基于LU分解的矩阵求逆运算的硬件实现与验证

发布时间：2017-04-24 21:00

  本文关键词：基于LU分解的矩阵求逆运算的硬件实现与验证，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：矩阵运算是科学与工程计算中的基本运算,广泛应用于数字信号处理和图像处理等各个领域。上述应用领域的实时性要求很高,为加快矩阵运算速度,需采用硬件实现的方法。而矩阵求逆运算是简化和解决很多问题的关键环节,其执行速度对整个系统的效率有重要的影响。针对现有的矩阵求逆硬件实现方法大多有硬件资源复杂度大、存储资源需求大或仅适用于低阶矩阵等缺陷,本文提出了一种基于LU分解的矩阵求逆运算的硬件实现方法。该方法基于简单的加减乘除运算单元,设计了三个计算模块完成矩阵求逆运算,通过重构的方式实现各个模块的运算,节约了超过50%的硬件资源,具有低功耗、低硬件资源复杂度的特点;并对三个模块分别设计了并行化方法,并设定相应的存储规则以实现并行访存,根据硬件资源本设计采用四路并行的方式,有效提高了运算效率和硬件资源利用率。随着SoC设计技术遵循摩尔定律规律快速发展,芯片规模和功能的急剧膨胀也导致了验证复杂度的快速增长,验证的工作量指数级增长,验证效率越来越成为制约设计效率的瓶颈。传统的验证方法已经无法满足对于大规模的复杂的芯片设计的验证。因而,近年来不断涌现出大量新的高级验证方法学。面对利用重构方式实现的矩阵求逆设计,需要对大量的不同阶数的矩阵数据进行验证,本文采用了目前验证技术的最新进展UVM (Universal Verification Methodology)验证方法学,搭建了一个高效、高度自动化、可重用的验证平台,极大地提高了验证效率。通过随机约束结合随机产生激励的方式,生成所需的矩阵求逆设计的配置信息以及随机的矩阵数据,通过大量的随机测试可以快速达到功能覆盖率100%的要求,保证模块设计的功能正确性。同时,通过运行时间的统计以及计算精度的统计,对设计模块的性能方面进行分析。最终得到对矩阵求逆模块设计的完备的验证结果。
【关键词】：矩阵求逆 LU分解 硬件实现 UVM验证方法学
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP332
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-17
• 1.1 研究背景13-16
• 1.1.1 矩阵求逆13-14
• 1.1.2 验证方法学14-16
• 1.2 课题来源16
• 1.3 论文主要工作与组织结构16-17
• 第2章 可配置专用处理核RASP介绍17-25
• 2.1 RASP总体架构17-19
• 2.2 RASP核工作方式19-21
• 2.2.1 RASP核工作模式19
• 2.2.2 DSP核对RASP核的配置19-21
• 2.3 可重构设计21-25
• 2.3.1 重构控制器21-22
• 2.3.2 可重构计算阵列22-23
• 2.3.3 重构实现流程23-25
• 第3章 基于LU分解的矩阵求逆RTL设计25-41
• 3.1 基于LU分解的矩阵求逆算法25-28
• 3.1.1 LU分解25-27
• 3.1.2 三角矩阵求逆27-28
• 3.1.3 矩阵乘28
• 3.2 整体架构设计28-29
• 3.3 子功能模块设计29-40
• 3.3.1 LU分解模块29-33
• 3.3.1.1 硬件电路结构设计29-32
• 3.3.1.2 重构实现32
• 3.3.1.3 并行存储方案32-33
• 3.3.2 三角矩阵求逆模块33-38
• 3.3.2.1 硬件电路结构设计33-36
• 3.3.2.2 重构实现36-37
• 3.3.2.3 并行存储方案37-38
• 3.3.3 矩阵乘模块38-40
• 3.3.3.1 硬件电路结构设计38
• 3.3.3.2 重构实现38-39
• 3.3.3.3 并行存储方案39-40
• 3.4 小结40-41
• 第4章 矩阵求逆设计模块的UVM验证41-69
• 4.1 UVM验证方法学41-51
• 4.1.1 UVM简介41-42
• 4.1.2 UVM验证平台42-43
• 4.1.3 UVM的重要机制43-51
• 4.1.3.1 类机制43-45
• 4.1.3.2 factory机制45-46
• 4.1.3.3 phase机制46-48
• 4.1.3.4 objection机制48
• 4.1.3.5 TLM机制48-49
• 4.1.3.6 sequence机制49-50
• 4.1.3.7 register model机制50
• 4.1.3.8 config机制50-51
• 4.2 矩阵求逆设计模块的UVM验证方案51-63
• 4.2.1 UVM验证平台搭建51-55
• 4.2.2 验证平台中组件的实现方法55-63
• 4.2.2.1 sequence55-56
• 4.2.2.2 sequence_item(transaction)56-58
• 4.2.2.3 interface58
• 4.2.2.4 driver58-60
• 4.2.2.5 monitor60
• 4.2.2.6 C_MODEL60-61
• 4.2.2.7 测试testcase61-62
• 4.2.2.8 top顶层模块62-63
• 4.3 测试计划63-64
• 4.3.1 寄存器配置63
• 4.3.2 功能测试点63-64
• 4.4 验证结果与分析64-67
• 4.4.1 功能正确性和性能统计64-66
• 4.4.2 计算精度66
• 4.4.3 代码覆盖率66-67
• 4.5 本章小结67-69
• 第5章 总结与展望69-71
• 5.1 全文总结69
• 5.2 未来展望69-71
• 参考文献71-75
• 攻读硕士学位期间的工作和成果75-76
• 致谢76-77

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