奇異值分解算法邏輯設(shè)計的資源優(yōu)化問題研究.pdf

1、三維熒光分析是一種復(fù)雜體系解析的有效方法，可廣泛應(yīng)用于生命、材料、環(huán)境等領(lǐng)域中樣品的解析。但三維熒光分析算法數(shù)據(jù)規(guī)模大、計算復(fù)雜度高，難以在嵌入式設(shè)備中推廣應(yīng)用?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA具有并行性和高效性，可以很好地解決算法在嵌入式環(huán)境下的計算要求，但三維熒光分析算法龐大的計算量使得算法對FPGA資源的需求相當(dāng)大?？紤]算法實時性要求不高的特點，本文就如何降低算法邏輯設(shè)計的硬件資源消耗進(jìn)行研究。
　　 奇異值分解(SVD)是三維熒光

2、分析的核心計算部件，其算法邏輯設(shè)計結(jié)構(gòu)直接影響三維熒光分析對硬件資源的需求。本文以降低硬件資源為目的，引入邏輯設(shè)計中常用的“功能復(fù)用”和“并串轉(zhuǎn)換”等策略，對現(xiàn)有SVD處理器中基于CORDIC的旋轉(zhuǎn)角度計算結(jié)構(gòu)和雙邊旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。具體工作如下：
　　 針對旋轉(zhuǎn)角度計算結(jié)構(gòu)中資源利用率不高的問題，本文采用“功能復(fù)用”策略，設(shè)計了一種改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)角度計算結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過對CORDIC模塊內(nèi)部的移位器進(jìn)行功能復(fù)用，在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上減

3、少了2個移位器的使用，節(jié)省了硬件資源。
　　 針對雙邊旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中因數(shù)據(jù)相關(guān)造成資源空閑的問題，本文提出了兩種改進(jìn)方案，分別設(shè)計了并行雙邊旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和串行雙邊旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。其中，并行雙邊旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)通過解除雙邊旋轉(zhuǎn)過程中左旋轉(zhuǎn)和右旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)相關(guān)性，實現(xiàn)了左旋轉(zhuǎn)和右旋轉(zhuǎn)的并行運算，減少處理時間的同時節(jié)省了硬件資源；串行雙邊旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)通過對2個CORDIC模塊進(jìn)行復(fù)用，解決了因數(shù)據(jù)相關(guān)造成的空閑資源浪費問題，從而減少了大量硬件資源。
　　

4、 考慮位串行結(jié)構(gòu)相比于位并行結(jié)構(gòu)在硬件資源以及時鐘頻率上的優(yōu)勢，本文借助“并串轉(zhuǎn)換”策略，利用CORDIC位串行結(jié)構(gòu)以及位串行加/減器、位串行移位器等基本運算單元分別對上述改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)角度計算結(jié)構(gòu)、并行雙邊旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，以及串行雙邊旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行位串行的優(yōu)化，進(jìn)一步減少了各結(jié)構(gòu)所占用的硬件資源。
　　 最后，本文對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)從正確性和資源優(yōu)化效果兩方面進(jìn)行驗證。首先利用Verilog HDL語言實現(xiàn)了改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)角度計算結(jié)構(gòu)和雙邊旋轉(zhuǎn)