星具有的高稳定性原子时钟 为用户提供授时服务，由此用户可以计算出自身的速度。这些服务被称为标准 的p v t ( 位置、速度、时间) 服务。g p s 提供两种精度不同的p v t 测量：标准定 位服务( s p s ) 和精密定位服务( p p s ) 3 1 】。s p s 是为民用服务的，而p p s 是为美国 军方用户和特定的政府部门用户服务的，两者精度不同。 1 5 研究背景 近年来，g p s 系统在民用领域发展迅猛，带动了其民用消费类电子相关行 业如g p s 芯片设计、车载导航、l b s 系统、手持g p s 、电子地图、等g p s 导 航应用行业争先恐后、迅猛发展。在g p s 芯片设计方面，芯片设计的复杂性及 其对产品面市时间的后续影响，对于保证终端市场的成功率至关重要，设计师 不断寻求更有效的设计方式等办法以求到达缩短设计周期的目的。 目前市场上常见的g p s 接收机大多采用定制a s i c 或嵌入式系统的方式。 采用定制a s i c 有以下三个缺点：一是开发周期长一一从产品概念到生产阶段 需要很长的前置开发时间；二是系统更新难一一产品开发完成后很难重新配置 和增加新的功能，从而难以适应新的应用和发展；三是n r e 费用高一一开发过 程中高昂的一次性工程费用( n o n r e c u r r i n ge n g i n e e r i n g ，n r e ) ，这高昂的成本 有赖于大量产品投入市场后赚回的利润，即使研发阶段参与m p w ( m u l t ip r o j e c t w a f e r ，多项目晶圆) 流片服务，多次流片的成本也较高。g p s 接收机导航系统 应用于民用领域时，其嵌入式系统大多采用含有a r m 或其它的3 2 位知识产权 处理器核的器件，较常用的是采用处理器核和d s p 两片式芯片组，其中a r m 或其它的处理器核作为控制部分，d s p 核负责运算处理，再配置存储器、各种 通信接口、u s b 接口、v g a 接口或其它专用接口，这会增加整个系统的体积、 功耗，从而降低系统的可靠性和稳定性。 6 在单颗芯片上集成多个处理器以提高系统芯片的整体性能已成为下一代集 成电路设计趋势，由于集成电路设计规模的快速增长和产品面世周期不断缩短 的双重压力对设计效率提升提出了更高的期待，多核嵌入式系统的软硬件可裁 剪和i p 核复用技术为设计效率的提升提供了有利条件【7 1 。与多芯片解决方案相 比，多核平台最大的优势是体现在功耗和芯片面积上，利用线程级并行提高系 统性能，将任务分解，各部分分配在不同的处理器上执行，以提高执行的效率， 加快执行的速度。 随着定位导航技术的进步和发展，以后出现的卫星定位信号将会增加，如 俄罗斯的g l o n a s s 、欧洲的g a l i l e o 和我国的北斗导航系统等，g p s 将很 快提供在l 2 载波上的民用信号和另一种新的l 5 载波信号。总之，至少会有7 种民用信号供我们使用：2 个g p s 信号、3 个g a l i l e o 信号、2 个g l o n a s s 信号；以后再加上我国的北斗信号。随着手持设备和移动设备的功能日益增多， 系统的可配置性和可扩展性的变得非常重要【8 1 ，对其要求也越来越高。 所以研究基于多核s o p c 的g p s 系统具有极其深远的意义。现在的g p s 设备发展呈现出体积小型化、成本低廉化、功能多样化的趋势，那么基于s o p c 的解决方案实现的“可配置性和可扩展性”无疑很好地适应了这一发展趋势。 所以研究该设计方案具有很重要的市场意义和市场前景；同时，基于多核s o p c 的导航可扩展型接收机是研究人员研究新算法、研究不同的导航系统的最佳实 验平台，它不像传统的通过m a t l a b 等软件进行纯虚拟仿真的方法，而是可 以利用真实的信号进行真实的硬件仿真和软件设计研究，更有实验研究价值； 另外，由于s o p c 极其优越的可扩展特性，可为研究者研究多功能接收机提供 很大的方便，研究者可以很随意和很方便的在接收机基础上增加通信、多媒体 娱乐等其它功能，大大节省开发时间，增加市场竞争力。 本设计就是将g p s 导航数据定位解算算法在多核s o p c 解决方案中进行优 化设计，综合成一个嵌入式系统，使将来g p s 导航基带信号接收机的多核s o p c 系统的实现具有可行性。 1 6 本论文的主要工作 本论文设计了基于多核结构的s o p c 解决方案，进行g p s 导航数据定位解 算算法处理，通过f p g a 原型验证，并在此基础上对系统架构的性能以及扩展 性做了评估。论文分为五章，简述如下： 第一章绪论。介绍多核技术、s o p c 技术和g p s 系统的发展以及g p s 导航 系统性能提高的有效途径，同时阐述了相对现有的设计方法和设计思想，设计 基于多核结构的s o p c 解决方案进行g p s 导航定位解算的优势，国内外的研究 进展，即本课题的研究背景。 第二章多核系统及存储层次结构研究。本章对多处理器核的架构及各组成 部分进行介绍。重点分析了各处理器核及核间通信方式、多核存储系统层次结 7 构设计的方法和特点，并设计了两种不同的解决方案，同时对片上存储器进行 了功能划分，并介绍了各存储模块的功能。 第三章g p s 导航数据定位解算。探讨了g p s 卫星定位原理、导航定位解 算算法、g p s 信号结构，重点研究了g p s 伪距定位的卡尔曼滤波方法。 第四章基于多核平台g p s 定位解算的f p g a 实现与验证。介绍了s o p c 系 统开发流程，对算法验证所选用的处理器核n i o si i 进行了分析；给出多核存 储系统的f p g a 验证，对两种不同的系统架构做出评估，将定位解算映射到多 核系统，证明了设计基于多核s o p c 的g p s 导航接收机系统的可行性。 第五章总结与展望。总结了论文的工作，并对今后的进一步研究做了介绍。 第二章多核系统及存储层次结构研究 多核系统是一个复杂的多节点系统，每个节点均可以看作一个子s o c 系统。 根据其核间通讯机制和共享资源结构的不同，分为总线共享结构和片上网络互 连的n o c 系统。 总线共享存储器的结构是指芯片上的各个处理器核通过片上的互连总线共 享一个二级或三级存储器，核间要传递的数据一般都通过共享的存储器做一个 中转，通过对共享存储器的访存达到对数据的共享和各处理器核间的通信。片 上网络互连的n o c 系统，按照“计算机参考系准则，该系统应该类比计算机 网络系统，采用网络作为系统通讯方式【9 1 。 在片上多核系统中，有限的片上存储资源和存储资源的共享冲突是系统性 能提升的瓶颈之一，同时随着处理器性能的提高，存储层次结构的重要性也不 断增加。 本章对多处理器核的架构及各组成部分进行介绍。重点介绍了各处理器核 及核间通信方式、多核存储系统层次结构设计的方法和特点，同时对片上存储 器进行了功能划分，并介绍了各存储模块的功能。本文涉及到的多核软件系统 将在第四章介绍。 2 1 多核系统概述 多核系统的基本结构如图2 1 ，从图中可以看到，多核系统的硬件可以分 为三个主要部分：处理器( 计算节点) 、通讯架构( 通讯节点) 和其它功能模块【9 1 。 多核系统的计算节点可以是各种类型的处理器核，如a r m 、c c o r e 、 p o w e r p c 、n i o si i 等，也可以是由单个处理器构成的s o c 。由多个处理器或多 个s o c 构成的多核系统，相互协作，共同完成并行计算任务【9 1 。 核间通讯架构部分是处理器之间的通讯通道，是多核系统的另一个基本要 素。在不同的应用系统中由于通讯架构和机制的不同，处理器之间信息交换的 效率也大不一样，同时，对通讯效率有直接影响的是存储系统结构。本文提出 两种层次化总线、二维网格通讯机制下的存储系统层次结构设计，就不同通讯 机制和存储层次结构对整体性能的影响进行研究。 其它功能i p 是协助多核系统有效完成特定任务不可或缺的组成部分。简单 的如外设接口，复杂的如视频编解码模块等。其中各种类型的片上存储器则是 构成多核系统必不可少的部分【9 1 。 9 图2 - 1 多核系统基本结构 2 1 1 总线结构 如图2 2 所示，基于总线共享的多处理器系统芯片划分为如下几个主要部 分：基于n i o s i i 处理器核的本地处理子系统、基于双层总线的通讯架构和全局 共享模块。本地处理子系统主要由n