作者：JACOB SEALANDER，AARON FRANK

在情報、監(jiān)視和偵察 （ISR） 處理中，對減小尺寸、重量和功率 （SWaP） 有著永無止境的追求。傳統(tǒng)上，在ISR應用領域所看到的是：復雜的，專業(yè)構建的系統(tǒng)往往非常大，功率非常高，難以冷卻。

其中許多系統(tǒng)是地面系統(tǒng)。隨著時間的推移，更多的人已經進入空中并進入各種不同的平臺，如無人駕駛飛機系統(tǒng)（UAS）。當今的系統(tǒng)需要部署在越來越小的平臺上，這使得滿足傳統(tǒng)ISR平臺的SWaP目標更具挑戰(zhàn)性。

另一個新興趨勢是，即使平臺變小，ISR系統(tǒng)的技術要求也不斷增長并變得越來越復雜。例如，基于UAS的成像系統(tǒng)需要比過去更高的分辨率和更高的處理水平，需要更高的吞吐量來攝取和分析數據，然后存儲和中繼信息。其他 ISR 應用也是如此。將這些因素與不斷縮減的國防預算和封存等問題相結合，結果是壓力越來越大，需要找到經濟高效地重用和開發(fā)IP的方法，以利用現有技術和架構。

如今，更高的集成度和更高的性能水平有助于滿足這些要求。昨天的ISR系統(tǒng)通常包含許多不同的6U處理板，每個處理板都有一個或多個單核處理器。過去，這些系統(tǒng)中的主要處理主力是Altivec數學庫支持的電源架構處理器，以及基于DSP和基于FPGA的定制系統(tǒng)。最近，該行業(yè)已經看到使用通用計算平臺來提供許多這些功能的轉變。

這些早期基于6U的多處理ISR系統(tǒng)也傾向于使用許多結構將它們連接在一起，例如以太網，串行快速IO（SRIO），VMEbus，PCI等。在軟件方面，已經使用了各種不同的操作環(huán)境，包括VxWorks和Linux，以及許多不同的應用程序編程接口（API）用于應用程序開發(fā)。此外，自定義庫通常是針對特定硬件量身定制的。對于這些早期的系統(tǒng)，熱管理是一個挑戰(zhàn)：完成工作所需的電路板和硬件越多，所需的功率就越多，產生的熱量就越多，解決方案就越重。

如今，縱觀英特爾、飛思卡爾和AMD等領先供應商的最新一代處理器，業(yè)界看到了將多個處理內核集成到單個芯片中。如今，“最佳點”往往是由當今臺式機和筆記本電腦計算世界驅動的雙核和四核處理器，但我們也看到了具有更多內核的處理器的出現，例如英特爾的八核超線程至強處理器，或飛思卡爾的12核雙線程處理器（具有24個“虛擬”內核處理器）集成到單個芯片上。內核到內核互連結構通常是具有多級處理器緩存的高速總線，以確保處理器在共享公共內存接口時不會挨餓。通過多個內存通道，處理器能夠訪問大量數據并為處理內核供電。

今天的處理內核還具有專用的加速器，可用于數學密集型過程。例如，電源架構處理器再次采用 Altivec 處理引擎，而英特爾酷睿 i7 則采用 AVX 或 AVX2 指令的矢量處理引擎。更好的是，當前一代設備還具有板載圖形加速器，也可以用作通用GPU（GPGPU）處理器，提供超過350 GFLOPS的浮點性能，以及超過20個或更多的GPGPU引擎，所有這些都在一塊硅上。所有這些現代處理器的共同點是使用PCIe來提供與外部世界的連接。

基于當今領先處理架構的 3U 處理板可提供 173，000 Dhrystone MIPS 范圍內的性能。這與上一代通用6U處理器相比，后者可能提供大約3，000 MIPS，代表了性能的巨大飛躍。例如，今天的Core i7 3U主板還具有內置的Altivec2處理引擎，可提供大約300 GFLOPS。他們的片上圖形處理GPU還增加了另外350 GFLOPS。結果是，現在只有一臺3U單板計算機（SBC）的處理能力相當于許多上一代6U板。此外，對于板對板數據通信，當今芯片上的內置 PCIe 連接通過使用設備中已內置的結構提供 8 或 16 GB/s 的連接，有利于降低 SWaP。這消除了對額外的結構接口芯片的需求，否則這些芯片將需要安裝到3U板上。

小型 ISR 系統(tǒng)示例

基于當今基于多核處理器的 3U 主板的小型 ISR 系統(tǒng)的一個例子，它由三個 3U VPX3-1258 SBC 組成，這些 SBC 采用最新的第四代英特爾酷睿 i7 處理器。使用XMC夾層模塊，其中兩塊板用于采集和數字化傳感器輸入，而第三塊SBC用于進一步處理數據以進行分析、顯示和存儲。這種三板組合可提供接近 2 TFLOPS 的浮點性能，并且由于這些板基于標準 VPX 外形尺寸，因此整個信號采集和處理內核僅占用 75 平方英寸的面積。與上一代 6U ISR 解決方案相比，熱管理也簡單得多。此示例系統(tǒng)的功率小于 200 W，在 3U 外形中非常易于管理。

與基于6U的系統(tǒng)相比，3U可部署系統(tǒng)的散熱設計更容易的原因之一是電路靠近3U機箱中兩個側面冷卻壁中的每一個。通過使用多個SBC，每個SBC都有自己的多核處理器，可以更好地管理機箱中多個模塊的熱量。通過使用已內置于處理器中的高性能結構（如 PCIe）和優(yōu)化的軟件中間件（如共享內存驅動程序、OFED 和用于優(yōu)化矢量處理的 VISPL 庫），現在可以實現快速開發(fā)和部署當今要求苛刻的 ISR 應用程序所需的性能、易開發(fā)性和可負擔性。

加快 3U VPX ISR 系統(tǒng)的開發(fā)到部署

在選擇在ISR系統(tǒng)中使用的3U COTS板之后，系統(tǒng)集成商在將解決方案從開發(fā)到部署時面臨的最大挑戰(zhàn)之一是確保這些板在特定設計配置中按預期工作。因此，集成商通常必須將大量時間和精力集中在開發(fā)和執(zhí)行測試軟件和流程上，以便將任何商用現貨（COTS）板正確集成到其ISR系統(tǒng)中。

預配置、預封裝和預測試的 3U VPX ISR 解決方案可提供更好的解決方案。Curtiss-Wright 國防解決方案開發(fā)了集成的、預先測試的參考設計，這些參考設計由測試支持工具和數據項提供支持，可用于各種計算機密集型應用（包括 ISR）的現有開發(fā)程序中。其3U VPX子系統(tǒng)已經部署在無人機上，包括諾斯羅普·格魯曼公司的“全球鷹”和“海衛(wèi)一”。這些參考設計旨在滿足特定的關鍵性能參數 （KPP） 和基準測試，并由一套軟件工具提供支持，用于根據程序要求對參考設計進行性能測試。該嵌入式軟件基礎架構的主要功能還包括系統(tǒng)級內置測試（BIT）解決方案，可配置的壓力測試套件，基于硬件的后臺BIT和通用測試集基礎架構。

審核編輯：郭婷