航天時代的嵌入式圖像處理技術

 

摘要：本文首先簡要介紹了充滿奇想的航天時代，在此基礎上，從統(tǒng)一的體系結構模型，虛擬的并行計算陣列與仿生的物理實現(xiàn)技術三個方面，討論了天基嵌入式MPP圖像處理技術的功能，結構與物理實現(xiàn)問題。
關鍵詞：嵌入式；圖像處理；人工智能；航天時代

充滿奇想的航天時代

1961年4月12日，蘇聯(lián)宇航員加加林乘“東方”1號載人飛船，開創(chuàng)了充滿奇想的航天時代，至今已有499名宇航員圓了飛天之夢，12名宇航員圓了登月之夢。21世紀，美國采用載人飛船不僅要在月球上建立基地，而且要完成載人火星探測。不僅如此，人們還瞄準了太空游，充滿好奇心的美國人的蒂托（2001）、奧爾森（2005），南非的沙特爾沃斯（2002）和美籍伊朗人安薩里（2006）4名富翁，花了2000萬美元在國際空間站住了8天，環(huán)繞地球120周，完成了軌道式的太空游；第5名太空游的富翁將是軟件奇才美籍匈牙利人希莫尼。
正如瑞典的物理諾貝爾獎評委會主任Sune Svanberg所說的，“一個好的科研成果有時候就來自一個靈機一現(xiàn)的想法，而不是像培養(yǎng)運動員那樣機械式的訓練。諾貝爾獎鼓勵好奇心驅使下的自由自在的研究?！碧技{米管能承載比自身重5萬倍物體的特殊性能，使人們現(xiàn)在又產生了靈機一現(xiàn)的研制太空天梯的奇想，估計要50年后才會成功。
航天時代不僅促進了運載火箭技術，應用衛(wèi)星技術與深空探測技術的迅猛發(fā)展，而且也使地基因特網(wǎng)發(fā)展成了天基太空網(wǎng)，延伸到了1億2千萬公里的火星，促進了天基嵌入式圖像處理技術等航天微電子應用技術的迅猛發(fā)展。

嵌入式圖像處理技術

天基嵌入式圖像處理技術的特點有：一是嵌入性，也就是體積、重量與功耗的要求很高；二是復雜性，要處理G級的像素幀；三是可靠性，要求適應惡劣的工作環(huán)境，壽命長；四是實時性，一般要求秒級的計算時間。為了實現(xiàn)這些特點，需要從航天嵌入式計算機的功能、結構與物理實現(xiàn)三個方面進行研究。
（1）統(tǒng)一的體系結構模型
為了同時滿足能提高芯片集成度與縮短設計周期的要求，以IP核為基礎的設計平臺技術以及從功能到體系結構的協(xié)同設計方法得到了發(fā)展。由于非控制流的計算機體系結構復雜、效率低，現(xiàn)在的計算機體系結構都采用控制流的體系結構，按照我們提出的計算機體系結構的分類模型，控制流的體系結構可分為三類：一是基于指令流的體系結構，也就是以微處理器為代表的體系結構，按照Flynn采用指令流與數(shù)據(jù)流兩個邏輯概念的分類共有SISD、SIMD、MISD、MIMD四種體系結構；二是基于數(shù)據(jù)流的體系結構，也就是以ASIC（例如Systolic array）電路為代表的體系結構，因為它只有數(shù)據(jù)流的概念所以只有SD與MD兩類，由于ASIC 電路效率雖然高，但為了克服沒有處理器靈活這個缺點，又出現(xiàn)了靜態(tài)可編程FPGA電路；三是基于構令流（Configuration Stream）的體系結構，通常叫做可重構的（Reconfigurable）體系結構，也就是動態(tài)可編程電路，共有SCSD、SCMD、MCSD、MCMD四類。
    這些按邏輯概念分類的體系結構可以組合起來使用，其選擇方案可以有1023種。就具體實現(xiàn)而言方案更多，例如，不同廠家的處理器的指令集合都是不相同的。而功能與體系結構的協(xié)同設計，是通過功能到體系結構的映射完成的，為了確保這種映射的高效與統(tǒng)一，提出了一種統(tǒng)一的體系結構模型，從三個方面對體系結構進行了統(tǒng)一：一是提出了一種Unified _ISA模型，如圖1所示，能將上述三種體系結構從指令集合上統(tǒng)一起來；二是提出了一種將高級語言與匯編語言折中的中間映射語言，能將高級語言的兼容性和可讀性，與匯編語言的程序高效性和映射直接性統(tǒng)一起來；三是通過中間映射語言的編程，能將軟構件與硬構件的設計統(tǒng)一起來。

圖1  Unified _ISA模型的邏輯概念圖

具體對指令流體系結構來說，其SISD、SIMD、MISD、MIMD四類體系結構的指令子集合是統(tǒng)一成SISD體系結構的指令集合，對于數(shù)據(jù)流與構令流的體系結構是通過增加相應的指令，統(tǒng)一成SISD體系結構的指令集合的；換句話說，圖1中的SIMD、MIMD、ASIC與RC Device四種MPP Unit都是可以通過軟構件描述的。這些軟構件是可以在SIMD或MIMD體系結構上直接執(zhí)行的，或者是可以自動映射成ASIC或RC Device電路的。
(2)虛擬的并行計算陣列
    由于G級像素幀遙感圖像處理的需要，MPP并行計算陣列得到了發(fā)展，因為圖像幀總是二維的，相應的處理元陣列也是二維的，如圖2中所示。雖然芯片集成度已經很高，但現(xiàn)在還不能在一塊芯片上研制G級像素幀的G個處理元的陣列，現(xiàn)在還只有采用WSI技術完成的百萬個處理元的陣列。因此，還只能采用虛擬處理元陣列技術，解決MPP程序設計的方便性與程序本身的可讀性。換句話說，MPP圖像處理程序是按虛擬并行計算陣列設計的，也就是MPP程序設計時，總是假定圖2中網(wǎng)格陣列的M與N的值是與圖像幀的維數(shù)大小相等的，而實際的處理元陣列的大小m