高采样频率位移测量系统硬件架构设计
发布时间：2021-11-10 23:50
在高端光刻机中,光栅尺掩模台位移测量系统拥有较复杂的运算模型,而且要求测量系统硬件架构能满足20 kHz高采样频率的需求。通过对国内运动台位移测量系统硬件架构进行对比研究,提出一种兼容以往软件架构的基于多核DSP运算板卡的光栅尺掩模台位移测量系统硬件架构,使用多核DSP内核间共享内存通信的机制,取代运算板卡间数据总线通信的机制,同时由板内PCIe总线互联片上多核DSP与FPGA。搭建硬件在环仿真平台进行实验,实验结果表明,系统获取原始数据、进行模型运算以及发送位置数据的总体性能提升百分比约为136%,保证模型运算精度的同时,满足20 kHz采样频率的要求。
【文章来源】：现代电子技术. 2020,43(22)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
掩模台位移测量系统硬件架构图
由于位移模型复杂，在指定采样周期内通常需要多块运算板卡来协同完成运算，所以板卡间存在一定的数据交互。如图2所示，数据交互的过程由3个环节构成，以图中MCB1向MCB2传输数据为例，首先通过MCB1内部总线将数据由CPU传输至FPGA，然后通过背板总线将数据传输至MCB2，最后通过MCB2内部总线将数据传输至CPU，完成数据的交互。其中，内部总线为CPU和FPGA之间的数据传输总线。背板总线为VME总线，技术十分成熟，以其为基础进行二次开发覆盖了工业控制、军用系统、航空航天、交通运输和医疗等领域[6]，在运动台位移测量系统中也得到了广泛应用。基于VME总线技术，华中科技大学团队设计一种双硅片台超精密运动控制系统硬件平台，能够实现65 nm光刻机双硅片运动台位移的测量和运动的控制[7]，并在双硅片台样机中成功试用。哈尔滨工业大学团队设计一种基于宏微驱动的光刻机掩模台控制系统，能够实现5 k Hz采样频率下X,Y,RX,RZ四自由度的百纳米误差控制[8]。SMEE团队设计一种运动台位移测量系统，采样频率达到5 k Hz，并在其90 nm光刻机中成功应用。桂林电子科技大学团队也设计基于二维光栅的运动台高精度位移测量系统硬件在环仿真实验，在20 k Hz采样频率下，测量精度[9]优于0.79 nm。
本文提出的基于多核运算板卡的光栅尺掩模台位移测量系统硬件架构如图3所示，在兼容以往背板总线架构和软件架构的基础上，由1块多核运算板卡替代图1中的多块单核运算板卡，将单核运算板卡间的数据交互变为多核DSP中内核间的数据交互。TMS320C6678核间数据交互的方式主要有3种：共享内存（MSMC）、QMSS/CPPI和EDMA数据搬移。4 MB大容量的MSMC可以供所有内核访问，且自带仲载机制，读写简便，方便定义传输协议。QMSS/CPPI能够满足多样化的数据交互需求，但是需要遵循固有的通信机制，实现复杂，且数据传输的时间开销不可控。EDMA数据搬移适合大批量数据交互，小批量数据交互的时间开销并不理想。模型运算时，核间数据交互量不大，为了减少时间开销，选择MSMC实现核间数据交互最为合适。如图4所示，基于共享内存的核间数据交互流程较为简洁，没有通过FPGA和背板总线传输数据的环节，由多内核直接读写片内共享内存数据来实现，将芯片外部总线传输变为芯片内部总线传输，降低时间开销。为了避免通过MSMC进行数据交互时导致数据一致性问题，本文设计如图5所示的共享内存数据一致性读写机制，通过写共享内存后的回写（Write Back）操作和读共享内存前的无效（Read Invalid）操作保证交互数据的一致性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]机载测距机测试平台设计与开发[J]. 刘贵行,魏国,赵世伟. 现代电子技术. 2019(11)
[2]高精度位移测量系统的硬件在环仿真[J]. 张文涛,杜浩,熊显名,谢仁飚,王献英. 中国激光. 2019(02)
[3]基于宏微驱动的光刻机掩模台控制系统设计[J]. 饶裕,刘杨,齐彪,李杨,王岩. 自动化技术与应用. 2017(10)
[4]基于VME总线的光刻机多板卡通信接口设计[J]. 张常江,宋法质,宋跃,韩记晓,陈兴林. 自动化技术与应用. 2016(05)
[5]基于TMS320C6678的细胞图像识别系统并行实现方法[J]. 谢俊,梁光明,王职军,徐克强. 现代电子技术. 2014(02)
博士论文
[1]双硅片台超精密运动控制系统的硬件平台研究[D]. 胡永兵.华中科技大学 2014
硕士论文
[1]基于VME总线的多处理器运动控制卡[D]. 王耀.华中科技大学 2012
本文编号：3488186
【文章来源】：现代电子技术. 2020,43(22)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
掩模台位移测量系统硬件架构图
由于位移模型复杂，在指定采样周期内通常需要多块运算板卡来协同完成运算，所以板卡间存在一定的数据交互。如图2所示，数据交互的过程由3个环节构成，以图中MCB1向MCB2传输数据为例，首先通过MCB1内部总线将数据由CPU传输至FPGA，然后通过背板总线将数据传输至MCB2，最后通过MCB2内部总线将数据传输至CPU，完成数据的交互。其中，内部总线为CPU和FPGA之间的数据传输总线。背板总线为VME总线，技术十分成熟，以其为基础进行二次开发覆盖了工业控制、军用系统、航空航天、交通运输和医疗等领域[6]，在运动台位移测量系统中也得到了广泛应用。基于VME总线技术，华中科技大学团队设计一种双硅片台超精密运动控制系统硬件平台，能够实现65 nm光刻机双硅片运动台位移的测量和运动的控制[7]，并在双硅片台样机中成功试用。哈尔滨工业大学团队设计一种基于宏微驱动的光刻机掩模台控制系统，能够实现5 k Hz采样频率下X,Y,RX,RZ四自由度的百纳米误差控制[8]。SMEE团队设计一种运动台位移测量系统，采样频率达到5 k Hz，并在其90 nm光刻机中成功应用。桂林电子科技大学团队也设计基于二维光栅的运动台高精度位移测量系统硬件在环仿真实验，在20 k Hz采样频率下，测量精度[9]优于0.79 nm。
本文提出的基于多核运算板卡的光栅尺掩模台位移测量系统硬件架构如图3所示，在兼容以往背板总线架构和软件架构的基础上，由1块多核运算板卡替代图1中的多块单核运算板卡，将单核运算板卡间的数据交互变为多核DSP中内核间的数据交互。TMS320C6678核间数据交互的方式主要有3种：共享内存（MSMC）、QMSS/CPPI和EDMA数据搬移。4 MB大容量的MSMC可以供所有内核访问，且自带仲载机制，读写简便，方便定义传输协议。QMSS/CPPI能够满足多样化的数据交互需求，但是需要遵循固有的通信机制，实现复杂，且数据传输的时间开销不可控。EDMA数据搬移适合大批量数据交互，小批量数据交互的时间开销并不理想。模型运算时，核间数据交互量不大，为了减少时间开销，选择MSMC实现核间数据交互最为合适。如图4所示，基于共享内存的核间数据交互流程较为简洁，没有通过FPGA和背板总线传输数据的环节，由多内核直接读写片内共享内存数据来实现，将芯片外部总线传输变为芯片内部总线传输，降低时间开销。为了避免通过MSMC进行数据交互时导致数据一致性问题，本文设计如图5所示的共享内存数据一致性读写机制，通过写共享内存后的回写（Write Back）操作和读共享内存前的无效（Read Invalid）操作保证交互数据的一致性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]机载测距机测试平台设计与开发[J]. 刘贵行,魏国,赵世伟. 现代电子技术. 2019(11)
[2]高精度位移测量系统的硬件在环仿真[J]. 张文涛,杜浩,熊显名,谢仁飚,王献英. 中国激光. 2019(02)
[3]基于宏微驱动的光刻机掩模台控制系统设计[J]. 饶裕,刘杨,齐彪,李杨,王岩. 自动化技术与应用. 2017(10)
[4]基于VME总线的光刻机多板卡通信接口设计[J]. 张常江,宋法质,宋跃,韩记晓,陈兴林. 自动化技术与应用. 2016(05)
[5]基于TMS320C6678的细胞图像识别系统并行实现方法[J]. 谢俊,梁光明,王职军,徐克强. 现代电子技术. 2014(02)
博士论文
[1]双硅片台超精密运动控制系统的硬件平台研究[D]. 胡永兵.华中科技大学 2014
硕士论文
[1]基于VME总线的多处理器运动控制卡[D]. 王耀.华中科技大学 2012
本文编号：3488186
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3488186.html
