基于FPGA的矩阵求逆IP核设计技术及其实验平台设计

发布时间：2017-05-31 14:21

  本文关键词：基于FPGA的矩阵求逆IP核设计技术及其实验平台设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：矩阵运算被广泛的运用于科学计算、数字信号处理和图像处理等领域,随着矩阵运算量和复杂程度的不断增加,传统硬件平台逐渐无法满足系统实时计算的需求。FPGA具有运算速度快、灵活性高且可以并行计算的特点,这使其在矩阵运算中具有明显的优势。设计基于FPGA的矩阵求逆IP核及其实验平台,对提高矩阵求逆的效率和运算速度,具有重要的工程应用价值。本文从适用范围、运算结果、算法复杂度三个方面研究和探讨了三种常用的矩阵求逆分解方法的优缺点,结合FPGA存储资源多、地址变化灵活、运算并行性好的特点,采用了改进优化后的Cholesky分解方法,避免了传统算法中开方运算的处理难题。本文设计了基于AXI4-Stream算法IP核通用接口,提出了矩阵求逆IP核的流处理结构。在此基础上,本文完成了基于改进Cholesky分解算法的矩阵求逆IP核。本文完成了实验平台的设计与测试,包括电源、存储、时钟模块、AD采样模块等。在实验平台上,完成了矩阵求逆IP核的功能性验证与性能测试。
【关键词】：矩阵求逆 Cholesky分解 FPGA 硬件设计
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN791
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-15
• 1.1 研究背景11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.3 课题研究内容13-15
• 2 相关技术研究15-25
• 2.1 FPGA结构及原理15-18
• 2.1.1 FPGA组成部分15-16
• 2.1.2 FPGA设计原则16-17
• 2.1.3 基于硬件描述语言的FPGA设计流程17-18
• 2.2 求逆算法研究18-23
• 2.2.1 矩阵分解18-19
• 2.2.2 QR分解19-21
• 2.2.3 LU分解21
• 2.2.4 Cholesky分解21-22
• 2.2.5 矩阵求逆算法对比分析22-23
• 2.3 本章小结23-25
• 3 基于FPGA的矩阵求逆IP核设计25-47
• 3.1 矩阵求逆算法选择25
• 3.2 矩阵求逆IP核接口设计25-31
• 3.2.1 AXI4.0接口协议25-28
• 3.2.2 浮点数表示方法28-29
• 3.2.3 求逆IP核接口设计29-31
• 3.3 基于Cholesky分解的矩阵求逆31-44
• 3.3.1 改进的Cholesky分解与优化实现31-32
• 3.3.2 矩阵求逆流处理结构32-34
• 3.3.3 Choleksy分解IP核34-41
• 3.3.4 矩阵L求逆IP核41-42
• 3.3.5 下三角乘对角矩阵IP核42
• 3.3.6 上三角乘下三角矩阵IP核42-44
• 3.4 异常情况监测机制44
• 3.5 本章小结44-47
• 4 硬件平台设计开发47-71
• 4.1 功能概述47
• 4.2 硬件总体方案设计47-48
• 4.3 电源方案设计48-57
• 4.3.1 电源种类统计48
• 4.3.2 功耗评估48-51
• 4.3.3 电源方案框架51-52
• 4.3.4 特殊电源处理52-57
• 4.4 板级存储方案设计57-64
• 4.4.1 QDR2芯片58-60
• 4.4.2 DDR3芯片60-61
• 4.4.3 FLASH61-64
• 4.5 时钟方案设计64-68
• 4.5.1 AD采样输入时钟65
• 4.5.2 平台独立时钟65-66
• 4.5.3 DSP和FPGA相关时钟66-68
• 4.6 AD电路设计68-70
• 4.7 本章小结70-71
• 5 实验结果测试71-79
• 5.1 硬件平台测试71-75
• 5.1.1 硬件实验平台测试步骤71-72
• 5.1.2 硬件平台的电源和时钟测试72-73
• 5.1.3 平台芯片的测试73-75
• 5.2 矩阵求逆IP核验证75-78
• 5.2.1 矩阵求逆IP核验证方案75-76
• 5.2.2 求逆IP核仿真76-77
• 5.2.3 矩阵求逆IP核平台实测77-78
• 5.3 本章小结78-79
• 6 总结及展望79-81
• 6.1 总结79
• 6.2 展望79-81
• 参考文献81-84
• 作者简历84

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