一種基于FPGA的雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)高效管理與檢索方法

朱金慧，狄中泉，王增利

（1.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，西昌615000；2.零八一電子集團(tuán)有限公司，成都611731）

一種基于FPGA的雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)高效管理與檢索方法

朱金慧1，狄中泉2，王增利1

（1.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，西昌615000；2.零八一電子集團(tuán)有限公司，成都611731）

傳統(tǒng)導(dǎo)航雷達(dá)信號(hào)采集回放系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)構(gòu)建和管理?；诓僮飨到y(tǒng)，不能滿足高帶寬數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與回放。針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種基于FPGA的兩級(jí)文件管理與檢索方法，第一級(jí)根據(jù)文件信息粗略地定位到文件，第二級(jí)根據(jù)B碼時(shí)間等信息定位到具體數(shù)據(jù)包。利用FPGA的并行處理特性完成信息系統(tǒng)建立、文件系統(tǒng)建立和數(shù)據(jù)檢索，實(shí)現(xiàn)了高速海量數(shù)據(jù)的高效管理與檢索。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方式相比，本文所述的數(shù)據(jù)管理與檢索方式占用存儲(chǔ)空間小，邏輯簡(jiǎn)單，易于硬件實(shí)現(xiàn)。

文件管理；檢索；數(shù)據(jù)定位

0 引言

隨著導(dǎo)航雷達(dá)信號(hào)帶寬和中頻頻率的提高，雷達(dá)信號(hào)采集回放設(shè)備所需的存儲(chǔ)、傳輸帶寬也大幅增加。面對(duì)越來(lái)越龐大的數(shù)據(jù)量，在高速數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)、回放系統(tǒng)中，必須采用高性能的記錄管理機(jī)制，這個(gè)機(jī)制需要具備如下特征：

1）效率高；

2）邏輯簡(jiǎn)單，利于硬件實(shí)現(xiàn)；

3）便于建立與檢索；

4）占用存儲(chǔ)空間??；

5）檢索信息可擴(kuò)展。

傳統(tǒng)信號(hào)采集回放系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢索采用CPU軟件檢索方式，檢索速度慢；而且，CPU檢索?；诓僮飨到y(tǒng)下的文件格式，文件索引系統(tǒng)占用空間較大，導(dǎo)致高帶寬數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、回放時(shí)，尋址較慢，制約了存取速度。針對(duì)此問(wèn)題，本文通過(guò)采用兩級(jí)檢索方式，利用FPGA建立小巧的文件管理系統(tǒng)，借助FPGA并行處理特性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)與檢索。

1 海量數(shù)據(jù)高效管理與檢索思想

利用基于FPGA的并行架構(gòu)，使文件管理、存儲(chǔ)和回放等模塊并行運(yùn)行并有機(jī)結(jié)合，同時(shí)配合模塊間的層次結(jié)構(gòu)，逐層將任務(wù)細(xì)分為簡(jiǎn)單硬件操作。

存儲(chǔ)管理模塊作為主模塊，控制存儲(chǔ)和回放模塊按規(guī)則動(dòng)作，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和回放基于指令配合塊讀寫操作。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程中，存儲(chǔ)管理模塊負(fù)責(zé)不斷分配空地址塊給存儲(chǔ)模塊。同時(shí)，記錄相關(guān)地址塊配套檢索信息（例如B碼時(shí)間等），記錄管理模塊將地址塊信息和檢索信息一同記錄到記錄管理子系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中，形成類似FAT表的記錄管理文件。存儲(chǔ)子模塊接收到記錄管理模塊的指令后，根據(jù)起始地址，將有效數(shù)據(jù)按照塊大小寫入地址塊中；同時(shí)接收新的指令準(zhǔn)備下一個(gè)塊的操作。

數(shù)據(jù)回放過(guò)程中，用戶通過(guò)主機(jī)界面檢索記錄管理模塊建立的記錄管理文件，用戶只需要設(shè)定相關(guān)檢索關(guān)鍵信息，檢索模塊則根據(jù)檢索關(guān)鍵信息檢索記錄管理文件。由于記錄管理文件相對(duì)于實(shí)際的數(shù)據(jù)體要小巧得多，同時(shí)記錄檢索模塊基于FPGA的硬件，檢索效率遠(yuǎn)勝于CPU，可以快速地實(shí)現(xiàn)信息檢索。當(dāng)檢測(cè)到相關(guān)信息之后，記錄管理模塊返回相關(guān)起始地址塊信息，主機(jī)即可通過(guò)下達(dá)相關(guān)回放指令，將滿足檢索條件的數(shù)據(jù)讀取、回放。

回放模塊帶有第二級(jí)信息檢索模塊，這一層模塊負(fù)責(zé)對(duì)有效數(shù)據(jù)內(nèi)的信息進(jìn)行檢索，可以從有效數(shù)據(jù)中檢索到相關(guān)數(shù)據(jù)包頭等信息，進(jìn)行更精確地檢索與回放操作。

通過(guò)上述兩級(jí)數(shù)據(jù)檢索功能，通過(guò)FPGA可以實(shí)現(xiàn)高效高精準(zhǔn)的信息檢索功能。

2 海量數(shù)據(jù)高效管理與檢索系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)上述思想，通過(guò)建立3套系統(tǒng)，有效保證數(shù)據(jù)高效檢索。

2.1 信息系統(tǒng)建立

信息系統(tǒng)建立作為數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為后續(xù)數(shù)據(jù)文件建立以及數(shù)據(jù)檢索，提供了有效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)高效的文件系統(tǒng)建立與定位。同時(shí)，數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)必須能夠滿足適應(yīng)CPU主機(jī)檢索以及FPGA硬件檢索雙重特性的檢索能力。由于CPU主機(jī)一般是基于X86架構(gòu)的，它具有復(fù)雜、靈活但低效率的特點(diǎn)；FPGA硬件系統(tǒng)，具備了高效快速但算法必須簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)最終的數(shù)據(jù)檢索技術(shù)并結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)處理模塊處理能力的特點(diǎn)，信息系統(tǒng)建立必須具備如下特點(diǎn)：

1）兼顧C(jī)PU與FPGA處理特點(diǎn)；

2）能夠快速實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量檢索；

3）數(shù)據(jù)檢索定位精度高；

4）占用有效數(shù)據(jù)空間?。?/p>

5）檢索條件可擴(kuò)展，可更換，可升級(jí)。

針對(duì)上述要求，可建立一套信息系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)提供第一層保障，信息系統(tǒng)建立流程圖如圖1所示。

圖1 信息系統(tǒng)建立流程圖Fig.1 Diagram of file system creation

如圖1所示，信息系統(tǒng)建立流程分為3個(gè)重要步驟。第一步，必須保證模擬采樣數(shù)據(jù)在時(shí)域上處于同步狀態(tài)。隨后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，需進(jìn)行針對(duì)B碼時(shí)間信息的數(shù)據(jù)檢索。實(shí)際應(yīng)用中，檢索信息可以是任意數(shù)據(jù)編碼，系統(tǒng)并不會(huì)理解翻譯信息檢索內(nèi)容含義，它只會(huì)與二進(jìn)制代碼比較，只要保證需要檢索的內(nèi)容在整個(gè)記錄文件信息中是唯一的，就可以保證檢索的準(zhǔn)確性與唯一性。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要將有效檢索信息（此處為B碼時(shí)間信息）準(zhǔn)確無(wú)誤地添加到高速通道采樣數(shù)據(jù)流中。FPGA內(nèi)部必須具備一套嚴(yán)格時(shí)鐘控制的邏輯，以便接收到PRT觸發(fā)信號(hào)后，在PRT有效數(shù)據(jù)前，添加包含有效檢索信息的標(biāo)準(zhǔn)PRT數(shù)據(jù)包頭數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)流內(nèi)，數(shù)據(jù)包生成模塊打入了標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間戳，此PRT數(shù)據(jù)包時(shí)間戳，為系統(tǒng)提供了簡(jiǎn)單高效的檢索方式，使得D/A回放模塊中，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的PRT精度回放檢索控制。

具備了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)流之后，數(shù)據(jù)流被發(fā)送到存儲(chǔ)控制管理系統(tǒng)，在FPGA中建立文件檢索。由于保存所有數(shù)據(jù)包的B碼時(shí)間，一方面給文件系統(tǒng)帶來(lái)龐大的處理壓力，另一方面將額外占用大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，造成浪費(fèi)。針對(duì)這一問(wèn)題，可采取數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊管理機(jī)制，只保存文件塊內(nèi)第一個(gè)PRT數(shù)據(jù)包B碼時(shí)間與最后一個(gè)PRT數(shù)據(jù)包的B碼時(shí)間；由于B碼時(shí)間是單調(diào)變化的，同時(shí)它的數(shù)據(jù)量已經(jīng)極度降低（實(shí)際比率為文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊大小比PRT數(shù)據(jù)包平均大?。?，適合CPU主機(jī)進(jìn)行檢索處理。

2.2 文件系統(tǒng)建立

文件系統(tǒng)建立需要5個(gè)步驟。

1）文件系統(tǒng)內(nèi)首先記錄文件名稱、建立日期、工作模式等信息，用于用戶通過(guò)上位機(jī)檢索到感興趣的記錄文件。當(dāng)用戶在上位機(jī)通過(guò)界面設(shè)定好系統(tǒng)參數(shù)并確認(rèn)開(kāi)始工作后，系統(tǒng)內(nèi)首先建立新文件，并填寫相應(yīng)信息到文件系統(tǒng)中。

2）文件系統(tǒng)開(kāi)始在SSD陣列中分配第一個(gè)數(shù)據(jù)塊（96MB空間）用于數(shù)據(jù)保存，并保存該數(shù)據(jù)塊在SSD陣列中的起始LBA地址，形成文件地址鏈表。

3）數(shù)據(jù)流不斷地向這數(shù)據(jù)塊內(nèi)填充PRT數(shù)據(jù)包，同時(shí)，文件管理系統(tǒng)記錄了此數(shù)據(jù)塊第一個(gè)PRT數(shù)據(jù)包內(nèi)的B碼時(shí)間。SSD陣列中的第一個(gè)96MB數(shù)據(jù)塊內(nèi)被不斷地PRT數(shù)據(jù)包填充，直到此數(shù)據(jù)塊被填充滿。

4）第一個(gè)96MB數(shù)據(jù)塊被PRT數(shù)據(jù)包填充完成之后，文件系統(tǒng)會(huì)同時(shí)記錄下此數(shù)據(jù)塊中的最后一個(gè)PRT數(shù)據(jù)包包含的B碼時(shí)間，隨后將此數(shù)據(jù)塊中包含的所有PRT數(shù)據(jù)包起始與結(jié)束B(niǎo)碼時(shí)間記錄在文件系統(tǒng)中。此時(shí)，文件系統(tǒng)記錄了文件所占用的SSD陣列地址塊、此地址塊中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包的B碼時(shí)間范圍。

5）文件系統(tǒng)不斷配數(shù)據(jù)包并往復(fù)上述操作，直至存儲(chǔ)過(guò)程結(jié)束。

如圖2所示，PRT數(shù)據(jù)包不斷地寫入SSD陣列，同時(shí)文件系統(tǒng)不斷地分配SSD陣列地址塊并將地址塊首地址以及地址塊內(nèi)保存的PRT數(shù)據(jù)包的B碼時(shí)間范圍記錄到文件系統(tǒng)中。至此，形成了三級(jí)檢索的文件系統(tǒng)：

1）基于文件名稱、日期與工作模式等信息的人工檢索；

2）基于B碼時(shí)間起始與結(jié)束范圍的CPU檢索；

3）基于精確 B碼時(shí)間的 PRT數(shù)據(jù)包 FPGA檢索。

圖2 不斷分配地址空間塊并填充數(shù)據(jù)Fig.2 Allocating space and filling data

2.3 數(shù)據(jù)檢索

當(dāng)信息系統(tǒng)和文件系統(tǒng)建立后，即可按圖3所示的數(shù)據(jù)檢索（定位）流程進(jìn)行數(shù)據(jù)定位。

圖3 數(shù)據(jù)定位系統(tǒng)流程圖Fig.3 Diagram of data locating system

當(dāng)用戶需要精確地從某一個(gè)PRT開(kāi)始回放原始數(shù)據(jù)或上傳主機(jī)時(shí)，用戶通過(guò)圖3所示的三級(jí)定位，便可準(zhǔn)確地定位到用戶期望的PRT數(shù)據(jù)包。

首先，用戶通過(guò)上位機(jī)顯控界面中的文件列表管理組件，刷新文件列表，查看文件信息，通過(guò)搜索、排列文件系統(tǒng)保存的文件名稱、文件建立時(shí)間、系統(tǒng)工作模式信息，選擇目標(biāo)文件，快速完成第一級(jí)定位工作。

隨后，第二級(jí)定位系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的B碼時(shí)間，與文件系統(tǒng)內(nèi)保存的96MB數(shù)據(jù)包起始結(jié)束B(niǎo)碼時(shí)間進(jìn)行比較，定位到具體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址。

3 結(jié)論

本文所述的海量數(shù)據(jù)高效管理與檢索技術(shù)，已成功應(yīng)用于某導(dǎo)航雷達(dá)中頻采集設(shè)備上。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，記錄管理模塊建立的記錄管理文件是靈活、高效的，它的體積與用戶要求的檢索功能的多少直接相關(guān)。若功能簡(jiǎn)單，則體積小巧；功能復(fù)雜，則體積龐大。但是，信息檢索速度幾乎不會(huì)受到功能多少的影響。當(dāng)用戶設(shè)定了檢索條件后，檢索系統(tǒng)只讀取用戶相關(guān)的檢索內(nèi)容即可完成檢索，不必要讀取完整的記錄管理文件，大大提高了海量數(shù)據(jù)的管理和檢索效率。

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A Method of Effective Data Searching and Management Using FPGA in Navigation Radar System

ZHU Jin-hui1，DI Zhong-quan2，WANG Zeng-li1
（1.Xichang Satellite Launch Center，Xichang 615000；2.081 Electronics Technology Co.，Ltd，Chengdu 611731）

In traditional navigation radar's signal sampling and replaying system，file system creation and management always rely on operating system，which cannot satisfy wideband data storing and replaying in real time.To resolve this problem，this article proposes a two-level file managing and searching method which is realized on FPGA.In the first-level step，we can roughly locate related files via file information，and in the second-level，we can precisely locate the data packets which we want via information such as the B code time and so on.Information system，file system and data location can all be processed in parallel through FPGA.We realized managing and searching efficiently in wideband large-scale data system.The method described in this article for data managing and searching occupies smaller space and has simpler logic，in the same time the method is easier to be realization compared with traditional data managing methods.

file management；file searching；file locating

TP392

A

1674-5558（2017）01-01377

10.3969 /j.issn.1674-5558.2017.06.003

2017-02-26

朱金慧，男，本科，測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，工程師，研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)總體技術(shù)。