可重构处理器范文

可重构处理器范文（精选7篇）

可重构处理器 第1篇

1 星载可重构系统组成

星载可重构系统(如图1)负责星载平台图像处理系统的可重构实现,由FPGA内部逻辑与DSP及存储器单元组成。可重构单元的核心包括FPGA内部模块再分配及冗余设计,DSP程序通过动态加载的方式与FPGA配合实现系统重构,以实现小卫星图像处理平台在不同阶段不同功能使命的快速切换,达到兼顾小系统处理能力和长期可靠性的目的。FPGA内部模块再分配及冗余设计采用IP核的形式,根据控制命令及自动仲裁机制实现。DSP基于FPGA逻辑配合,动态加载EEPROM中不同存储空间的程序。

2 DSP引导及复位设计

星载系统的电子器件容易发生单粒子翻转等错误[4,5],常常会使通讯数据解析错误,严重时会造成整个系统的崩溃[6]。因此系统选用不易发生单粒子翻转的EEPROM,此芯片为容量4 Mbits的电可擦除只读存储器,其内部结构为4片1 Mbits的存储颗粒并联而成。其内部结构如图2所示。

本设计充分利用EEPROM的这个结构特点实现了DSP引导程序动态加载,在特殊要求时还可以实现程序的四重备份。程序加载电路框图如图3所示。

在系统中DSP的复位信号及喂狗信号连接在FPGA的引脚上,FPGA内部包含3模冗余的喂狗监控模块,由FPGA的喂狗监控模块监控DSP的喂狗信号。系统上电后,FPGA首先引导,FPGA引导成功后,给DSP复位信号,DSP初次引导时FPGA将CE1连接到EEPROM的CE1上,从EEPROM中的第一片存储颗粒中读取引导程序,若引导不成功,FP-GA收不到喂狗信号,则FPGA再次启动DSP引导过程,在需要DSP切换到其他功能状态时,可通过遥控指令启动FPGA内部再分配模块使FPGA给DSP发送复位信号,并将DSP的CE1信号连接到EE-PROM的其他CE上。

3 DSP芯片选型

选用高性能定点DSP处理器,该芯片提供600 MHz的主频,8 Mbits的内部存储器,EMIF总线可以达到133 M的访问速度。DSP芯片主要外围接口如图4所示。

4 DSP看门狗逻辑三模冗余设计(TMR)

TMR认为是比较可靠的对付辐射效应的方法。TMR采用3个完全相同的模块,互为备份,以达到最佳的抗单粒子翻转效果。根据功能的重要程度及对单粒子的敏感度来综合考虑,设计时可以根据实际情况对关键部分使用部分三模冗余法[7,8]。

三模冗余结构是由三个相同的工作模块与多数表决器组成,多数表决器的输出与三个输入的多数相一致,其表决原则是电路中有两个或两个以上的模块工作正常时,整体电路功能就正常,从而将单路模块故障消除。

DSP看门狗逻辑在FPGA中实现,是DSP复位重启及程序动态加载重构的关键组成部分,该部分逻辑如果发生单粒子翻转等问题将严重影响图像载荷的工作,因此在逻辑中采用三模冗余的结构。

上电后FPGA逻辑首先启动,启动成功后给DSP发送复位信号,DSP启动程序引导过程,DSP程序正常工作后,向FPGA看门狗逻辑发送喂狗信号。喂狗信号分为三路分别接到三模冗余结构的看门狗逻辑,进行喂狗操作,当某路看门狗逻辑发生逻辑错误,而其他两路正常时,多数表决器逻辑仍然判断喂狗信号有效,从而避免单粒子翻转引发误判断。当DSP发送的喂狗信号消失时,三个看门狗逻辑都会输出复位有效信号使DSP复位。当需要DSP部分程序动态加载时,只需控制FPGA的看门狗逻辑发送复位有效信号,同时根据任务需要加载EEPROM不同存储空间的程序,实现DSP部分程序的重构。

5 FPGA可重构逻辑

FPGA是用于可重构计算的主要可重构硬件,通过FPGA内部的配置端口可以对片内资源进行局部重构。可实现对彩色图像处理模式和黑白图像处理模式的快速切换,兼顾系统小型化和多功能化的目的。

图6为FPGA可重构逻辑框图。FPGA可重构逻辑部分包括彩色图像处理逻辑、黑白图像处理逻辑,缓存切换控制逻辑、通信逻辑等部分组成。同时配合DSP可重构部分完成彩色图像处理和黑白图像处理模式的切换,切换时间不超过15 ms。图像处理系统往往面临大分辨率图像处理时图像数据缓存空间匮乏的局面,小卫星有限的缓存作为系统的关键部分制约了图像处理系统的扩展,因此系统彩色图像处理逻辑、黑白图像处理逻辑通过缓存切换控制逻辑共享FPGA内部及外部存储空间,达到分时复用的目的。

6 系统可重构实现

系统重构架构通过DSP程序动态加载部分及FPGA可重构逻辑部分配合实现,系统实现了黑白图像处理模式与彩色图像处理模式的转换,彩色图像处理模式与黑白图像处理模式共享内部存储空间及其他硬件资源实现资源共享。通讯逻辑接收遥控指令切换系统的工作模式,FPGA工作在黑白图像模式时,启动黑白图像处理逻辑并禁止彩色图像处理逻辑的操作,缓存切换控制逻辑切换缓存空间总线与黑白图像处理逻辑相连接,实现黑白图像处理逻辑对缓存空间的控制。同时FPGA控制看门狗逻辑给DSP发送重启使能信号,并切换EEPROM的片选信号到所需加载程序存储空间部分,实现DSP程序的动态加载,并使系统工作在黑白图像处理模式。当控制系统工作在彩色图像处理模式时,FPGA接收遥控指令,将缓存空间总线与与彩色图像处理逻辑相连接,同时FPGA复位DSP并控制DSP加载彩色图像处理程序,完成黑白图像处理模式向彩色图像处理模式的转换。图7为系统可重构架构实现框图。

7 系统测试与验证

本系统是为解决小卫星有限的处理资源而需要实现多种图像处理模式而设计的,基于小卫星图像处理平台进行了测试,模块软件工作正常。实现了黑白图像处理模式和彩色图像处理模式的快速切换,使电路面积缩小为原有处理电路的一半左右,如图8所示。

8 结论

可重构处理器 第2篇

目前, 国内外广泛使用的密码处理芯片大多是实现某种固定密码算法的专用密码芯片。由于专用密码芯片实现的密码算法是确定且不可更改的, 不能满足不同用户多层次的安全性能需要和密码算法不断升级换代的需求。另一方面, 芯片一旦失窃, 算法的硬件结构暴露, 会带来安全隐患。而可重构密码处理芯片的硬件电路能够为不同的密码算法提供与之相匹配的逻辑结构和功能, 从而可以灵活、快速地实现多种不同密码算法。另外, 密码算法在运行时才配置相应电路结构, 不运行时芯片中不含算法的硬件电路结构, 提高了安全性。因此, 可重构密码处理结构具有很大实用价值[1]。在可重构密码处理器中通过专用指令配置重构单元和连接网络, 执行加解密程序, 因此, 指令系统设计的好坏直接影响到可重构密码处理器的灵活性和性能。本文在分析了流密码常用生成方法的基础上, 提出了一种基于流密码的可重构结构, 并设计了流密码算法重构需要的指令集。

1 基于流密码的可重构系统结构设计

流密码是指利用少量的密钥 (制乱元素) 通过某种复杂的运算 (密码算法) 产生大量的伪随机比特流, 用于对明文比特流的加密和密文比特的解密。流密码具有安全性高、长度灵活可变、运算速度快、密文传输中没有差错或只有有限的错误传播等优点, 常用于国家和军事保密通信中。公开的流密码算法可分为两类, 一类是适合硬件实现的基于线性反馈移位寄存器的算法;另一类是适合软件快速实现的算法。本文讨论的内容基于第一类算法。

在实际的工程设计中, 通常将同步流密码的密钥流生成器分解成驱动部分和非线性组合部分, 驱动部分多利用线性反馈移位寄存器LFSR来实现, 它将控制生成器的周期和平衡特性。而非线性组合部分是对驱动器的各输出序列进行非线性组合, 以控制和提高生成器输出序列的统计特性、线性复杂度和不可预测性等, 实现Shannon提出的混乱和扩散, 保证输出密钥流的密码强度。线性反馈移位寄存器是构造密钥流生成器的重要部件之一, 结构如图1所示。LFSR的反馈函数可写为f (a1, a2, ..., an) =cna1⊕cn-1a2⊕...⊕c1an, 其中常数ci为0或1, ⊕是模2加法, 一般假定cn=1。输出序列{ai}满足an+t=cnat⊕cn-1at+1⊕...⊕c1an+t-1。常用的基于LFSR的密钥流生成器有非线性组合生成器、非线性滤波生成器和钟控生成器[2]。非线性组合生成器是由多个LFSR和一个非线性函数组成, 各个LFSR的输出经非线性函数组合后生成最终的密钥序列, 结构如图2 (a) 所示。非线性滤波发生器输出的序列是线性反馈移位寄存器状态经过滤波函数后生成的, 结构如图2 (b) 所示。在前面两种发生器中, 只存在一个规律的时钟信号。在钟控发生器中, 非线性主要通过用一个LFSR的输出控制另一个LFSR的时钟来实现。

综上所述, 本文提出一种基于流密码的可重构处理结构, 如图3中实线框内所示。该结构作为协处理器与主机紧耦合, 主要由可重构线性反馈移位寄存器模块、可重构非线性组合函数模块、寄存器堆模块和控制模块组成。图3显示了该结构与主机的互连结构。

这种结构可以实现上文中提到的第一种生成方法, 即非线性组合生成器。通过配置可重构LFSR模块和可重构非线性组合函数模块中的功能单元及互连网络, 每一个可重构LFSR均可配置成不同域上一定长度范围内的一个线性LFSR, 可重构非线性组合函数模块可配置成任意n输入1输出的布尔函数, 根据配置信息, 由1-3个LFSR的输出或者某个LFSR中某些级的值作为非线性组合函数的输入, 经过组合函数电路作用后形成最终的输出密钥比特流。

根据上述可重构流密码处理结构, 选择具体的LFSR硬件电路和非线性组合函数的硬件电路[5], 如图4所示。图4 (a) 所示的为LFSR硬件电路的总体结构, 由64个可重构处理单元BE组成, 可以根据用户的不同需要配置为GF (2) 、GF (28) 、GF (216) 或GF (232) 域上一定长度范围内的任意一个线性反馈移位寄存器。图4 (b) 所示的电路可实现任意n输入1输出的布尔函数, 通过分析大量流密码算法, 选定n=14, k= (k1, k2, ..., k214) 为可控点。

2 基于流密码的可重构处理结构的指令集设计

可重构密码处理芯片的设计目标是灵活快速实现不同的密码算法, 因此, 在设计其指令系统时要优先考虑灵活性和效率。指令系统的灵活性通过它所能提供的密码算法基本操作类型的数量来衡量, 在针对特定可重构处理结构设计指令时, 要能够既涵盖所需的所有基本操作类型, 又不至于使指令集过于冗余 (必要的扩展性除外) 。指令系统的效率通过实现相同密码算法数量所需的指令条数的多少来衡量, 实现的密码算法数量相同而指令条数越少, 则效率越高, 加解密速度也越快[3]。

为了达到较好的灵活性, 需要精心选择指令集应包括的基本密码操作类型。基于上述的可重构流密码处理结构, 通过对大量的流密码算法进行分析, 筛选出用重构技术实现各种流密码算法时使用频率较高的操作类型, 再加上一些通用的操作类型, 就构成了该结构的基本操作集合, 包括:配置总体结构, 配置每个LFSR的域值、级数、输出、反馈函数, 配置非线性组合函数, 初始化赋值, 读/写寄存器, 配置使能, 执行使能, 停止可重构结构上的操作等。对应上述操作设计的指令构成了可重构流密码处理结构的指令集。根据以上操作的特点, 可将指令集的指令分为三类:静态配置指令、动态执行指令和控制指令。其中, 静态配置指令用来配置总体结构及各模块的功能;动态执行指令用来初始化各模块以及将执行结果写回寄存器;控制指令控制配置和执行的时序。

指令集结构有三种:精简指令字结构 (CISC) 、复杂指令字结构 (RISC) 和超长指令字结构 (VLIW) [4]。因为配置指令中需要包含大量配置数据, 如果使用CISC和RISC结构, 为实现并行性, 提高执行效率, 需要增加指令译码部件, 非常复杂。如果使用VLIW结构, 则由编译程序在编译时找出指令间潜在的并行性, 进行适当调度安排。VLIW结构把多个能并行执行的操作组合在一起, 成为一条具有多个操作段的超长指令, 由这条超长指令控制VLIW机中多个互相独立工作的功能部件, 每个操作段控制一个功能部件, 相当于同时执行多条指令。基于以上分析, 指令采用VLIW结构。

综上所述, 选择指令长度为140位, 指令的前2位均为01, 表示是流密码的专用指令。共有三种指令格式。

(1) 静态配置指令格式

第一种配置指令:配置总体结构

第二种配置指令:配置各LFSR的域值、级数、输出

第三种配置指令:配置各LFSR的线性反馈函数

第四种配置指令:配置非线性组合函数

其中, Format是指令格式控制域, 配置指令的Format=00。

配置指令共有四种, 由Config_type[135:134]的值来标识。第一种配置指令可选择总体结构中含有1～3个LFSR。第二种用于配置某个LFSR的域值, 级数和输出, LFSR_opt控制配置哪个LFSR, 可配置成的结构如表1所示。Output=0时, 输出为LFSR的输出, Output=1时, 输出为LFSR中某级的值, Sta_opt用来选择哪些级的值作为输出。第三种用于配置某个LFSR的线性反馈函数, RegNum用于指明被加载的配置文件寄存器, ConData是配置数据, 用于配置相互独立的硬件部件。第四种用于配置非线性组合函数。

(2) 动态执行指令格式初始化指令

输出写寄存器指令

其中, 执行指令的Format=01。

Function=00标识为初始化指令。LFSR_opt控制初始化哪个LFSR, RegNum用于指明被加载的数据文件寄存器, Data是初始化数据。Function=01标识为输出写寄存器指令, RegNum用于指明被写入的寄存器, RegAddr是寄存器内的地址, 由于输出数据的长度不一定是寄存器长的整数倍, 因此非第一次写入寄存器时需要分配写入的数据分配寄存器内的地址。

(3) 控制指令格式

其中, 控制指令的Format=10。

Function=00时, 指令功能为配置使能;Function=01时, 指令功能为执行使能;Function=10时, 指令的功能为停止可重构协处理器上的所有操作。

3 性能分析

以Geffe算法为例验证指令集的性能。在二元域GF (2) 上, 当LFSR_0、LFSR_1、LFSR_2的级数分别取32、31、29时, Geffe算法的密钥流生成程序需要执行静态配置指令共154条 (其中, 配置总体结构1条, 配置LFSR结构1条, 配置线性反馈函数24条, 配置非线性组合函数128条) , 动态执行指令4条, 控制指令2条。每1个时钟周期执行1条指令, 若按照100MHz的主频估算, 配置时间仅为1.54ms。另外, 程序包括160条指令, 每条指令的长度为140位, 因此, Geffe算法密钥流生成程序的代码量约为2.7KByte。反之, 如果使用通用指令集来实现该算法, 仅配置LFSR一项就需要两千多条指令, 程序量惊人。类似地可以估计用该可重构密码协处理器实现的其他算法的密钥流生成速度和程序的代码量。验证结果表明, 该指令集灵活性好, 能支持各种用非线性组合函数方法实现的流密码算法, 而且具有较高的执行效率。

4 总结语

本文对流密码生成算法进行分析总结, 提出了一种基于流密码的可重构处理结构, 这种结构可以实现一类典型的流密码生成器非线性组合函数生成器。基于这种结构, 设计了基于流密码的重构专用指令集, 它能够很好地支持这类流密码生成算法中的各项操作, 具有较好的灵活性, 而且由于选用了VLIW结构, 有效地降低了密码程序的代码量, 提高了执行效率。另外, 该指令集具有扩展性, 可用来设计可重构分组密码结构专用的指令集, 将在下一步工作中进行。

参考文献

[1]Ranga R Vemuri, Randolph E Harr.Configurable Computing:Technolo-gy and Applications.IEEE Computer, 2000, 4.

[2]Menezes A, VanOorschot P, Vanstorne S.Handbook of Applied Cryptog-raphy CRC Press, 1996.

[3]曲英杰, 刘卫东, 战嘉瑾.可重构密码协处理器指令系统的设计方法[J].计算机工程与应用, 2004 (2) .

[4]Introduction to VLIW Computer Architecture, Philips Semiconductors.Http://www.nxp.com/acrobat_down/other/vliw-wp.pdf

可重构视频编码综述 第3篇

随着市场竞争的加剧与用户需求的提高,在产品设计中需要兼顾的方面也越来越多,除速度与功耗外,还必须具备足够的灵活性和多样性以满足变化的需求。可重构的思想因其具备高度的灵活性与可扩性而倍受重视,它的突出优点是能够根据不同的应用需求改变自身的结构体系,以便与具体的应用需求相匹配[1]。通过重构,系统可以在需求的变化中保持自己的生命力,降低成本,缩短开发周期,具有很强的适应能力。

2 可重构视频技术

2.1 研究背景

可重构的思想被广泛应用于各个领域。国际运动图像专家组(Moving Picture Expert Group,MPEG)将可重构的思想引入视频领域,展开了对可重构视频编码(Reconfigurable Video Coding,RVC)的研究。RVC的引入主要是基于以下几方面的考虑。

1)支持视频内容、视频格式的多样性。目前市场上存在多种视频标准,如MPEG系列、H.26x系列、VC-1、AVS等,这些标准分别定义了不同的级别与档次以满足各类的需求,它们在丰富了视频市场的同时,也带来了多种多样的视频内容、视频格式。因此,目前的多媒体设备通常要支持多种标准以增强自身的灵活性。但是,一个多媒体设备很难支持所有的标准,不仅因为成本与复杂度过高,而且随着标准的发展与新标准的出现,已有的设备难以迅速调整自身来适应新技术。与此同时,随着IPTV的发展与数字电视的普及,多标准之间、多格式之间的切换也给实现带来困难。例如,IPTV的需求中明确提出,在一个传输信道中,允许传输来自不同标准的码流,要求接收端能够准确无误地接收并解码。目前实现多标准、多格式的切换技术主要是转码,这大大增加了系统的时间与复杂度[2],尤其当多标准切换时,系统需要包含多种转码器,对实现是一个巨大挑战。使用可重构的方法可以解决上述问题。可重构淡化了标准的概念,在可重构框架下解码端可以根据接收内容进行实时配置,不仅可以支持多标准、多格式之间的切换,而且具有高度的灵活性与可扩展性。

2)探索与发掘不同标准的编码工具的可重用性与可交换性。经MPEG调研发现,目前的主流视频标准几乎都具有相同或类似的编码工具(例如变换、量化、帧内预测等),这些编码工具虽采用不同的算法,但几乎具有相同或类似的输入输出数据,这使得重用或交换来自不同标准的编码工具成为可能,并且也可以引入结构类似的新工具。然而目前并没有确定的标准来探索和实现这一共性。RVC为提高不同标准编码工具的可重用性与可交换性提供了平台,它从编码工具的角度定义标准,对提高编码工具的重用性与交换性具有重要意义[3,4],不仅提高了系统效率,避免了重复设计与测试,而且给系统带来新的特征,能够更加灵活地引入新技术。

3)方便面向需求进行设计,用可重构的方式灵活配置新解码方案。单纯从整个解码器的角度定义标准已经不能完全满足实际应用的需求。例如H.264/MPEG-4AVC标准中定义了各种语法元素,而在某些实际应用中,这些语法元素可能并没有全部用到[3]。但是,一个解码器不得不支持这些元素以保证自己是合法的。再如,一些新方法的使用可以提高编码性能[5,6]或降低复杂度[6],但是由于这些新工具并不包含在标准里,导致使用了新工具的码流被认为不合标准,也就是说,编码端不可以自由使用某一标准规定外的编码工具,即使该编码工具更有效。可见,基于标准的定义从一定程度上限制了设计者的自由,缺乏灵活性与可扩性。RVC标准充分考虑到上述问题,不再规定码流的语法结构及解码过程,赋予编码端自由,只要编码端将相关信息按照标准规定传递给接收端。这种“发送-接收”机制具有高度的灵活性,在应用中,设计者完全可以设计属于自己的重构方式,避免不需要的语法元素或编码工具,也可以使用专属语法元素或编码工具,以满足实际需求。

4)用可重构的方式增强系统的灵活性与可扩性。随着需求与技术的发展,视频将迈向新的阶段。MPEG与VCEG(Video Coding Experts Group,视频编码专家组)已开展了新标准的研究工作。预计下一代编解码系统的算法与目前相比,复杂度将至少提高5倍,图像分辨率至少提高4倍,帧率提高到2倍以上,图像将完成由高清到超高清的过渡。更大数据量、更快的处理速度对现有的视频设备与实现技术是一个巨大的挑战,如何快速调整自身以适应新技术成为值得研究的问题。

基于上述问题,MPEG展开了一系列研究并制定了RVC标准。RVC的基本出发点是,从编码工具的角度出发,利用RVC框架重用与重组编码工具,配置出符合现有标准的解码方案,或配置出不同于现有任何标准的新的解码方案。RVC带来了视频的全新革命,它支持解码端的动态组合,具有高度的灵活性、可重用性与可扩性。

2.2 RVC标准的发展

自2004年起,MPEG就开展了RVC的调研工作[7],两年后,RVC标准化工作正式启动,完成了RVC的草案。经过长时间的讨论与研究,2009年2月,RVC标准工作进入最终国际标准草案阶段。RVC标准主要包括两部分:可重构框架与可重构工具集,如图1所示。其中,可重构框架(ISO/IEC 23001-4)属MPEG-B部分,定义了可重构视频的框架;可重构工具集(ISO/IEC 23002-4)属MPEG-C部分,定义了描述编码工具的系列问题并集合了来自MPEG系列标准的编码工具。可重构框架具有通用性,除支持MPEG工具集外,还能够支持来自其他标准的工具集或新工具。

3 RVC标准简介

3.1 可重构框架

可重构框架描述了如何重构解码器,为解码端重构提供必要的运行机制和元素,保证灵活、简单、快捷地实现解码重构。可重构框架标准包括两部分:解码器描述与抽象解码模型。

为保证编码端能够向解码端传递配置信息,可重构框架中定义了“解码器描述”,该“解码器描述”与“已编码视频数据”一起打包为可重构码流,经系统层传输至解码端。“解码器描述”为解码端提供了配置信息,包括:关于码流语法元素结构描述与编码工具连接描述,这两部分为解码端重构提供了充分条件。在这种方式下,编码端不必按照某一标准的规定使用编码工具和安排码流结构,而是可以根据实际情况自由选择编码工具和定义码流语法元素结构,大大增加了灵活性。与传统的编解码框架相比,可重构已经完全取消了“标准”层面的定义,创新地引入了“解码器描述”的概念,使得编码端能够将可配置相关信息传递给解码端,建立了一个动态灵活的重构机制。

在可重构视频的框架下,当解码端接收到码流,首先解析“解码器描述”部分,通过解析“码流语法元素结构描述”,解码端获知当前码流中每一个语法元素的属性以及语法结构;通过解析“编码工具连接描述”,解码端获知解析当前码流需要的编码工具以及这些编码工具之间的连接方式。当上述两项被成功解析后,可重构框架调用实例化和参数赋值过程将最终解码方案抽象化为“抽象解码模型”。由此,一个解码器便配置成功。

3.2 可重构工具集

可重构工具集[8,9]实际上是一系列编码工具的集合,它收集了来自现有标准的各种编码工具,并且也可包含不存在于当前编码工具集的新工具,只要该工具被认为在某种程度上是有意义的。在RVC中,可重构工具集中的编码工具被定义为FU(Functional Unit,功能单元)。可重构工具集可由编解码端根据实际情况自由定义,可以为某可重构工具集的子集,也可以为一系列新工具的集合等。可重构工具集中的每一FU都定义了独立的编号,当可重构配置发生时,可重构框架调用工具集的FU进行配置,如图1所示,可重构视频框架允许并支持多种工具集,包括MPEG工具集与非MPEG工具集。

3.3 RVC标准的关键技术

3.3.1 可重构工具集

RVC的可重构工具集用以收集编码工具(也称为FU)。由于可重构框架不仅限于支持MPEG,也支持诸多非MPEG标准,因此可重构工具集不是唯一的,用户甚至可以根据需要建立专属的可重构工具集。MPEG的可重构工具集中定义了:

1)FU的文本描述规则。FU文本描述中应包括FU的名称、功能描述、源自何标准、参数设置以及输入、输出的描述等。

2)FU的输入、输出信号规则。可重构工具集中定义了“token pool”用以收集已纳入工具集中的FU的输入、输出信号。这种统一的定义方式大大缩短了设计周期,设计者通过查阅“token pool”即可了解FU的端口情况,保证FU之间的正确连接。

3)FU的标记(ID)。由于在可重构过程中涉及到FU的调度,解码端必须明确使用了哪些FU,因此可重构工具集中为每一FU指定了唯一的ID。

4)来自MPEG的FU的文本描述。MPEG可重构工具集中列出了一系列来自MPEG标准的已实现的FU。

5)在可重构工具集的非标准部分还给出了FU命名的建议,以及使用相应FU重构不同解码方案的实例。

3.3.2 FU的描述

RVC的可重构框架中定义了可重构工具集的FU的描述语言。RVC使用CAL语言来描述每个FU。CAL于2003年由加利福尼亚大学的Caltrop项目组[10]开发,它是一种数据流描述语言,面向嵌入式系统设计,具有封装性好、代码量小、可转化等优点[11]。作为一种文本编程语言,CAL将每个功能单元模块化为actor,actor自身内部可以进行状态跳转,而actor之间互不影响。actor之间通过FIFO的形式实现数据传输:如一个actor的输出连接至另一actor的输入[12]。可见,CAL具有强大的抽象描述与封装化功能,非常适用于可重构系统中FU的设计。使用CAL描述的FU在系统中相当于“黑匣子”,它消耗输入的信号,继而修改自己的内部状态,产生相应输出信号。CAL的灵活性还体现在,它能够根据不同平台进行转化,例如从CAL到C语言的转化(CAL2C)、从CAL到VHDL/Verilog语言(CAL2VHDL)的转化等,并且,由于在对CAL源文件的解析中使用了XML来表述解析结果,因此CAL与XML之间也可以进行转化,只要编程者的平台上能够支持XML,就可实现从任何编程语言到CAL的转化[10]。CAL这种优越的特性使得FU的描述不依赖于任何平台,而是可以根据实际情况针对不同的平台进行转化。RVC专门提供了系列CAL2C与CAL2VHDL的自动转化软件,为可重构提供了保证。

3.3.3 码流语法元素结构描述

如上所述,RVC的可重构框架部分中定义了关于“码流语法元素结构描述”。RVC使用来自MPEG-21的比特流语法描述语言(Bitstream Syntax Description Language,BSDL)[13]来实现“码流语法元素结构描述”。BSDL是一种基于XML的高层次语法描述语言,它定义了各种语法来描述比特流的语法元素结构,但对于RVC来说,BSDL并不能完整和唯一地描述整个比特流语法元素结构。这是因为:1)可重构视频需要十分完整地描述比特流,包括比特流中的可变长语法元素(例如哈夫曼编码、基于上下文自适应的可变长编码等),但是现有的BSDL并不能完全执行这些功能,需经一定的扩展才能对比特流进行完整的描述。2)BSDL定义了多种语法来描述比特流的语法元素,借用这些语法,编程者可以选择不同的途径来描述比特流的语法元素结构。在RVC框架中,由BSDL描述的比特流语法元素结构被解码端接收到后,经过解析并自动转化为语法解析FU,通过解析“编码工具连接描述”,语法解析FU与来自编码工具集的相关FU形成一个完整的解码方案。为便于从BSDL描述的比特流语法元素结构到语法解析FU的转化与综合,需尽可能定义一个唯一的描述比特流语法元素结构的方法,因此需要对已有的BSDL进行一定的限制,以得到简洁、唯一的关于比特流语法元素结构的描述。RVC的可重构框架标准中定义了这些扩展与限制,并将经过限制与扩展的BSDL称为RVC-BSDL。

3.3.4 编码工具连接描述

同时,RVC框架中定义了“编码工具连接描述”,用以描述重构时使用的编码工具以及编码工具间的连接方式。RVC框架中规定使用网络描述语言(Network Language,NL)来描述编码工具间的连接。NL也是一种XML语言,鉴于对编码工具的连接的描述相对简单,使用的语法有限,只涉及到使用的FU名称、FU连接方式,因此RVC框架没有采用整个XML语言集,而是定义了一个子集NL,用以描述编码工具的连接方式。在NL中,通过标记FU的ID和定义各个FU的输入、输出来源,将重构时使用到的FU连同自动生成的语法解析FU连接为一个网络,得到重构的解码方案。

3.3.5 解码器重构

在RVC框架下,解码端接收到使用BSDL描述的码流语法元素结构,进行解析并使用XSLT(XSL Transformation)自动将解析结果转化为CAL语言描述的语法解析FU[14,15]。同时,解码端通过解析使用NL描述的编码工具的连接,明确使用到的FU以及FU的连接方式,进而从相应编码工具集中调用这些FU,并将这些FU与语法解析FU连接为网络,经过参数赋值与实例化过程最终形成一个解码抽象模型。

RVC的可重构框架与可重构工具集并不依赖于任何实现平台,具有高度灵活性与可扩性。在具体实现中,可以根据不同的平台进行综合,从解码抽象模型综合出面向不同平台的解码方案。

4 AVS在RVC框架中的实现

RVC框架的灵活性与可扩性使之不仅仅适用于MPEG系列,对于非MPEG标准也同样适用。在RVC框架的支持下,笔者等人建立了AVS编码工具集用以收集AVS标准的编码工具,在充分考虑可重用性与可交换性的前提下,提出在RVC框架下的不同重构解码器,其中包括结合了AVS与MPEG编码工具的混合解码方案[16]、使用AVS编码工具重构的AVS解码方案[17,18]等。实验证明,通过编码工具重组,该混合解码方案不仅提高了编码性能,同时也降低了实现复杂度,大大提高了编码工具的可重用度,避免了重复设计,对缩短设计周期、提高开发速度具有重要意义。

5 可重构视频展望

作为新一代标准,RVC从全新的角度定义解码过程,突破了“标准”的定义,从编码工具的出发,配置解码方案,引入了“解码器描述”使得编码端可以向解码端传递信息,增加了系统的灵活性与可扩性。RVC框架具有灵活性、可重用性、可扩展性,设计者可以根据实际需求情况与实现平台自由选择编码工具和安排码流语法元素结构,这是传统的编解码框架所不具备的。鉴于RVC的独特优点,它不仅可以用于视频领域,而且适用于其他多媒体处理系统,可以被广泛应用于IPTV、智能控制、军事领域等。

RVC的研究刚刚起步,需要进一步完善才能应用于实际中。在可重构过程中还涉及诸多问题亟待解决,例如:

1)RVC与系统层的研究

RVC引入了“解码器描述”的概念并在系统层进行传输。这将涉及到:(1)关于“解码器描述”与“已编码视频码流”以何种次序及何种方式在系统层传输;(2)何时及如何检测“解码器描述”。在传输中,“解码器描述”并不需要每次必须传输,当需要重新重构解码器或者有其他必要时才传输一次,因此系统应该何时以及如何指导接收端检测“解码器描述”是需要解决的问题。实际应用中,这是一种常见现象,如频道切换时很可能会伴随不同标准或不同分辨率的切换,接收端必须重新配置解码器以便完成正确解码。系统层与可重构层之间须有相应机制反映这一现象。

2)可重构框架的丰富与实现。可重构框架中涉及到许多具体实现问题,例如从BSDL到CAL的转化、使用BSDL实现复杂的可变长编码(CAVLC与CABAC等)都是需要考虑的问题。

3)可重构工具集中FU的优化设计。FU的可重用性与可交换性是RVC的重要特点,在FU的设计中,应充分考虑FU的可重用性,避免额外设计,但目前并没有衡量FU颗粒度划分的统一标准,如何选择合理的颗粒度以提高FU重用率,是设计者应考虑的问题。此外,在使用CAL对FU进行描述时,由于CAL具有高度的灵活性与并行性,如何利用CAL语言的这一特点进行优化设计来提高FU内部计算的并行度,也是值得关注的问题。

4)RVC的一致性测试。与其他标准一样,RVC也定义了一致性测试以保证重构解码方案能够正确解码。不同的是,由于RVC的动态重构特性,其一致性测试也相对复杂,除需对各个FU进行测试外,还需对整个重构系统进行测试。虽目前已提出一些针对RVC的测试方法[18,19],但是这些方法并不完善,需进一步改进。

一种可重构流水阵列系统 第4篇

传统的数据处理方法有两种,一种是对通用微处理器采用软件编程的方式,这种方法通用性好,但是效率不高。另一种是ASIC方式,这种方法处理数据速度很快,但是只能针对某一种运算,通用性不高。当代越来越多的应用领域,比如科学计算、流媒体、图形识别和处理等领域,同时要求计算的高性能和灵活性。研究表明90%的程序执行时间是被10%的程序代码所占用,于是针对运算次数多,耗时长的程序,人们普遍采用可重构硬件加速器来运行。可重构计算是指对结构可变的硬件进行软件配置,使其实现多种运算功能。这种方式即具备了软件的灵活性,也具备了ASIC的高速性,是解决重复次数多,数据量大的算法,比如H.264编解码中的DCT/IDCT运算的一种理想方法[1]。

Morphosys[2]是其中最具代表性的一个可重构阵列处理器。Morphosys互联比较复杂,阵列在进行数据处理前需要把数据绑定到每个阵列单元中去,在配置字广播下进行运算,这样不但使阵列规模比较庞大,而且不能充分利用每个处理单元。

本文描述了一种可重构流水阵列系统RPAS(Reconfigurable Pipelined Array System),它作为一个基于AHB(Advanced High-performance Bus)[3]总线协议上的硬件加速模块,与ARM处理器构成一个通用嵌入式系统。

RPAS结构拥有两个突出优点:第一:阵列按列配置,每列的配置字对应流水线的某一级,对应流水线各级的配置字通过路由单元传输到指定的列里,通过控制路由单元就可以实现阵列的动态配置,相比较与主处理器控制逐列输入配置字的方式,配置字路由方式降低了主处理器的负荷。第二:根据对大量常见的数字信号处理算法的研究,阵列采用了简化的处理单元互联方式,以及对不同列采用不同的处理单元,降低了系统的面积与复杂度。

1 RPAS结构概述

流水阵列模块作为挂载在AHB总线上的Slave,整体架构如图1所示,ARM核通过向配置寄存器里写入控制字来对系统进行控制,控制字根据具体的算法进行编写。阵列具体做什么运算由存放在Context Buffer中的配置字决定,接口控制系统的运作,并在运算完成后将结果送回Frame Buffer,再通过DMA送回外部Memory。ARM核发出指令,经由AHB Interface处理,转发给各指令相关单元并进行处理。DMA负责数据的搬运,包括搬运DMEM中的配置字到Context Buffer;搬运DMEM中待处理数据到Frame Buffer中去;搬运Frame Buffer中的计算结果回DMEM。Frame Buffer负责存储待计算数据,以及阵列计算结果。Context Buffer负责存储配置字,通过Buffer Router的将配置字传输到阵列。

1.1 可重构流水阵列

可重构流水阵列包含一个44的处理单元阵列和4个路由器,如图2所示。数据流从左到右,PE有时钟输入,每一列就是流水线的一级。Router控制流水阵列的操作数来源。第四列的结果输出到第一列,形成环型流水。

1.2 处理单元

RC单元的组成如图3所示,主要有配置寄存器,输出寄存器,ALU和移位器。配置寄存器保存Context Buffer传来的配置字,根据配置字控制ALU和移位器的操作。输出寄存器负责保存PE的运算结果。

每个PE的ALU接收2个8位的操作数,输出1个8位的结果。本系统的处理单元采用列与列之间异构的方式,第一列PE可以实现乘法,加减法,移位,与或非操作,第二列PE可以实现求差绝对值,加减法,移位,与或非操作,第三,四列PE仅可以实现乘法,加减法,移位,与或非操作。只有第一列PE拥有乘法器单元,可以大大减少阵列的面积,对大多数需要乘法运算的数字信号处理算法来说,该阵列在效率方面依然可以得到较好的满足。

PE单元中的配置寄存器只需要控制ALU进行操作,不需要对操作数进行选择,因此配置信息大量减少,每个处理单元只需要8位,一列总共只需要32位,相比于传统的可重构系统的单个处理单元就需要32位,信息量大大减少。

1.3 路由器

根据对大量数字信号处理算法的研究发现,大多数算法结构都具有一定的对称性,其中蝶形互联方式是最常见的数据流互联形式,比如矩阵乘法,DCT/IDCT,MM,FFT等算法的流水线实现都频繁采用数据流蝶形互联方式。

因此本系统采用简化的路由设计方案,矩阵每一列四个PE对应的路由器只有8种配置情况,只需要3位控制信息,相比于传统的可重构系统的单个处理单元就需要多位配置信息控制其内部MUX进行操作数选取,信息量大大减少,如图4所示。

1.4 配置字传输方式

流水线阵列的配置方式是按列配置,如图5所示。首先将对应着各个流水级的配置字传入Context Buffer中,在通过Context Router将相应的配置字传输到相应得列里去。Context Buffer 的容量为328bits,最多支持八级流水的运算。每个Context(32bits)对应一个流水级,其中每个PE分到8位配置信息,在计算开始前先将Context装载到Context Buffer中,运算时可以通过控制路由在一个时钟周期内对阵列的所有四列进行配置。

1.5 数据流传输方式

可重构流水阵列通过Frame Buffer接收或发送数据,Frame Buffer分成两个Set,Set 0负责向流水阵列提供操作数,Set 1负责接收流水阵列的计算结果。两个Set可以同时工作,如图6所示。

其中,Set 0含有2个bank,每个bank含有64组,每组含有4个Byte,每个bank在一个时钟周期内可以将一组4个Byte(1个word)通过路由和阵列内部data bus传输到阵列中特定的列,该列的每个RC分配到一个8 bit的操作数。

同样的,Set 1可以在一个时钟周期内,通过路由和阵列内data bus接收指定某一列的计算结果,其中每个RC可以输出8位的结果。

2 性能分析

2.1 算法映射

H.264编码程序中包含大量的循环体,例如计算SAD值、量化、DCT、半像素插值、运动补偿和构建重建帧等。这些循环体代码并不复杂,且执行次数频繁,占据了编码的绝大部分时间,因此循环体的优化是重点[4]。首先分析H.264视频解码中使用的44的DCT变换。

H为变换矩阵,X为输入,Y为输出,二维DCT变换公式应该为:

Y=HXHT=((XHT)THT)T (1)

${\rm H}{}^{{\rm T}}=\left[\begin{array}{cccc}1& 2& 1& 1\\ 1& 1& -1& -2\\ 1& -1& -1& 2\\ 1& -2& 1& -1\end{array}\right](2)$

因此完成二维DCT变换可以有以下两种方式:

①直接进行二维DCT变换。

②进行两次一维DCT变换,通常称为“行列法”[5]。

一般来说,后者在结构上的对称性更好,易于在硬件上实现,而且可以复用一维DCT变换的硬件,因此采取了进行两次一维DCT变换的“行列法”。

X矩阵按行输入,依次从第一行到第四行输入阵列的第三列,第四列的结果输入第一列,最后从第二列接收结果,输出到寄存器堆。X矩阵从阵列的第三列输入是因为流水的第三步需要使用阵列的第一列的乘法器。

数据通过阵列实现右乘矩阵HT,将结果输入一个44的寄存器堆,按列输入按行输出,实现矩阵转置,再将转置后的数据通过阵列,得到的结果再转置,即可得到最终结果,如图7所示。

计算SAD值是H. 264编码过程中一个很重要的步骤 ,无论是帧内模式选择还是帧间预测中的运动搜索都需要频繁调用该模块 ,计算 SAD的公式为:

$\text{S}\text{A}\text{D}={\displaystyle \sum _{x=1,y=1}^{{\rm M},{\rm N}}|}S(x,y)-S(\dot{x},\dot{y})|(3)$

对于一个16l6大小的宏块来说,在搜索范围内的每一个点的SAD的总计算量为256次减法操作+256次求绝对值的操作+255次累加操作,可见对一个宏块失真度SAD的计算是H.264编码器中是一个非常耗时的模块,而SAD计算中包含的是对大量低精度(8位宽度)的像素数据进行密集的加减法运算,非常适合于本流水线阵列处理。S(x,y)从第二行输入,进行求差的绝对值操作,最后从第一列接收累加求和结果,如图8所示。

2.2 性能比较

如表1所示,RPAS系统完成一个44 DCT运算需要14个周期,完成一个1616块求SAD值计算需要67个周期运算效率高,效率是Morphosys的两倍左右,但是阵列规模相比Morphosys(88)大大减小。RPAS处理DCT和求SAD值这两种算法,还有一个突出优点,阵列的配置信息在计算过程可以保持不变,主处理器只需要控制输入待处理的数据即可,而Morphosys需要不停切换配置信息,对时序要求相对较高。

3 结束语

本文提出了一种可重构流水阵列系统,它可以广泛应用在嵌入式多媒体处理中。它不仅具有一般硬件加速器效率高的优点,而且结构简单,通过路由单元控制配置字传播,高效简单,便于控制。系统还采用异构处理单元,简化矩阵互联,使得系统面积和复杂度得到优化。通过对H.264编码程序中执行次数频繁,占据了编码的绝大部分时间的计算SAD值、量化、DCT、半像素插值等运算的算法研究和手工映射分析,该系统能较好的实现复杂度与芯片面积之间,运算效率与系统通用性的权衡。

参考文献

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[3]ARMLimited.AMBA Specification[Z].

[4]数字音视频编解码标准工作,信息技术先进音视频编码(第二部分:视频)[S].2003.

刍议可重构信息通信基础网络体系 第5篇

可重构信息通信基础网络体系的设计主要采用的方法是自顶向下, 将可管可扩、安全可信、融合异构、服务质量保证等功能内嵌到网络体系结构之中, 最终使新的信息通信网络能有效解决质量、互联、可信、可管、泛在等方面的问题, 能够天然满足这些方面的需求。一般而言, 业务的需求与特征是多变与多样的。相对来说, 网络服务能力则是十分有限的, 所以对这种差异性进行有效弥补的一条可行途径就是依据网络虚拟化的相关思想, 将网络承载服务与业务特征需求二者抽象为一种相对特殊的“业务-元服务-元能力”模型, 也就是所谓的将直接承载业务的网络服务进一步分解为更加细致的基本网络服务原色, 称之为“元服务”。所有业务相对应的网络服务元素的总和在一起就组成了网络的“元服务层”。[1]由于每一个元服务都需要一组基本的网络功能元素进行支撑, 我们称之为“元能力”, 而支撑一个元服务的所有元能力集合是封闭的, 并且其中的元素也是相对有限的, 所以所有的原服务对应的基本网络功能元素的总和就组成了网络的“元能力层”。这种“业务-元服务-元能力”模型就组成了网络元能力理论的核心内容。业务层利用认知机制对网络业务的要求与特性进行抽象与聚类, 从而提炼出各类业务组成的基本网络服务元素。而元服务层则通过网络元能力功能层提供的基本承载能力, 来认知适配基本承载功能组件, 针对多样业务具备的公共承载要求与特征进行聚类, 最终形成元服务。元能力层体现着网络本身的元能力, 其通过网络资源、节点资源与动态感知业务的行为特征, 对网络提供的基础传输能力进行组配与聚类, 从而在全局网络范围之内调节与协调资源与能力, 最终为元服务层提供多种基础承载能力。可重构信息通信基础网络体系的设计应用的是以满足业务要求为目标、可重构基础网络为核心、网络元能力为基础的新型模型。可重构多态网络层属于增强型的互联网络传输层, 其最直接的目标就是进一步强化基础网络的互联传输功能, 基本的功能主要有OSI七层网络参考模型中的传输层与网络层的功能, 同时新增了支持业务需求的新功能。[2]通常而言, 可重构多态网络层主要由多态与基态两个子层组成, 基态子层能够实现了交换、路由与基本寻址等功能。

可重构新型网络体系功能参考模型中的认知功能主要是位于管理面之中的全新网络管理功能, 其主要为管理面中的业务承载管理工作提供对网络与业务的认知服务。作为建立在认知机理基础上的管理功能, 认知功能主要包含服务承载切面、网络重构切面以及资源虚拟切面, 其不仅为业务承载提供直接的基础性的认知功能组件, 还完成对网络资源与节点资源的汇聚与抽象, 最终满足满足多元化的服务需求。

二、网络重构的结构形态及关键机制

2.1基于元能力表述的网络重构结构形态

从全网重构的角度来说, 网络元能力提出的功能模型在元能力、元服务与业务方面对网络资源进行了划分与抽象, 然而并没有对元能力的结构形态进行明确。笔者从节点支撑全网重构的视角出发, 提出了从“面元能力”到“点元能力”的元能力层次划分, 自下而上地从元服务、面元能力、点元能力等层面多尺度描述网络资源。面元能力能够从全网的角度出发, 对业务进行感知, 同时对数据面网络资源特征与行为进行组配与聚类;[3]点元能力是对网络节点中异构异质资源进行抽象与重构而形成的逻辑实体, 利用对节点具备的网络资源进行进一步的规划与调节, 其能够对全网重构提供全面的基础网络承载。

2.2基于层次化的网络重构机理

从元服务角度来看, 其能够利用对多样化的业务的要求与公共特性进行抽象及聚类, 能够在最大程度上减轻业务与网络资源之间的耦合性。元服务通过面元能力提供的全网范围中的基本网络承载能力, 利用重构重新适配业务。面元能力对元服务具有全方位的支持, 并不是简单的一对一映射关系, 所以用于支撑面元能力的节点都需要充分考虑到资源共享及彼此协调等问题。就全网角度而言, 面元能力能感染业务特征, 还可以重新组配与聚类面网络资源, 以此来支持元服务的重构。通过对节点具备的网络资源规划与优化, 从而为部署点元能力提供最为合理科学的节点资源配置方案。

三、结语

本文笔者创造性提出“可重构网络”的理论思想, 并且尝试构建出可重构信息通信基础网络体系, 并且在此基础上分析了基于元能力表述的网络重构结构形态与基于层次化的网络重构机理, 从而尝试构建出一个支持当前与未来业务的满足不同服务需求并且功能灵活的新型网络通信基础设施。

参考文献

[1]兰巨龙, 程东年, 胡宇翔.可重构信息通信基础网络体系研究[J].通信学报, 2014, 01:128-139.

[2]陈杰, 刘建伟, 王蒙蒙, 何双羽, 毛剑.基于安全基片的可重构网络安全管控机制[J].电信科学, 2014, 07:19-25.

微型可重构数控机床本体研制 第6篇

国内外对可重构数控机床的研究多局限于单一加工工艺范畴。如美国密歇根大学Dhupia等研制的拱形可重构组合机床[3], 可实现铣削、钻削加工功能。国内如上海交通大学机械工程学院研制了能够基本实现卧铣、立铣、龙门铣功能的小型简易数控加工平台[4]; 天津大学王庆祎等研制的多功能微型三轴立式机床[5], 可以实现微细铣削和电火花加工。

现代制造高柔性化需求对机床可重构性提出了更高的要求。现面向微细加工等领域, 合理划分、设计机床可重构功能模块件, 研制了集铣削、车削和钻削等功能于一体的微型数控机床, 从不同加工种类大跨度实现了机床重构。

1 机床功能需求及主参数确定

机床定位为微型数控机床, 可重构成数控车床、数控铣床 ( 数控钻床) 两种机床, 能够加工普通碳素结构钢等材料。机床的基本参数、性能要求如表1。

微型数控机床一方面很大程度上减少了机床制造中能源、资源消耗, 降低了机床制造成本; 另一方面, 微型机床各部件运动惯量相对较小, 更容易实现高速加工、高精度加工和高刚度运动控制。综合考虑加工范围、加工精度、装配易操作性等因素, 确定机床的尺寸如表1。

机床切削功率Pc为切削力Fc和进给力Ff所消耗的功率之和, 则:

主切削力Fc为:

切削速度vc为:

式中, d为工件 ( 车床) 或刀具 ( 铣床) 最大直径, 单位为mm; n为主轴转速, 单位为r / min。

忽略进给力所占的极小部分功率 ( 约为1% ~ 2%) , 切削时消耗的功率Pc为:

选用YT150 硬质合金车刀, 以常用易加工的热轧钢 ( 屈服强度 σb= 0.588 GPa) 棒料为例, 车削加工。微型机床主轴转速范围一般为250~2 500 r/min, 取1 550 r/min, 切削速度vc= 0. 243 m / s, 背吃刀量ap= 2 mm, 进给量f =0.3 mm / r的切削参数下, 查表得影响系数、指数和修正系数, 将式 ( 2) 和式 ( 3) 代入式 ( 4) 计算得:

取机床的总传动效率 ηc= 0.85, 则机床主轴电机功率PE需满足:

由此计算, 可确定主轴电机的选型。对机床负载力矩与负载惯量进行计算[6], 确定进给轴电机的选型。最终机床主轴和进给轴电机参数如表2。

2 机床功能模块划分

可重构机床的一个显著特征是功能模块的模块化。根据数控机床的结构原理, 将数控车床的功能模块划分为床身模块、主轴模块、工作台模块、卡盘、刀架和尾座顶针模块; 相应地将数控铣床的各个功能模块分为床身模块、主轴模块、工作台模块、立柱模块、配重模块和铣刀夹持模块。对比两种机床的功能模块, 相同功能的模块有床身模块、工作台模块和主轴箱模块。因此, 重复出现的部分可设计成可重构的模块。

为了简化装配和提高装配精度, 数控铣床的立柱部分和配重部分可以模块化为一个装配整体。最终, 可重构机床的组成模块划分如图1 所示。其中, 床身工作台模块和主轴箱模块是在重构过程中重复利用的模块。

3 机床功能模块化设计

3.1 主轴模块化

实现主轴的重构, 要解决数控车床主轴和数控铣床主轴重构时装夹对象不同的问题。综合考虑车床主轴和铣床主轴结构, 重新设计的主轴可实现车床和铣床通用。将主轴部分整合为一个装配整体。

同一个主轴, 用于数控车床时, 其前端装配卡盘, 如图2 所示; 用于数控铣床时, 其前端为铣刀夹持装置, 如图3所示。重构过程中, 主轴的其余部分无需拆卸和替换。

1—主轴装配部分;2—卡盘

1—主轴装配部分;2—锁紧螺钉;3—铣刀夹持部分

将模块化后的主轴固定在主轴箱上, 和主轴电机等组成主轴箱模块, 如图4 所示。这样在重构过程中, 主轴箱模块始终作为一个整体, 避免了拆卸、重新装配带来的误差, 简化了装配过程, 提高了主轴箱模块的装配精度。

3.2 床身工作台模块化

采用右手笛卡尔坐标系, 不难发现数控车床的z轴和x轴在分别和数控铣床中x轴和y轴的运动方向相同。因此, 可以将运动方向相同的机体设计成重构过程中共用的模块。数控车床z轴方向所在的床身和x轴方向所在的x托板可以模块化为一个可重构的整体: 床身工作台模块。其效果如图5 所示。床身工作台模块作为可重构部分, 成为机床可重构的基础。

工作台模块中有设计为带T型槽的工作平台, 用于安装数控刀架 ( 车床) 或虎钳 ( 铣床) 等。

3.3 立柱配重模块化

数控铣床比数控车床多了1 个数字轴。车床的z轴和x轴在重构过程中分别重构为铣床的x轴和y轴。此时, 需要另加一个数字轴作为铣床的z轴。考虑到数控铣床z轴所在的立柱和配重块的位置关系, 将二者整合为立柱配重模块, 装配效果如图6 所示。立柱配重模块作为一个整体, 其主轴箱固定板用来安装主轴箱模块, 实现z轴上下运动。

3.4 尾座顶针模块化

尾座、顶针是数控车床所专用的部分。在车削加工细长轴类零件或加工螺纹时, 尾座中的顶针起辅助夹持作用。尾座顶针模块的设计需要满足拆卸方便和快速安装。尾座顶针模块结构设计如图7 所示。

4 机床可重构数控系统

机床配置了与企业合作研发的EAMA-3000i型数控系统。系统架构如图8 所示。

按数控系统架构, 将数控系统的设计模块化。对于每一个运动轴, 将其数控程序封装为一个独立的程序模块。对微型可重构数控机床, 其数控系统可分为5 个独立模块: 3 个数字轴程序模块, 主轴程序模块和刀架程序模块。而数控车床和数控铣床的各个数字轴的行程都是110 mm, 简化了重构后数控程序模块切换的过程和实现。

可重构系统根据数控车床和数控铣床数控系统的异同点, 实现二者数控系统的转换[7]。微型数控铣床共有3 个数字轴和1 个主轴, 每个轴则对应单独封装的数控程序模块。按照右手笛卡尔坐标法则, 铣床的3 个进给轴分别为x、y和z轴。而数控铣床的主轴和x、y 2 个进给轴在重构过程中是可重构模块, 分别作为数控车床的主轴和z、x 2 个进给轴。这样相应的数控程序模块就实现了重构。

铣床重构成车床的时候, 屏蔽掉铣床z轴程序模块。铣床的x轴, y轴数控模块则分别对应为车床的z轴, x轴模块。铣床和车床的主轴程序模块则无需改变。同理, 在车床重构成铣床的过程中, 只需要车床的x轴和z轴程序模块分别作为铣床的y轴和x轴程序模块, 同时增加1 个z轴数控模块。而车床的主轴数控模块在重构时仍然作为铣床主轴数控模块。

数控系统的模块化设计实现了数控系统的可重构性, 充分利用了资源, 降低了重构成本, 也使机床重构极大简化, 缩短了重构时间。

5 机床可重构实现

机床可重构功能部件含床身工作台模块、主轴箱模块等。数控系统中可重构模块有2 个数字轴程序模块和主轴箱程序模块。

数控车床由床身工作台模块、主轴箱模块、卡盘、数控刀架和尾座顶针模块等装配而成。装配时, 在床身工作台左端固定主轴箱模块, 卡盘装配在主轴箱模块上, 在工作台模块上安装数控刀架, 在床身右端装上尾座顶针模块。同时, 配置z轴、x轴和刀架的数控模块。完成装配的数控车床如图9 所示。

重构成数控铣床时, 拆卸尾座顶针模块、主轴箱模块、刀架和卡盘。在安装过主轴箱的位置添加立柱配重模块, 将装上了铣刀夹持装置的主轴箱模块安装在立柱上的主轴箱固定板。同时, 重构的2 个进给轴和主轴箱数控程序模块不变, 实现程序的重构, 另外新增一个铣床z轴数控程序模块。重构成数控铣床的实物如图10 所示。

尾座顶针模块直接可以从床身导轨上滑出, 装卸方便。高度的模块化, 使重构过程中只需要拆卸、固定主轴箱模块和立柱配重模块, 无需拆卸和分解其他部分, 保证了模块在重构过程中的精度。同时, 极大缩短了重构时间。

6 结语

基于模块数量尽可能少、装配方便快捷和减少重构误差的原则, 将可重构模块进行合理粒度划分, 划为床身工作台模块、立柱配重模块、主轴箱模块、尾座顶针模块等, 进行相应部组件设计, 不同种加工类型大跨度实现了数控车床、数控铣床等机床形态快速可重构。目前已产品化, 重构装配简单, 对装配人员技术水平要求较低, 装配精度较高, 耗时短 ( 一般为30 min) 。机床精度可达0.01 mm, 可加工材料含: 碳素结构钢; 铝合金、铜等有色金属材料;塑料、有机玻璃、木材等非金属材料。

参考文献

[1]顾琪, 刘德仿, 倪红军, 等.组合机床cad技术的研究现状及进展[J].机械设计与制造, 2010 (07) :260-261.

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[4]李晔, 王宇晗, 胡俊.小型可重组数控机床的设计[J].制造技术与机床, 2002 (05) :25-28.

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[6]魏胜.FANUC 0i系统进给伺服电机的选择[J].机械工程师, 2009 (12) :125-127.

可重构数控铣床的设计与实现 第7篇

并联机床 (又称虚轴机床) 是基于并联机构原理和现代机器人技术及机床技术产生的一种新型数控机床。目前并联机床的精度已达微米级, 速度达90 m/min[1]。

文献[2]提出一种3-HSS并联结构机床模型, 并通过运动学分析, 得出了该型机床的插补原理和误差模型, 证明了在中低速加工速度下原理性误差可忽略不计。文献[3]研究了用嵌入式芯片做开放式运动控制器的算法、通信问题。文献[4]研究了上位机软件的开放性问题。文献[5]根据人机工程学原理研究了设计人机交互界面的基本方法。

并联加工模块和其他工作台组合是并联机床走向实用化的捷径。基于此, 文中提出一种可重构的数控铣床模型, 并研究了该模型的可重构性和开放性控制系统的问题。

1 PKM模块的结构形式

图1 (a) 是铣床的PKM模块结构图, 模块由动平台、滑台、支架和三条相同的支链构成。为实现可重构的功能, 将动平台伸出到机体之外。电机驱动滑鞍沿导轨上下运动, 通过连杆带着动平台在笛卡尔坐标系中运动, 使安装在动平台上的刀具按预定轨迹铣削。

2 PKM运动学和控制算法分析

2.1 坐标系的建立

图1 (b) 是PKM模块的运动简图, 图中Ai (i=1, 2, 3, 下同) 表示滑鞍运动的零点, Bi表示与动平台相连的三个球铰的球心。在Ai三点相连所构成的三角形中, 取三角形的中心为坐标原点O, Ox轴与A1A2平行指向机体外侧, 根据右手坐标系定则, 建立机体坐标系O-xyz。为描述刀具运动轨迹, 同理取B1、B2、B3三点相连构成的三角形建立运动坐标系O′-x′y′z′, Lwi是连接动平台和静平台的三条支链。

2.2 位置逆解模型

在坐标系O-xyz下, 构造位置闭环约束方程:

式中, , 为垂直方向上的单位向量;qi为滑鞍与Ai的距离;wi为连杆上的单位向量;L为连杆长度。

对方程 (1) 两边取模方得到:

根据装配模式解出滑鞍与底部Ai的距离为:

2.3 空间直线和空间圆弧的粗插补算法

2.3.1 空间直线的粗插补算法

设坐标系O-xyz中有一段空间直线p1p2, p1= (x1, y1, z1) , p2= (x2, y2, z2) 。设进给步长Δsn=F×ΔT, F为进给速度, ΔT为进给周期 (下同) 。令ΔS= (n-1) Δsn, 则直线p1p2上的第n个插补点在机体坐标系O-xyz中的坐标为:

式中, l、m、k是线段p1p2在机体坐标系O-xyz三个轴上的方向余弦。

2.3.2 空间圆弧的粗插补算法

设坐标系O-xyz中有一段空间圆弧, 圆心坐标S= (x0, y0, z0) , 起点、终点坐标分别为p1= (x1, y1, z1) , p2= (x2, y2, z2) , 半径为R。设插补角增量为Δθ, 圆弧上第i个插补点为:

2.4滑鞍位置逆解

方程 (4) 、 (5) 插补出的每一个点, 需通过逆解模型得到滑鞍在每一个插补点的坐标。参照方程 (3) 设△A1A2A3和△B1B2B3外接圆半径分别为ra、rb, Ψ=-re, ζi= (ai+bi+r) 2, 可导出滑鞍坐标参数:

3 硬件平台和人机交互界面设计

3.1 机械和电气硬件设计

设计一台底面直径300 mm、高300 mm、柱形加工空间的样机。PKM选用线性滑台组成机械主体, 中间用加强板连接, 通用球铰最大许用转角为15°。根据加工空间体积和球铰许用转角算出连杆长度为648 mm, 滑台有效行程为413 mm。电机选用带编码器的YZ-57STM109步进电机, 驱动器选用有加减速控制功能的YZ-SSMD60, 采用编码器跟随模式可以精准控制滑鞍的速度和行程。

3.2 软件设计

3.2.1 人机交互界面

上位机采用VS/C++开发用户熟悉的Windows窗体应用程序, 程序能完成人机交互、数据运算、存储和命令发送功能。用户只需输入加工轨迹参数和刀具补偿参数, 然后由内部程序完成插补运算、轨迹仿真任务。如果仿真出来的轨迹和设计轨迹一样, 则向伺服机构发送指令;反之, 返回检查。监控系统可提供实时运行状态信息。

3.2.2 伺服下位机设计

下位机运动控制器采用ARM嵌入式芯片开发, 控制器能够接收上位机的轨迹参数和控制命令, 生成控制电机运动的指令脉冲和方向标志。

设滑鞍第n个坐标点为qi ( n) , 第n+1个坐标点为qi ( n+1) , 则滑鞍运动的距离Δn=qi ( n+1) -qi ( n) 。控制指令的脉冲数目N= (4×λ×|Δn|) / (ε×d) , 其中λ表示编码器线数, ε表示驱动器电子齿数比, d表示滑台的导程。若Δn为负值, 则指令方向向下, 滑鞍向下运动;若Δn为正值, 则指令方向向上, 滑鞍向上运动。

经过试验测试, 样机在中低速下运行平稳, 实现了在不同倾斜面的铣削加工功能, 证实了该理论研究和设计方法的科学性。

4 结语

本文研究了利用三轴并联构型机构结构紧凑、灵活度高和易于实现模块重组的特点设计和制作可重构数控铣床的问题。在低成本的前提下, 选用通用器材和用户熟悉的软件研制了可重构的数控铣床样机, 极大地扩展了铣床的使用范围, 能够满足普通客户个性化的加工需求, 具有较高的市场价值。

参考文献

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[4]杜少华.开放式数控系统可重构技术研究[D].沈阳:中国科学院研究生院 (沈阳计算技术研究所) , 2012.