快速硬件拟合技术研究及基于FPGA的实现

发布时间：2019-11-05 20:56

【摘要】：在当今时期,伴随着现代数字信号处理逐步向高速度,大容量数据以及高速实时计算的方向发展,对高速度与高性能并存的计算及其实现方式的研究成为了近代数学和信息处理技术的一项重要命题。面对一些复杂的计算问题,使用软件的计算方式在速度上越来越不能满足计算要求,因此,如何利用硬件来高速的,实时的完成计算任务显然更加具有意义。非线性函数的拟合计算问题是现代数字信号处理领域内的一个重要的研究方向。拟合算法能够处理一些超越函数在结构上的复杂性,将之转换成在硬件上容易实现的计算方式。随着超大规模集成电路的迅速发展,片上系统的技术愈加趋向成熟。而对于一些能够处理复杂运算,具有高速,高效,实时性的片上系统,将复杂的超越函数拟合计算方式集成到这类片上系统中,尤其是一些具有多核结构的系统,这样可以极大的丰富这类系统的整体计算能力,更高速、高效的实现一些复杂算法,是一项具有较高应用价值的研究方向。本文针对上述问题,进行了有关非线性函数拟合技术的研究,设计了一款能够计算多种非线性函数的拟合器,并将它与片上系统相结合,论文的主要工作如下:首先,对现有的硬件实现拟合技术手段进行了深入对比研究,分析对比各种方法的优势与局限性。并结合面向高密度计算的片上系统对于非线性函数计算精度较高的需求,挑选出最适合的拟合算法。其次,基于分段非线性逼近法的拟合原理,设计了一款能够处理多种非线性函数计算的拟合器。它能够处理多种函数的计算,包括在数字信号处理领域内使用频繁的三角函数的处理,在人工神经网络中应用十分广泛的S型函数的处理,以及反三角函数的处理。这些函数的计算结果能够达到一个很高的精度,适用于面向高密度计算的片上系统。最后,将此拟合器集成到目标SoC上的浮点运算簇中,并结合这些函数展开了一些应用,完成了一些算法在目标系统上的实现,并通过实验证明了这种处理非线性函数的拟合器在性能上的正确性,结合系统具有一定的应用价值。
【图文】：

流水线处理,步骤,功能单元

硬件加速的原理是通过提高并行性实现对运算加速的，一般采用硬件复制的流逡逑水线方法。数据处理在整个设计的处理过程中是单向的，前一级的输出送给下一级逡逑作为输入，处理步骤如图１．１所示，基于流水线的设计思想来提高系统的工作频率。逡逑由各单元完成流水线的各个步骤，，当数据沿流水线依次通过所有的功能单元后，就逡逑完成了所有的数据处理，并将数据输出到寄存器。其中，流水线上各功能单元可以逡逑并行执行，只要满足上、下功能单元的输出与输入对应，则整个流水线正常工作，逡逑所有单元并行工作，且无须等整个流水线处理结束才能开始下一批数据的处理，从逡逑而保证了数据占满所有功能单元，提升处理速率［１５＿１６１。逡逑２逡逑

原理图,逼近法,分段线性,原理图

邋１逡逑分段线性逼近法，是指在处理相对复杂的非线性函数时，利用直线来逼近曲线逡逑的方法，其原理如图２．１所示。设待计算的非线性函数的曲线为ｙ邋＝邋ｆ00，且逡逑ｘｅ［Ｍ，Ｎ］。分段线性逼近法是按照一定的方法，将待计算函数所在的区间㈧，Ｎ；｜逡逑分割成一定数量的子区间［Ｍ，，Ｎｉ］，其中，ｉ表示分割成的小区间数。之后，在每个逡逑子区间［Ｍｐ邋Ｎｊ］上，利用直线：Ｆ（ｘ）邋＝邋ｋｉＸ邋＋邋ｂｉ，ｘｅ［Ｍｉ，Ｎｊ］来逼近曲线ｙ邋＝邋ｆ（ｘ），逡逑ｘｅ［Ｍｉ，化］。每个子区间的端点化叫做分段线性逼近法的逼近基点，在逼近基逡逑点处应该满足如下关系：逡逑＝逦明＝购逦（２．１）逡逑＂ｙ逡逑／邋■逡逑ｆ（ｘ）｜逡逑＾邋－立逦Ｎ邋ｘ逡逑图２．１分段线性逼近法原理图逡逑Ｆｉｇ邋２．１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｐｉｅｃｅｗｉｓｅ邋ｌｉｎｅａｒ邋ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ邋ａｌｇｏｒｉｔｈｍ逡逑由于每个子区间的两个逼近基点的值可以通过曲线ｙ邋＝邋ｆ00简单的得出，所以每逡逑个子ＩＥ间的逼近直线段Ｆ（ｘ）邋＝邋ｋｉＸ邋＋邋ｂｉ也可以通过两个逼近基点的值带入，分别求得逡逑ｋｊ和ｂｉ的值，从而完成每个分段子区间上直线段逼近曲线段的过程。逡逑由分段线性逼近法的原理能够看出
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN791

【参考文献】