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天文图像空间变换核降晰算法的SoC设计实现

作　者: 瞿宜锡
导　师: 郭炜
学　校: 天津大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 空间变换核降晰算法可配置可扩展处理器传输触发体系结构 SoC
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文主要研究了基于空间变换核天文图像降晰算法及硬件实现,以达到南极天文站(AST3)对图像实时性和低功耗的要求。本文实现了一种基于传输触发体系结构(Transport Triggered Architecture,TTA)的完全可配置可扩展T*CORE处理器的设计,该处理器作为硬件加速协处理器实现了基于空间变换核天文图像降晰算法中的关键计算部分。TTA架构可以实现最大限度的指令集并行,能够在一个周期内执行多条指令,因此TTA架构非常适合数据密集型的计算任务。利用空间变换核降晰算法中数据传送规律,改进了数据存储方式和计算流程,将大小为N×N空间变换核的天文图像处理每点所需数据传输由原算法N×N点降至平均只需(2N-1)2/N2(<4)点,数据复用率达到N4/ (2N-1)2(约N2/4)。可配置处理器的设计是通过自动化软硬件协同设计平台针对特定应用进行快速设计空间探测,定制最优的硬件架构及相应的功能单元,其可定制性使其具备传统ASIC方法性能高、功耗低的优势,同时其处理器架构又保证了很大的设计灵活性,弥补了当前主流的基于通用处理器实现的缺陷。在上述研究的基础之上,本文设计了基于可配置可扩展处理器T*CORE的异构多核SoC(System on Chip)架构平台,来实现天文图像降晰算法,并利用6个T*CORE处理器作为协处理器并行处理的方法,提高运算速度,最终实现课题研究的实时性和低功耗要求。在此基础之上也进一步证明了以可配置可扩展处理器T*CORE为基本组成模块的SoC设计新方法的巨大优势和良好发展前景。在FPGA上的实验结果表明,与PC纯软件处理相比,本文提出的基于SoC设计的嵌入式方案在实现运算时加速比达到了29.06且功耗仅为纯软件处理时的2.98%。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-13
  1.1 课题研究背景、目的和意义  8-10
  1.2 国内外天文图像相减处理研究状况  10-11
  1.3 本文研究目标和主要内容  11-12
  1.4 本文组织结构  12-13
第二章可配置可扩展处理器研究基础  13-19
  2.1 传输触发架构（TTA）  13-15
  2.2 可配置可扩展处理器T*CORE 处理器  15-16
  2.3 基于可配置可扩展处理器的SoC 设计方法  16-19
    2.3.1 SoC 设计方法的发展与挑战  16-17
    2.3.2 基于可配置可扩展处理器的SoC 设计流程  17-19
第三章天文图像空间变换核降晰算法分析与优化  19-28
  3.1 OIS 算法简介  19-20
  3.2 天文图像空间变换核降晰处理算法基础  20-22
    3.2.1 PSF 概述  20
    3.2.2 降晰函数  20-21
    3.2.3 核函数  21-22
  3.3 基于最小计算时间的空间变换核的解法  22-23
  3.4 不同天空背景时图像降晰处理  23
  3.5 空间变换核降晰算法流程分析及数据格式优化  23-27
    3.5.1 降晰运算分析  24-25
    3.5.2 数据存储格式优化  25-27
  3.6 本章小结  27-28
第四章可配置可扩展T*CORE 处理器设计  28-40
  4.1 T*CORE 处理器总体架构  28-29
  4.2 T*CORE 核心运算组件设计  29-30
  4.3 可配置可扩展T*CORE 处理器详细设计  30-40
    4.3.1 FMAC 单元模块设计  31-33
    4.3.2 RPT 单元模块设计  33-34
    4.3.3 LOAD/STORE 单元模块设计  34-35
    4.3.4 通用寄存器（R0~R8）  35-36
    4.3.5 数据存储方式及计算流程  36-37
    4.3.6 T*CORE 处理器电子系统级建模  37-38
    4.3.7 基于T*CORE 处理器的汇编器  38-40
第五章天文图像空间变换核降晰算法的SoC 系统设计  40-47
  5.1 算法的软硬件功能划分  40-42
  5.2 SoC 系统架构平台设计  42-46
    5.2.1 PCI-E 接口模块设计  43-44
    5.2.2 T*CORE 用户自定义IP Core 添加  44-46
  5.3 T*CORE 数据计算流程  46-47
第六章实验结果  47-54
  6.1 T*CORE 可配置可扩展处理器的数据统计  47-48
  6.2 改进的T*CORE 可配置可扩展处理器设计  48-49
  6.3 T*CORE 可配置可扩展处理器设计仿真效果图  49-50
  6.4 改进的SoC 设计数据分析与结果统计  50-52
  6.5 实验效果比较  52
  6.6 多核SoC 架构的探索  52-54
第七章总结与展望  54-56
参考文献  56-58
发表论文和科研情况说明  58-59
致谢  59

天文图像空间变换核降晰算法的SoC设计实现

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