面向服務(wù)的天基計(jì)算技術(shù)架構(gòu)研究

孫寶三，章宇兵，岳兆娟，史 劼，李 斌

(中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引 言

天基計(jì)算[1]是指對(duì)于在天基平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理的統(tǒng)稱(chēng)。計(jì)算機(jī)技術(shù)在天基平臺(tái)上的應(yīng)用極大的增強(qiáng)了我們利用太空資源和解決問(wèn)題的能力。隨著對(duì)空間觀測(cè)、通信等功能的性能要求不斷提高，通過(guò)衛(wèi)星載荷等設(shè)備獲取數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度不斷提高，數(shù)據(jù)量也呈現(xiàn)大規(guī)模的增長(zhǎng)。這些將導(dǎo)致空間科學(xué)相關(guān)學(xué)科越來(lái)越依賴(lài)于計(jì)算機(jī)科學(xué)在空間中的應(yīng)用，對(duì)在天基平臺(tái)上直接處理信號(hào)和數(shù)據(jù)的依賴(lài)性逐步升高。計(jì)算技術(shù)在天基平臺(tái)上的應(yīng)用可以增強(qiáng)有價(jià)值情報(bào)和數(shù)據(jù)生成的實(shí)時(shí)性，提高航天器在空間的自主程度，可以極大的減少星地控制頻次，減輕星地傳輸帶寬壓力。

天基計(jì)算與在地面上的計(jì)算有著環(huán)境上的諸多不同。由于計(jì)算載荷所處衛(wèi)星平臺(tái)供電、散熱、體積以及空間輻射環(huán)境等多方面的約束，使得天基計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)必須著重考慮計(jì)算的高效性、低功耗特性，盡可能以較低的功率消耗和散熱獲得所需的計(jì)算性能。針對(duì)特定計(jì)算場(chǎng)景，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的計(jì)算架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)最大計(jì)算效能。同時(shí)，為了使整個(gè)天基計(jì)算平臺(tái)達(dá)到所要求的計(jì)算性能，可以通過(guò)多衛(wèi)星平臺(tái)并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)硬件混合異構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)單一計(jì)算平臺(tái)對(duì)多類(lèi)計(jì)算場(chǎng)景的適應(yīng)能力和計(jì)算能力要求。

為此本文在借鑒地面衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理的平臺(tái)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，針對(duì)未來(lái)天基信息服務(wù)體系和天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)[2]的星上計(jì)算服務(wù)需求，提出了面向多用戶(hù)多服務(wù)的天基計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)，對(duì)天基計(jì)算多節(jié)點(diǎn)并行和硬件混合異構(gòu)平臺(tái)技術(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)中間件技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件平臺(tái)的資源封裝與解耦，并通過(guò)服務(wù)框架技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多用戶(hù)、多應(yīng)用服務(wù)的管理和應(yīng)用。

1 基礎(chǔ)技術(shù)概述

1.1 專(zhuān)用芯片處理

在計(jì)算領(lǐng)域，不管在天基還是地面處理，使用專(zhuān)用芯片處理器實(shí)現(xiàn)信號(hào)或者數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算是各類(lèi)應(yīng)用所必須面臨的問(wèn)題。在處理器的類(lèi)型選擇上，通常會(huì)根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)選擇計(jì)算速度更快、功耗更低的處理器。各類(lèi)型處理器也正是針對(duì)所要解決的問(wèn)題來(lái)設(shè)計(jì)的。通常來(lái)說(shuō)，主要有CPU、DSP、FPGA、GPU、ASIC等類(lèi)型處理芯片。其中，CPU主要面向通用基礎(chǔ)運(yùn)算，基于低時(shí)延要求設(shè)計(jì)了大緩存Cache、算術(shù)運(yùn)算單元ALU和復(fù)雜邏輯控制單元，側(cè)重處理不同類(lèi)型數(shù)據(jù)的計(jì)算能力和邏輯判斷能力；DSP主要面向信號(hào)處理，根據(jù)信號(hào)處理領(lǐng)域的基本算法設(shè)計(jì)，具備一定的邏輯判斷能力和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)信號(hào)流專(zhuān)業(yè)處理能力；GPU主要面向圖形加速，基于大吞吐量的設(shè)計(jì)壓縮了緩存空間、簡(jiǎn)化的邏輯控制單元從而換來(lái)了大量且高效的算術(shù)運(yùn)算單元，面對(duì)的是類(lèi)型高度統(tǒng)一、相互無(wú)依賴(lài)的大規(guī)模數(shù)據(jù)和較少邏輯判斷的純凈計(jì)算環(huán)境；FPGA為靈活可編程的邏輯處理單元，廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、接口轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)流并行處理等；ASIC為專(zhuān)用邏輯處理單元，功耗極低，主要針對(duì)特定算法下的邏輯實(shí)現(xiàn)，一經(jīng)定型不可改變。同時(shí)，還在這些專(zhuān)用芯片的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際要解決問(wèn)題，設(shè)計(jì)了多類(lèi)計(jì)算架構(gòu)以適應(yīng)計(jì)算的廣泛需求。例如，應(yīng)用于大規(guī)模計(jì)算的CPU并行集群計(jì)算架構(gòu)、FPGA集群計(jì)算、CPU與FPGA異構(gòu)處理、CPU與DSP異構(gòu)處理等。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于指定應(yīng)用和場(chǎng)景，衡量一種芯片的指標(biāo)，往往有三種：即峰值性能、平均性能和功耗能效比。針對(duì)天基平臺(tái)，所處理數(shù)據(jù)的規(guī)則性、衛(wèi)星平臺(tái)功率和散熱的限制極大的約束了芯片的選型，在天基平臺(tái)上以CPU+FPGA架構(gòu)的異構(gòu)設(shè)計(jì)擁有更高的單位功耗性能、更低時(shí)延和更快加速性能，在多種計(jì)算架構(gòu)中具有優(yōu)勢(shì)。

1.2 DDS中間件

DDS中間件[3]位于應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)之間，是OMG組織制定的一套 API 與互操作性協(xié)議規(guī)范，定義了一種以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱架構(gòu)。該架構(gòu)提供了一個(gè)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)模型，向用戶(hù)提供邏輯上的基于主題的訂閱/發(fā)布通信接口，向下利用操作系統(tǒng)提供的API傳輸數(shù)據(jù)，建立主題與地址之間映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)通信的屏蔽，從而廣泛適用于構(gòu)建高性能的分布式異構(gòu)計(jì)算環(huán)境?；贒DS基本協(xié)議，本文采用了一種先進(jìn)的國(guó)產(chǎn)ZRDDS中間件，其在DDS協(xié)議規(guī)范規(guī)定的基本結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了擴(kuò)展，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)底層硬件、操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)的封裝，也開(kāi)發(fā)了基于中間件上的負(fù)載均衡等資源管理服務(wù)，該產(chǎn)品成熟穩(wěn)定可靠。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 ZRDDS中間件基本結(jié)構(gòu)

圖1中虛線(xiàn)框內(nèi)部分為ZRDDS基本內(nèi)容，主要包括了操作系統(tǒng)/通信協(xié)議屏蔽層、RTPS互聯(lián)互通層、發(fā)布訂閱邏輯層和用戶(hù)接口層，并分別通過(guò)對(duì)上和對(duì)下接口實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用程序和底層操作系統(tǒng)及硬件通信。

操作系統(tǒng)/通信協(xié)議屏蔽層主要完成對(duì)硬件平臺(tái)/操作系統(tǒng)資源的封裝，實(shí)現(xiàn)資源虛擬化并統(tǒng)一提供給上層使用，使得上層不需要關(guān)心操作系統(tǒng)資源異構(gòu)情況而可專(zhuān)注于發(fā)布訂閱數(shù)據(jù)模型的邏輯設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)；RTPS互聯(lián)互通層通過(guò)實(shí)現(xiàn)RTPS協(xié)議以保證能與不同廠商DDS進(jìn)行報(bào)文層面的互聯(lián)互通；發(fā)布訂閱邏輯層利用底層RTPS設(shè)計(jì)報(bào)文以及報(bào)文行為來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)布訂閱數(shù)據(jù)模型，定義并實(shí)現(xiàn)發(fā)布訂閱數(shù)據(jù)模型中的實(shí)體和功能；用戶(hù)接口層實(shí)現(xiàn)DDS規(guī)范中定義的接口，應(yīng)用程序通過(guò)這些開(kāi)發(fā)接口創(chuàng)建DDS實(shí)體、發(fā)布或訂閱數(shù)據(jù)以及通過(guò)這些接口來(lái)配置發(fā)布訂閱的通信要求。

在ZRDDS中間件基本功能基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)異構(gòu)資源感知及整合服務(wù)，包括了資源狀態(tài)獲取、資源感知、資源整合等功能；也可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)管理及監(jiān)控等服務(wù)，包括了資源部署、任務(wù)調(diào)度、異常檢測(cè)、狀態(tài)備份、系統(tǒng)監(jiān)控、異常調(diào)度和任務(wù)負(fù)載均衡調(diào)度等功能。這些服務(wù)功能有利于天基計(jì)算資源的高效利用，是進(jìn)行天基計(jì)算架構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1.3 服務(wù)框架技術(shù)

服務(wù)框架技術(shù)[4]是對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行服務(wù)化的一種平臺(tái)技術(shù)，通過(guò)提供服務(wù)平臺(tái)+插件的形式，對(duì)多類(lèi)應(yīng)用進(jìn)行集中式的服務(wù)化治理，向外提供服務(wù)訂閱與發(fā)布，可以大大減少應(yīng)用開(kāi)發(fā)成本和提高運(yùn)行維護(hù)效率。

服務(wù)平臺(tái)是支撐各類(lèi)資源的服務(wù)化開(kāi)發(fā)與應(yīng)用集成共享的支撐平臺(tái)，提供滿(mǎn)足各類(lèi)服務(wù)開(kāi)發(fā)、注冊(cè)、運(yùn)行、部署、調(diào)度的功能，是支撐服務(wù)功能按需共享的關(guān)鍵基礎(chǔ)平臺(tái)。其依托底層的基礎(chǔ)資源和通信中間件作為服務(wù)運(yùn)行和通信的支撐，總體分為服務(wù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)、服務(wù)運(yùn)行支撐、基礎(chǔ)服務(wù)組件、業(yè)務(wù)共性服務(wù)組件和服務(wù)調(diào)用層，為用戶(hù)提供一體化的服務(wù)開(kāi)發(fā)、運(yùn)行、管理、監(jiān)控環(huán)境。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2中虛線(xiàn)框內(nèi)部分為服務(wù)框架基本結(jié)構(gòu)，并顯示與上層業(yè)務(wù)和下層中間件和基礎(chǔ)資源的調(diào)用關(guān)系。其中，服務(wù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)以可視化工具方式提供天基業(yè)務(wù)功能的服務(wù)化封裝、開(kāi)發(fā)和部署能力以及客戶(hù)端應(yīng)用開(kāi)發(fā)、調(diào)試能力，為天基業(yè)務(wù)功能面向服務(wù)架構(gòu)改造和開(kāi)發(fā)提供便捷的工具；服務(wù)運(yùn)行支撐層為用戶(hù)提供天基服務(wù)部署、運(yùn)行所需環(huán)境，通過(guò)實(shí)現(xiàn)完善的服務(wù)框架，基于通信中間件屏蔽硬件異構(gòu)環(huán)境的差異，集中關(guān)注業(yè)務(wù)功能及流程，通過(guò)可視化的服務(wù)運(yùn)行維護(hù)與監(jiān)控，全面掌握各類(lèi)天基共性及業(yè)務(wù)服務(wù)的運(yùn)行情況；基礎(chǔ)服務(wù)組件層基于服務(wù)運(yùn)行支撐層，通過(guò)各類(lèi)服務(wù)平臺(tái)自身的基礎(chǔ)服務(wù)，讓各類(lèi)天基應(yīng)用開(kāi)發(fā)變得便捷，開(kāi)發(fā)者可以更關(guān)注開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)功能，是服務(wù)平臺(tái)中的應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，是應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境的基礎(chǔ)；天基共性服務(wù)層提供公共業(yè)務(wù)服務(wù)用來(lái)支撐天基業(yè)務(wù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，主要包括寬帶接入服務(wù)、數(shù)據(jù)融合服務(wù)、骨干傳輸服務(wù)等，并可根據(jù)需要自行擴(kuò)展共性服務(wù)組件；服務(wù)調(diào)用層提供服務(wù)同步異步調(diào)用、服務(wù)訂閱推送調(diào)用功能，對(duì)于較為復(fù)雜的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可以按照一定邏輯順序編排組合多個(gè)微服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)增值服務(wù)來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)業(yè)務(wù)的復(fù)雜需求。

2 面向服務(wù)的空間計(jì)算架構(gòu)

2.1 整體技術(shù)架構(gòu)

基于以上基礎(chǔ)技術(shù)，為在高效的異構(gòu)硬件平臺(tái)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)為多類(lèi)用戶(hù)提供多類(lèi)服務(wù)，提出一種面向服務(wù)的天基計(jì)算技術(shù)架構(gòu)，如圖3所示：

圖3 面向服務(wù)的天基計(jì)算技術(shù)架構(gòu)圖

計(jì)算平臺(tái)從架構(gòu)上分為三個(gè)層次，即：資源層，服務(wù)層和用層。

(1)資源層包括了硬件資源、操作系統(tǒng)、中間件和基礎(chǔ)服務(wù)。其中硬件資源支持CPU、DSP、FPGA、GPU等計(jì)算芯片及其上運(yùn)行Linux、Windows等通用操作系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)如VxWorks等，以及用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)資源和用于數(shù)據(jù)交互的通信資源。中間件運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上，對(duì)下層完成對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)的資源虛擬化并實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源之間的互聯(lián)互通，對(duì)上提供任務(wù)調(diào)度、動(dòng)態(tài)部署、負(fù)載均衡等基礎(chǔ)服務(wù)，基礎(chǔ)服務(wù)通過(guò)服務(wù)請(qǐng)求訂閱和發(fā)布機(jī)制以接口的形式實(shí)現(xiàn)與服務(wù)層的通信。

(2)服務(wù)層基于中間件及其基礎(chǔ)服務(wù)部署服務(wù)運(yùn)行支撐平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，并在此平臺(tái)上提供服務(wù)插件開(kāi)發(fā)環(huán)境，由各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域人員進(jìn)行開(kāi)發(fā)服務(wù)插件，以平臺(tái)+插件的基本形式提供多領(lǐng)域服務(wù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行服務(wù)的編排和組合等基本調(diào)用，直接服務(wù)于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

(3)應(yīng)用層描述該計(jì)算平臺(tái)可以提供服務(wù)的領(lǐng)域，基于服務(wù)層實(shí)現(xiàn)，針對(duì)天基應(yīng)用特點(diǎn)，可以為海事應(yīng)用、航空管制、海外通信保障、搶險(xiǎn)救災(zāi)、航天管理等多類(lèi)領(lǐng)域提供用戶(hù)服務(wù)。

2.2 分布式混合異構(gòu)硬件

為適應(yīng)天基計(jì)算的多類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景，在滿(mǎn)足天基計(jì)算受到功率以及散熱方面等多方面約束的情況下，硬件架構(gòu)應(yīng)最大程度的追求性能最大化。采用分布式與硬件混合異構(gòu)的思想，可以充分發(fā)揮不同類(lèi)型芯片的優(yōu)勢(shì)，建立可分布式高性能并行和單節(jié)點(diǎn)高效能計(jì)算的硬件環(huán)境。針對(duì)天基計(jì)算中通常面臨的A/D信號(hào)處理、圖像處理與生成、數(shù)據(jù)融合以及流程控制等應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了分布式混合異構(gòu)的計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)，其架構(gòu)如圖4所示：

圖4 分布式混合異構(gòu)硬件架構(gòu)圖

該架構(gòu)具備良好的開(kāi)放性、通用性、可擴(kuò)展性，支持CPU、GPU、DSP、FPGA等多種異構(gòu)計(jì)算資源，支持通用和嵌入式操作系統(tǒng)，具備空間高效能計(jì)算、軟件容錯(cuò)和分布式高可靠存儲(chǔ)等能力。

2.3 異構(gòu)資源及任務(wù)管理

中間件實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源的動(dòng)態(tài)整合、任務(wù)動(dòng)態(tài)部署調(diào)度、系統(tǒng)監(jiān)控以及均衡系統(tǒng)負(fù)載等功能。ZRDDS提供松耦合跨平臺(tái)的通信能力，具備不同平臺(tái)的硬件資源的整合能力，獲取系統(tǒng)的全局資源視圖和任務(wù)視圖，提供系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行任務(wù)的可執(zhí)行文件分發(fā)、任務(wù)啟動(dòng)、任務(wù)關(guān)閉以及遷移等調(diào)度操作；中間件周期性統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)負(fù)載，依據(jù)負(fù)載統(tǒng)計(jì)調(diào)度任務(wù)，使得全局資源盡量得到最大化利用，系統(tǒng)負(fù)載狀態(tài)較優(yōu)。

實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源及任務(wù)管理的中間件采用C/S架構(gòu)，服務(wù)端為系統(tǒng)監(jiān)控和重構(gòu)管理中心，客戶(hù)端則為各個(gè)節(jié)點(diǎn)的后臺(tái)駐留程序。服務(wù)端和客戶(hù)端采用松耦合的通信方式。有別于傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)，中間件的服務(wù)端不綁定物理地址，可以運(yùn)行于系統(tǒng)中任意節(jié)點(diǎn)上。中間件提供兩個(gè)基本模塊：一為資源感知及整合服務(wù)，一為系統(tǒng)重構(gòu)管理及監(jiān)控服務(wù)。服務(wù)端基本組成如圖5所示：

圖5 中間件實(shí)現(xiàn)資源及任務(wù)管理服務(wù)端

服務(wù)端自下而上分為數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)、資源感知及整合服務(wù)以及重構(gòu)管理及監(jiān)控服務(wù)。數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)為服務(wù)端提供通信接口；資源感知及整合服務(wù)通過(guò)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)接收系統(tǒng)中客戶(hù)端節(jié)點(diǎn)的心跳包數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)感知整合系統(tǒng)資源，提供給上層服務(wù)全局的資源視圖和任務(wù)視圖；系統(tǒng)重構(gòu)管理及監(jiān)控服務(wù)通過(guò)資源感知及整合服務(wù)獲取系統(tǒng)狀態(tài)，并依據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控服務(wù)和重構(gòu)管理服務(wù)，監(jiān)控服務(wù)為用戶(hù)提供可視化系統(tǒng)監(jiān)控界面，重構(gòu)管理服務(wù)完成任務(wù)動(dòng)態(tài)部署調(diào)度、系統(tǒng)容錯(cuò)以及負(fù)載均衡等功能。

2.4 服務(wù)框架與中間件適配

實(shí)現(xiàn)服務(wù)框架與中間件的適配尤為重要。服務(wù)框架采用C/S模式，用戶(hù)在服務(wù)描述文件中聲明自己的服務(wù)，這些服務(wù)由代碼生成工具在不同語(yǔ)言環(huán)境下生成服務(wù)端和客戶(hù)端代碼，然后用戶(hù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)業(yè)務(wù)邏輯，即可實(shí)現(xiàn)服務(wù)運(yùn)行和遠(yuǎn)程調(diào)用?；谥虚g件的服務(wù)框架邏輯層次如圖6所示：

圖6 基于中間件的服務(wù)框架邏輯層次圖

其中，RTPProtocol定義了基于實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議的服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸格式，采用優(yōu)化的編解碼算法將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，有效壓縮了服務(wù)請(qǐng)求和響應(yīng)的報(bào)文大小，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高了傳輸效率；RTPTransport基于中間件技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)底層硬件通信資源的屏蔽，實(shí)現(xiàn)服務(wù)框架平臺(tái)部署，完成天基業(yè)務(wù)軟件的無(wú)縫集成運(yùn)行。

3 應(yīng)用與效能分析

3.1 應(yīng)用實(shí)例

基于以上設(shè)計(jì)的天基平臺(tái)相較傳統(tǒng)衛(wèi)星具有更強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，可以應(yīng)用在以天基為平臺(tái)的多類(lèi)領(lǐng)域，例如信息處理、中繼傳輸?shù)榷喾N領(lǐng)域。以信息處理為例，選擇遙感圖像檢測(cè)為一個(gè)具體的應(yīng)用例子，通過(guò)其良好可并行計(jì)算性來(lái)驗(yàn)證計(jì)算平臺(tái)的運(yùn)行架構(gòu)、并行計(jì)算能力和實(shí)際數(shù)據(jù)處理能力。該應(yīng)用為在海面背景條件下對(duì)艦船目標(biāo)的檢測(cè)[5]，其檢測(cè)流程如圖7所示：

圖7 遙感圖像艦船目標(biāo)檢測(cè)方法流程圖

對(duì)比在單個(gè)和分布式多個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算運(yùn)行效果，可以驗(yàn)證當(dāng)前設(shè)計(jì)在并行計(jì)算上的加速優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，也可以利用CPU+FPGA架構(gòu)將算法中主要的傅里葉變換計(jì)算部分使用FPGA進(jìn)行運(yùn)算。通過(guò)以上兩種情形對(duì)比，將現(xiàn)分布式混合異構(gòu)硬件架構(gòu)的高效能、高性能特點(diǎn)，并可作為一個(gè)基礎(chǔ)應(yīng)用為天基業(yè)務(wù)用戶(hù)提供服務(wù)。

3.2 效能分析

(1)專(zhuān)用處理實(shí)現(xiàn)計(jì)算平臺(tái)高效能

基于所搭建的概念演示驗(yàn)證平臺(tái)，通過(guò)遙感圖像檢測(cè)應(yīng)用程序，可以來(lái)驗(yàn)證計(jì)算平臺(tái)中專(zhuān)用處理器的計(jì)算性能。試驗(yàn)檢測(cè)圖像大?。?3312像素×13312像素，RGB彩色。使用FPGA(Xilinx V7)與CPU(Core i5)處理512×512像素單元的計(jì)算時(shí)間結(jié)果對(duì)比如表 1所示：

表1 專(zhuān)用處理?xiàng)l件下計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

其中FPGA芯片邏輯部分消耗功耗約為4W；邏輯資源占比約為4%；CPU運(yùn)行功耗恒定，為標(biāo)準(zhǔn)功耗，使用率約為15%。

(2)分布式計(jì)算實(shí)現(xiàn)計(jì)算平臺(tái)高性能

同樣，在使用相同處理器情況下，使用單塊CPU和多塊CPU在遙感圖像檢測(cè)應(yīng)用中可以表現(xiàn)出較好的并行性，其運(yùn)行時(shí)間結(jié)果如表 2所示：

表2 并行條件下計(jì)算時(shí)間結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從在天基平臺(tái)上面向多用戶(hù)提供多類(lèi)計(jì)算服務(wù)的需求出發(fā)，針對(duì)天基計(jì)算平臺(tái)的基本約束和特點(diǎn)，利用分布式混合異構(gòu)硬件、DDS中間件和服務(wù)框架技術(shù)，提出了一種先進(jìn)的面向服務(wù)的天基計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)，并通過(guò)驗(yàn)證平臺(tái)和具體應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)際檢驗(yàn)。結(jié)果表明這種架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了軟硬件解耦和分布式并行異構(gòu)計(jì)算，在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了對(duì)多用戶(hù)和多服務(wù)的集中管理，能夠?yàn)槲磥?lái)天基信息服務(wù)體系提供基本途徑和實(shí)施方案。

最后，感謝華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、南京臻融軟件科技有限公司、解放軍信息工程大學(xué)和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第28所、32所等單位和相關(guān)人員在本課題研究中的幫助和支持。