航天嵌入式圖像處理技術(shù)

本文首先簡(jiǎn)要介紹了充滿奇想的航天時(shí)代，在此基礎(chǔ)上，從統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)模型，虛擬的并行計(jì)算陣列與仿生的物理實(shí)現(xiàn)技術(shù)三個(gè)方面，討論了天基嵌入式MPP圖像處理技術(shù)的功能，結(jié)構(gòu)與物理實(shí)現(xiàn)問題。

充滿奇想的航天時(shí)代

　　1961 年4月12日，蘇聯(lián)宇航員加加林乘“東方”1號(hào)載人飛船，開創(chuàng)了充滿奇想的航天時(shí)代，至今已有499名宇航員圓了飛天之夢(mèng)，12名宇航員圓了登月之夢(mèng)。 21世紀(jì)，美國(guó)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(cè)。不僅如此，人們還瞄準(zhǔn)了太空游，充滿好奇心的美國(guó)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(guó)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(jiǎng)評(píng)委會(huì)主任Sune Svanberg 所說的，“一個(gè)好的科研成果有時(shí)候就來自一個(gè)靈機(jī)一現(xiàn)的想法，而不是像培養(yǎng)運(yùn)動(dòng)員那樣機(jī)械式的訓(xùn)練。諾貝爾獎(jiǎng)鼓勵(lì)好奇心驅(qū)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(chǎn)生了靈機(jī)一現(xiàn)的研制太空天梯的奇想，估計(jì)要50年后才會(huì)成功。

　　航天時(shí)代不僅促進(jìn)了運(yùn)載火箭技術(shù)，應(yīng)用衛(wèi)星技術(shù)與深空探測(cè)技術(shù)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(jìn)了天基嵌入式圖像處理技術(shù)等航天微電子應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展。

　　嵌入式圖像處理技術(shù)

　　天基嵌入式圖像處理技術(shù)的特點(diǎn)有：一是嵌入性，也就是體積、重量與功耗的要求很高；二是復(fù)雜性，要處理G級(jí)的像素幀；三是可靠性，要求適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，壽命長(zhǎng)；四是實(shí)時(shí)性，一般要求秒級(jí)的計(jì)算時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)這些特點(diǎn)，需要從航天嵌入式計(jì)算機(jī)的功能、結(jié)構(gòu)與物理實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面進(jìn)行研究。

（1）統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)模型

　　為了同時(shí)滿足能提高芯片集成度與縮短設(shè)計(jì)周期的要求，以IP核為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)平臺(tái)技術(shù)以及從功能到體系結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)方法得到了發(fā)展。由于非控制流的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)都采用控制流的體系結(jié)構(gòu)，按照我們提出的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的分類模型，控制流的體系結(jié)構(gòu)可分為三類：一是基于指令流的體系結(jié)構(gòu)，也就是以微處理器為代表的體系結(jié)構(gòu)，按照 Flynn采用指令流與數(shù)據(jù)流兩個(gè)邏輯概念的分類共有SISD、SIMD、MISD、MIMD四種體系結(jié)構(gòu)；二是基于數(shù)據(jù)流的體系結(jié)構(gòu)，也就是以ASIC （例如Systolic array）電路為代表的體系結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗挥袛?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(gè)缺點(diǎn)，又出現(xiàn)了靜態(tài)可編程FPGA電路；三是基于構(gòu)令流（Configuration Stream）的體系結(jié)構(gòu)，通常叫做可重構(gòu)的（Reconfigurable）體系結(jié)構(gòu)，也就是動(dòng)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(jié)構(gòu)可以組合起來使用，其選擇方案可以有1023種。就具體實(shí)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(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)，是通過功能到體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型，從三個(gè)方面對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)從指令集合上統(tǒng)一起來；二是提出了一種將高級(jí)語言與匯編語言折中的中間映射語言，能將高級(jí)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(gòu)件與硬構(gòu)件的設(shè)計(jì)統(tǒng)一起來。

圖1? Unified _ISA模型的邏輯概念圖

　　具體對(duì)指令流體系結(jié)構(gòu)來說，其SISD、SIMD、MISD、MIMD四類體系結(jié)構(gòu)的指令子集合是統(tǒng)一成SISD體系結(jié)構(gòu)的指令集合，對(duì)于數(shù)據(jù)流與構(gòu)令流的體系結(jié)構(gòu)是通過增加相應(yīng)的指令，統(tǒng)一成SISD體系結(jié)構(gòu)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(gòu)件描述的。這些軟構(gòu)件是可以在SIMD或MIMD體系結(jié)構(gòu)上直接執(zhí)行的，或者是可以自動(dòng)映射成ASIC或RC Device電路的。

　　(2)虛擬的并行計(jì)算陣列

　　由于G級(jí)像素幀遙感圖像處理的需要，MPP并行計(jì)算陣列得到了發(fā)展，因?yàn)閳D像幀總是二維的，相應(yīng)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(jīng)很高，但現(xiàn)在還不能在一塊芯片上研制G級(jí)像素幀的G個(gè)處理元的陣列，現(xiàn)在還只有采用WSI技術(shù)完成的百萬個(gè)處理元的陣列。因此，還只能采用虛擬處理元陣列技術(shù)，解決MPP程序設(shè)計(jì)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(jì)算陣列設(shè)計(jì)的，也就是MPP程序設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)際的處理元陣列的大小m×n是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M×N的，MPP程序是通過自動(dòng)映射到實(shí)際的處理元陣列上執(zhí)行的。針對(duì)圖像處理算法的特點(diǎn)，圖像處理的MPP計(jì)算陣列通常是按SIMD體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。相應(yīng)的設(shè)計(jì)問題有：處理元PE的位置表示與位置選擇問題，采用PIM設(shè)計(jì)解決圖像處理器與圖像存儲(chǔ)器之間的帶寬問題，以及并行重采樣問題。

圖2?? M×N的虛擬處理元陣列

?????? (3)仿生的物理實(shí)現(xiàn)技術(shù)

　　對(duì)宇宙和大腦奧秘的渴望，激發(fā)了人類的太空之旅與人體之旅，使嵌入式計(jì)算技術(shù)從傳統(tǒng)計(jì)算模式，發(fā)展到自主計(jì)算模式，走向了自然計(jì)算模式。傳統(tǒng)計(jì)算的芯片實(shí)現(xiàn)技術(shù)現(xiàn)在已從單功能芯片發(fā)展到多功能的SoC芯片的新階段，軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)已從結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，到面向Object的程序設(shè)計(jì)，到基于 Component的程序設(shè)計(jì)以及到基于Agent的程序設(shè)計(jì)。

　　1956 年8月，約翰.
麥卡錫首次提出了人工智能（AI，Artificial Intelligence）的概念，當(dāng)時(shí)他說：“機(jī)器會(huì)思想的時(shí)代不要20年就會(huì)到來”，但現(xiàn)在人工智能還處于初級(jí)階段，只在“認(rèn)知科學(xué)”和專家系統(tǒng)方面取得了成功，這說明了人工智能的艱難。人們估計(jì)從200X年到201X年將會(huì)步入 30nm的納電子時(shí)代，機(jī)器人的自主移動(dòng)操作、重力行走與氣流發(fā)音，以及魚眼鏡頭的拍攝等自主計(jì)算的仿生實(shí)現(xiàn)技術(shù)將會(huì)更加完善。自主計(jì)算的仿生實(shí)現(xiàn)技術(shù)目前主要是從利用模糊邏輯的推理能力、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力與基因計(jì)算的優(yōu)化能力等方面展開研究工作的，而真正的挑戰(zhàn)在于改變與重新定義計(jì)算硬件的性質(zhì)。

　　在許多方面，人體是一種最有效的計(jì)算機(jī)，人體中的神經(jīng)系統(tǒng)是由于納（Na Sodium）離子與鉀（K，Potassium）離子的運(yùn)動(dòng)，在大腦與遍布人體的神經(jīng)中心之間傳遞信號(hào)，并由大腦解釋與處理，從而支配人體活動(dòng)的。人們估計(jì)從201X年到20XX年將會(huì)步入10nm的納電子時(shí)代，促進(jìn)量子計(jì)算的自組裝技術(shù)，化學(xué)計(jì)算的DNA技術(shù)以及容錯(cuò)計(jì)算的神經(jīng)元技術(shù)等自然計(jì)算的仿生實(shí)現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展。特別是分子自組裝技術(shù)，已經(jīng)取得了實(shí)驗(yàn)室芯片 (ALM)等實(shí)用化的成果。

　　結(jié)束語

　　綜上所述，我們從功能上提出了一種統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)模型，從結(jié)構(gòu)上將設(shè)計(jì)一種能夠有效支持虛擬并行計(jì)算程序設(shè)計(jì)的處理元陣列，從物理實(shí)現(xiàn)上將研究一種能支持自組裝技術(shù)的設(shè)計(jì)平臺(tái)。總之，SoC芯片、納米制造與自主裝技術(shù)等，將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)航天時(shí)代的嵌入式圖像處理技術(shù)的發(fā)展。