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面向空间目标轨道预测的定制处理器及其编译器的关键技术研究

作　者: 郭松
导　师: 窦勇
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 空间目标轨道预测 FPGA 超长指令字定制处理器简化常规/深空摄动模型定制编译器指令调度目标机体系结构模板可重定向
分类号: V556
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

空间目标的轨道预测是一种根据空间目标的运动特征利用一定的数学模型预测空间目标在未来一段时间内的运行轨迹的技术。它是对空间目标进行实时监测、碰撞预警、武器攻击等应用的基础,在航天和军事等领域有着广泛的应用。空间目标轨道预测具有数据依赖性强、计算复杂、计算量大等特征,而且空间目标的数量还在不断增加,这就对系统的数据处理能力提出了更高的要求。单机很难满足对所有空间目标进行轨道预测的性能需求,而采用集群、巨型机等系统存在功耗高、控制复杂、无法定制、效率低等问题。以FPGA为代表的可重构硬件以其容量大、速度快、功耗低、编程灵活等优点成为算法硬件加速的首选,因此采用FPGA芯片构建面向特定应用的定制处理器是提高应用性能的一种新的有效手段。在对基于简化常规/深空摄动模型的轨道预测程序进行分析的基础上,本文综合采用开发多层次并行性、流水线技术、资源共享等一系列优化技术,设计实现了一个面向空间目标轨道预测的定制超长指令字结构处理器。实验结果表明,与运行在QuadCore AMD Phenom X4 9650 CPU平台上的软件程序相比,集成了8个处理单元的定制处理器可以达到8倍以上的加速效果。手动编码实现轨道预测源程序到定制处理器目标代码的转换是非常复杂的,而且很容易出错。为了解决这个问题,本文针对定制处理器的特征设计实现了一个定制编译器。通过采用基于周期和基于操作相结合的指令调度、直通、启发式的存储器分配、谓词执行等一系列优化策略,编译器可以实现轨道预测源程序到定制处理器目标代码的高效自动转换。为了能使编译器支持不同结构的定制处理器,本文通过对编译优化过程的分析建立了一种目标机体系结构模板,并采用面向对象的思想设计了相应的模板描述方式,将编译器的设计和目标机体系结构的细节隔离开。最后以指令调度说明体系结构模板的解析过程,实现编译器的可重定向。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-20
  1.1 课题应用背景  13-14
  1.2 课题技术背景  14-17
    1.2.1 轨道预测技术  14-15
    1.2.2 并行计算技术  15
    1.2.3 可重构计算技术  15-17
  1.3 课题研究平台  17-18
  1.4 课题研究内容  18-19
  1.5 论文结构  19-20
第二章面向轨道预测的CP-VLIW 处理器设计  20-41
  2.1 轨道预测相关知识  20-21
    2.1.1 SGP4/SDP4 模型  20
    2.1.2 TLE 数据格式  20-21
  2.2 轨道预测程序分析  21-25
    2.2.1 程序的执行流程  21-23
    2.2.2 程序特征分析  23-25
  2.3 CP-VLIW 处理器的设计实现  25-35
    2.3.1 VLIW 处理器研究现状  25-26
    2.3.2 CP-VLIW 处理器设计难点及方案  26-27
    2.3.3 CP-VLIW 处理器的整体结构  27-28
    2.3.4 CP-VLIW 处理器的PE 结构  28-30
    2.3.5 超越函数运算单元模块设计  30-31
    2.3.6 并行调度策略  31-33
    2.3.7 分支指令优化策略  33-35
  2.4 CP-VLIW 处理器的指令系统设计  35-38
  2.5 CP-VLIW 处理器工作流程  38-39
  2.6 性能分析  39-40
    2.6.1 实验平台  39
    2.6.2 资源使用  39-40
    2.6.3 性能比较  40
  2.7 本章小结  40-41
第三章 CP-VLIW 处理器运算单元设计实现  41-53
  3.1 双精度浮点数据格式  41
  3.2 双精度浮点加法运算单元  41-42
    3.2.1 算法原理  41
    3.2.2 运算单元设计实现  41-42
  3.3 双精度浮点乘法运算单元  42-43
    3.3.1 算法原理  42-43
    3.3.2 运算单元设计实现  43
  3.4 双精度浮点除法运算单元  43-45
    3.4.1 算法原理  43-45
    3.4.2 运算单元结构  45
  3.5 双精度浮点平方根运算单元  45-47
    3.5.1 算法原理  45-46
    3.5.2 运算单元结构  46-47
  3.6 双精度浮点立方根运算单元  47-50
    3.6.1 算法原理  47-48
    3.6.2 运算单元结构  48-50
  3.7 双精度浮点正余弦运算单元  50-52
    3.7.1 算法原理  50
    3.7.2 运算单元结构  50-52
  3.8 性能分析  52
  3.9 本章小结  52-53
第四章 CCP-VLIW 编译器设计与实现  53-66
  4.1 VLIW 编译器的研究现状  53-54
  4.2 CCP-VLIW 编译器的主要设计思想  54-55
  4.3 CCP-VLIW 编译器的整体结构  55-56
  4.4 CCP-VLIW 编译器优化策略的实现  56-64
    4.4.1 指令调度  56-58
    4.4.2 存储器分配  58-61
    4.4.3 冲突检测和冲突处理  61-62
    4.4.4 谓词执行  62-64
  4.5 性能分析  64-65
  4.6 本章小结  65-66
第五章体系结构模板描述系统  66-72
  5.1 体系结构模板内容  66-68
  5.2 体系结构模板描述方式  68-70
  5.3 体系结构模板解析  70-71
  5.4 本章小结  71-72
第六章结束语  72-74
  6.1 工作总结  72-73
  6.2 进一步的工作  73-74
致谢  74-75
参考文献  75-80
作者在学期间取得的学术成果  80

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