復(fù)雜體系解析多維數(shù)據(jù)陣分析的嵌入式計(jì)算技術(shù)研究.pdf

1、多維數(shù)據(jù)陣分析是一種用于復(fù)雜體系解析的熒光分析技術(shù)，在生命科學(xué)，環(huán)境科學(xué)和石油化工等方面有很廣泛應(yīng)用價(jià)值。目前該分析方法的理論和實(shí)驗(yàn)都發(fā)展得比較成熟，但是由于缺乏專用的計(jì)算設(shè)備，技術(shù)的推廣受到限制。多維數(shù)據(jù)陣分析算法以密集矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)，計(jì)算復(fù)雜度高，而目前的通用嵌入式處理系統(tǒng)計(jì)算能力有限，直接利用嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)陣分析存在困難。這使多維數(shù)據(jù)陣分析技術(shù)的應(yīng)用由于通常嵌入式系統(tǒng)計(jì)算能力的不足而受到限制。本文針對(duì)973預(yù)研課題“復(fù)雜

2、體系解析多維數(shù)陣分析方法學(xué)及創(chuàng)新應(yīng)用”中的應(yīng)用研究問題，研究了多維數(shù)據(jù)陣分析專用嵌入式計(jì)算的軟件結(jié)構(gòu)和核心算法的FPGA設(shè)計(jì)。具體研究工作如下： 1．通過研究多維數(shù)據(jù)陣分析的方法和流程，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于復(fù)雜體系解析多維數(shù)據(jù)陣分析數(shù)據(jù)處理的專用嵌入式計(jì)算結(jié)構(gòu)，并通過分析多維數(shù)據(jù)陣分析算法的數(shù)據(jù)流和運(yùn)算特點(diǎn)，以及FPGA在嵌入式計(jì)算上的優(yōu)勢(shì)，提出了應(yīng)用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)核心算法模塊的方法，設(shè)計(jì)了核心計(jì)算模塊基于FPGA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為多維數(shù)

3、據(jù)陣分析專用計(jì)算設(shè)備和便攜分析儀器設(shè)備的研發(fā)提供底層計(jì)算技術(shù)支持。 2．針對(duì)多維數(shù)據(jù)陣分析算法中廣泛使用的平行因子算法，研究了算法在FPGA上實(shí)現(xiàn)的一些關(guān)鍵技術(shù)，解決了算法的并行化重新描述、算法的浮點(diǎn)模型到定點(diǎn)模型轉(zhuǎn)換、變量存儲(chǔ)類型選擇和矩陣求逆部件根據(jù)多維數(shù)據(jù)陣計(jì)算特點(diǎn)的約束設(shè)計(jì)等問題。通過AccelDSP的研發(fā)流程，完成了平行因子算法模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)。 3．在Xilinx AccelDSP的FPGA設(shè)計(jì)平臺(tái)上，設(shè)計(jì)

4、了核心計(jì)算模塊的驗(yàn)證結(jié)構(gòu)，完成了平行因子算法模塊FPGA實(shí)現(xiàn)的仿真驗(yàn)證，比較了該算法在FPGA平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)效率和在通用計(jì)算設(shè)備上的實(shí)現(xiàn)效率。結(jié)果表明使用FPGA實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)陣分析算法能充分利用硬件計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，充分開發(fā)出算法中的內(nèi)在并行性，使算法得到更高的計(jì)算效率。結(jié)果也表明，在嵌入式環(huán)境中利用FPGA實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)陣分析是可行的。 論文的研究工作對(duì)促進(jìn)嵌入式系統(tǒng)在分析科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，促進(jìn)復(fù)雜體系解析多維數(shù)陣分析方法的應(yīng)用和推廣，提