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面向图像处理的可配置处理器设计与实现

作　者: 谭星亮
导　师: 吴顺华
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 可配置处理器图像处理传输触发架构 SoC
分类号: TN47
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 22次
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内容摘要

可配置处理器可以针对具体应用做出配置,得到不同运算性能的硬件电路,并且具有可编程性,在SoC设计中,用可配置处理器完成数据密集型的运算任务时,比通用微处理器具有更强的计算能力,比ASIC(Application Specific Integrated Circuit)具有更大的灵活性,可加快开发周期。本论文设计了一个面向图像处理的可配置处理器模板——T*Core,该处理器是根据传输触发架构(TTA,Transport-Triggered Architecture)设计。使用时,根据特定图像处理的应用,配置相关参数就可生成一款具体的T*Core处理器硬件电路。本论文对图像处理中几种基本的算法进行了分析,包括图像增强常用的卷积滤波和中值滤波算法,图像压缩常用的离散余弦变换,以及图像的缩放算法,并总结出这些算法的特点,为T*Core处理器功能单元的定制提供依据。本论文对T*Core处理器的设计进行了详细说明,包括T*Core内部结构、指令格式与流水线、数据通路的构成、各个功能单元的设计、立即数存放机制,以及T*Core内部资源的编址等。功能单元作为T*Core处理中的核心运算组件,直接影响着处理器计算性能,其结构根据图像处理算法的特点来设计,如带排序功能的加减法功能单元、浮点乘累加功能单元、带二维寻址功能的存储器访问功能单元以及无延时跳转控制功能单元,都将提升图像处理程序运行的速度。硬件验证时,本论文采用C*Core C310作为主处理器,T*Core作为从处理器搭建了一个硬件SoC验证平台,系统工作主频为30MHz,图像处理的结果最终显示在QVGA屏幕上,结果说明T*Core能正确地完成图像处理的功能。并将T*Core可配置处理器与通用型微处理器C*Core C310和ARM926EJ进行速度对比,结果说明在完成同等计算量的任务时,T*Core执行速度比通用微处理器要高出很多。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-12
  1.1 课题研究背景与意义  8-10
  1.2 可配置处理器的发展现状  10
  1.3 本论文组织结构  10-12
第二章图像处理基本算法及其对可配置处理器的要求  12-30
  2.1 传输触发架构可配置处理器  12-17
    2.1.1 传统处理器架构  12-13
    2.1.2 传输触发架构处理器  13-16
    2.1.3 传输触发架构处理器的可配置性  16-17
  2.2 图像处理基本算法  17-26
    2.2.1 卷积滤波  17-19
    2.2.2 中值滤波  19-21
    2.2.3 离散余弦变换  21-24
    2.2.4 图像缩放  24-26
  2.3 图像处理基本算法的特点及其对可配置处理器的要求  26-29
    2.3.1 乘累加运算  26
    2.3.2 加减法并行运算  26-27
    2.3.3 排序运算  27
    2.3.4 浮点运算  27-28
    2.3.5 取浮点数小数部分  28
    2.3.6 存储器寻址方式  28-29
  2.4 图像处理对硬件要求  29-30
第三章面向图像处理的可配置处理器设计  30-69
  3.1 T*Core 处理器总体架构设计  30-36
    3.1.1 T*Core处理器内部结构  30-32
    3.1.2 T*Core处理器指令格式  32-33
    3.1.3 T*Core处理器流水线  33-36
  3.2 T*Core数据通路设计  36-40
    3.2.1 数据流通过程  36-37
    3.2.2 Input Socket设计  37-38
    3.2.3 Output Socket设计  38-39
    3.2.4 总线数据连通  39-40
  3.3 T*Core处理器功能单元设计  40-60
    3.3.1 整数加减法功能单元设计  41-45
    3.3.2 基本算术逻辑运算功能单元设计  45-46
    3.3.3 浮点运算功能单元设计  46-54
    3.3.4 存储器访问功能单元设计  54-58
    3.3.5 无延时跳转控制功能单元设计  58-60
    3.3.6 通用寄存器  60
  3.4 立即数机制  60-63
    3.4.1 短立即数  60-61
    3.4.2 长立即数  61-63
  3.5 T*Core处理器与外部交互寄存器  63-65
    3.5.1 控制寄存器CTRL_REG  63-64
    3.5.2 PC初始化寄存器PC_INIT  64
    3.5.3 调试观察寄存器  64-65
  3.6 T*Core在SoC系统中的编址  65-69
    3.6.1 交互寄存器编址  65-66
    3.6.2 指令存储器编址  66-67
    3.6.3 数据存储器编址  67-69
第四章 T*Core处理器验证与硬件实现  69-86
  4.1 T*Core处理器配置与仿真、综合  70-75
    4.1.1 面向图像处理的T*Core处理器配置  70-71
    4.1.2 T*Core处理器仿真平台搭建  71-74
    4.1.3 T*Core处理器逻辑综合  74-75
  4.2 SoC硬件平台搭建  75-80
    4.2.1 SoC平台总体架构  75-77
    4.2.2 C*Core对T*Core的访问  77-78
    4.2.3 QVGA时序控制  78-80
  4.3 图像处理算法在SoC平台上验证  80-86
    4.3.1 卷积滤波验证  80-82
    4.3.2 中值滤波验证  82-84
    4.3.3 离散余弦变换验证  84
    4.3.4 图像缩放验证  84-86
第五章总结与展望  86-89
  5.1 总结  86-87
  5.2 展望  87-89
参考文献  89-92
参加科研情况说明  92-93
致谢  93

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