隨著人類航天活動的不斷開展，空間碎片的空間密度已經(jīng)對航天器安全造成了威脅，特別是近地軌道，碎片密度更大，且其數(shù)量仍在迅速增加，航天器遭受空間碎片撞擊事件時有發(fā)生。空間在軌目標(biāo)數(shù)量不斷增加，對空間目標(biāo)進(jìn)行碰撞預(yù)警所需要的計算量也在迅速增加，鑒于并行計算速度很快，因此適合應(yīng)用并行計算對危險目標(biāo)進(jìn)行篩選，進(jìn)而進(jìn)行預(yù)警操作。利用FPGA中的CAM（內(nèi)容可尋址存儲器）和MicroBlaze軟核控制器可以實現(xiàn)危險目標(biāo)的快速并行篩選。

1 CAM

1．1 CAM概述

CAM是一種特殊的存儲器，它是將數(shù)據(jù)項存儲在一個陣列中。每個數(shù)據(jù)項的位數(shù)叫作字寬，CAM中所有數(shù)據(jù)項的條數(shù)叫作CAM的深度。字寬和深度可以表征CAM的容量。

CAM基于內(nèi)容尋址，通過硬件電路實現(xiàn)快速匹配。CAM的并行處理特性使得它在數(shù)據(jù)分選領(lǐng)域倍受青睞，被廣泛應(yīng)用于以太網(wǎng)網(wǎng)址搜尋、數(shù)據(jù)壓縮、模式識別、高速緩存、高速數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)加密等。

1．2 CAM工作原理

CAM最基本的兩個端口是數(shù)據(jù)線和地址線，數(shù)據(jù)線作為輸入端口，存放需要由CAM來處理的數(shù)據(jù)，而地址線作為輸出端口，輸出CAM的處理結(jié)果——匹配數(shù)據(jù)所在地址。圖1所示為深度為4、字寬為4的CAM，如果將二進(jìn)制數(shù)1100放在數(shù)據(jù)線上，輸出的匹配結(jié)果將會是0011，如圖1所示，結(jié)果中的每一位二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)CAM內(nèi)部每一條數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)與CAM內(nèi)部數(shù)據(jù)相等則對應(yīng)位輸出為1，不相等則輸出為0。由于CAM具有并行匹配特性，所以很適合對空間多個目標(biāo)進(jìn)行同時并行匹配處理。

2 MicroBlaze軟核控制器

MicroBlaze是基于Xilinx公司FPGA的微處理器IP核，它和其他外設(shè)IP核一起可以完成可編程系統(tǒng)芯片（SOPC）的設(shè)計。MicroBlaze處理器采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，內(nèi)部有32個32位寬度的通用寄存器；其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

使用Xilinx公司提供的EDK（嵌入式系統(tǒng)開發(fā)套件），可以在參數(shù)化的圖形界面下方便地完成嵌入式處理器系統(tǒng)的設(shè)計。其突出的優(yōu)點：一是設(shè)計靈活性；二是可以整合用戶自定義IP核，使得算法可以在硬件中并行的執(zhí)行而不是在軟件中串行的執(zhí)行，從而極大地加速軟件的執(zhí)行速度。

3 算法設(shè)計

3．1 算法分析

對空間目標(biāo)進(jìn)行碰撞預(yù)警，實際上可以轉(zhuǎn)化為通過對目標(biāo)之間的距離進(jìn)行判斷比較，找出有碰撞危險的目標(biāo)。由于空間目標(biāo)的位置可以用三維空間坐標(biāo)表示，因此對任意兩個目標(biāo)之間距離的判斷又可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為他們之間坐標(biāo)的比較。

3．2 算法描述

假設(shè)只有3個目標(biāo)需要進(jìn)行坐標(biāo)匹配處理，它們的坐標(biāo)分別為A（xA、yA、zA），B（xB、yB、zB），C（xC、yC、zC），需要一個深度為3的CAM，首先處理z坐標(biāo)，將3個目標(biāo)的x坐標(biāo)存入CAM，如圖3所示。

然后分別將xA、xB、zC放在數(shù)據(jù)線上進(jìn)行匹配操作，經(jīng)過3次匹配操作得到3個匹配結(jié)果RxA，RxB，RxC，對于y和z坐標(biāo)進(jìn)行相同操作，分別得到y(tǒng)和z的匹配結(jié)果為RyA，RyB，RyC和RzA，RzB，RzC，所得到的結(jié)果均為3位的二進(jìn)制數(shù)，然后對每個目標(biāo)進(jìn)行內(nèi)部坐標(biāo)對比，例如將目標(biāo)A的3個匹配結(jié)果RxA，RyA，RzA進(jìn)行對比，就可知道是否存在與目標(biāo)A的3個坐標(biāo)均相同的項，例如RxA，RyA，RzA分別為101，101，101則說明目標(biāo)A與目標(biāo)C的坐標(biāo)是匹配的，進(jìn)而可以判斷目標(biāo)A與目標(biāo)C有碰撞的可能。

與常規(guī)存儲器和軟件匹配方式有所不同，CAM對于數(shù)據(jù)的匹配操作是并行執(zhí)行的，這樣就可以大大提高數(shù)據(jù)匹配速度，進(jìn)而提升系統(tǒng)效率。

4 硬件平臺搭建及運行

4．1 CAM模塊實現(xiàn)

利用賽靈思公司提供的IP核資源，通過配置CAM IP核參數(shù)化圖形界面，如圖4所示，在FPGA內(nèi)部例化了一個深度為16，字寬為32的CAM模塊，其基本參數(shù)如表1所示。

如表1所示，選擇存儲器類型為Block Memory這樣就可例化一個以FPGA片內(nèi)BRAM為基礎(chǔ)的CAM模塊，與基于SRL16（16 bit移位寄存器查找表）的CAM相比，其寫周期只需2個時鐘周期，寫操作所需時間為后者的1／8，提升了系統(tǒng)速度。

輸出地址編碼方式有3種可供選擇的方式：非編碼多位匹配（Multi Match Unencoded）、非編碼單一匹配（Single Match Unencoded）和二進(jìn)制編碼（Binary Encoded）。第一種編碼方式可以從地址線上輸出所有可能的匹配項，而后兩種編碼方式則只能在地址線上輸出一個匹配項。

經(jīng)過實際驗證，由ISE綜合工具XST進(jìn)行綜合后得出的綜合報告顯示，在型號為XC3S700AN的FPGA芯片中實現(xiàn)一個深度為16，字寬為32的CAM占用的資源情況如表2所示。

由表2可知，實現(xiàn)一個深度為16，字寬為32的CAM所占用的資源中，塊RAM所占比重較大，這是由于在FPGA內(nèi)部所實現(xiàn)的CAM模塊正是基于FPGA的塊RAM資源的，所以對塊RAM資源消耗比較多，因此在實際應(yīng)用中選用FPGA芯片時應(yīng)選擇塊RAM資源豐富的芯片。

4．2 MicroBlaze軟核控制器與CAM的連接

在FPGA芯片中配置一個MicroBlaze軟核控制器以實現(xiàn)對CAM的一系列控制，如復(fù)位、寫入數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)等，MicroBlaze通過PLB總線與CAM相連，同時為便于調(diào)試，在PLB總線上連接了串口等外設(shè)模塊，系統(tǒng)模塊圖如圖5所示。

4．3 系統(tǒng)執(zhí)行

系統(tǒng)執(zhí)行過程中，Microblaze作為控制器通過執(zhí)行由C語言編寫的軟件程序?qū)崿F(xiàn)對CAM的控制，它的具體操作流程如圖6所示。

在系統(tǒng)內(nèi)部，整個工程的實現(xiàn)和下載共分成4步：首先產(chǎn)生系統(tǒng)的硬件網(wǎng)表，即對嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行綜合；其次產(chǎn)生系統(tǒng)硬件架構(gòu)的比特流文件；再次編譯軟件，并將軟件代碼生成的比特流和系統(tǒng)硬件的比特流合二為一，構(gòu)成完整的系統(tǒng)描述比特流；最后將完整的比特流下載到FPGA芯片中。

4．4 驗證結(jié)果分析

經(jīng)過對處理結(jié)果分析可知，此系統(tǒng)驗證了設(shè)計算法的正確性。所搭建系統(tǒng)時鐘頻率為62．5 MHz，時鐘周期為16 ns，通過在代碼內(nèi)部添加時鐘計數(shù)器，并且使用ChipScope邏輯分析儀進(jìn)行波形分析，可知系統(tǒng)執(zhí)行一次篩選操作所需要的時鐘周期數(shù)為114 296 649個，即1．8 s左右。

4．5 系統(tǒng)擴(kuò)展能力分析

在后續(xù)研究中通過對CAM容量的擴(kuò)展，可以增加待篩選目標(biāo)的數(shù)量。CAM容量的擴(kuò)展，需要占用更多的FPGA芯片資源，同時其運行頻率會有所降低，以某Spartan3A芯片為例，三者之間的關(guān)系如表3、表4、表5所示。

考慮到成本問題，本設(shè)計所使用的芯片為賽靈思公司的型號為XC3S700AN，由表3～表5可知，在擴(kuò)展CAM容量時，需要綜合考慮所需CAM容量、所選FPGA芯片資源情況以及運行頻率三者之間的關(guān)系。

5 結(jié)論

采用賽靈思公司MicroBlaze軟核控制器和內(nèi)容可尋址存儲器（CAM）所搭建的目標(biāo)碰撞預(yù)警平臺實現(xiàn)了總目標(biāo)數(shù)為16的目標(biāo)群中危險目標(biāo)的篩選操作。軟核控制器與CAM模塊同在一片F(xiàn)PGA芯片中實現(xiàn)，管理和操作起來比較方便，便于系統(tǒng)實現(xiàn)小型化、集成化。受到FPGA自身容量的限制，在擴(kuò)展CAM容量時可以考慮選用更大容量的FPGA芯片，或者應(yīng)用外接大容量專有CAM芯片，實現(xiàn)大規(guī)模目標(biāo)的并行匹配操作。