收藏本站
《厦门大学》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于Vivado HLS的时域有限差分方法硬件加速研究

陈瑞  
【摘要】:时域有限差分法(Finite difference time domain method,FDTD)是一种电磁学计算的基本方法,通过空间内电场和磁场的交替计算,得到整个研究空间的电磁分布情况。对于很多电磁学问题,不论从概念上还是可实现性上来讲,时域有限差分方法都是最简单的计算方法。时域有限差分法可以解决复杂的电磁计算问题,但同时要消耗大量的计算机资源,并且花费较长的计算时间。为了更快速高效地得到计算结果,可以利用硬件技术进行加速,这也是近年来FDTD方法研究领域比较受关注的部分。Xilinx公司新推出的高级综合工具VivadoHLS(High Level Synthesis),直接通过C/C++语言开发硬件系统,根据算法模型自动生成时序,相比于传统的硬件工程师设计时序更加简单高效。为了提高FDTD算法的计算速度,本文在仔细研究FDTD算法原理的基础上,从算法上分析了 FDTD的速度瓶颈,使用HLS工具进行一维和二维的FDTD的优化设计,并进行了一维和二维算例验证,结果证明了方法的有效性和优势。本文的主要工作有:首先,本文全面分析了 FDTD算法的基本原理,推导了一维和二维FDTD算法的迭代公式。研究了吸收边界条件,着重介绍了 PML边界条件,研究了 FDTD算法的数值稳定性以及高级综合工具的多种优化策略。其次,提出了一种流水的FDTD算法实现架构,将FDTD算法中的电场计算和磁场计算进行流水化,完成了一维和二维的FDTD算法C模型实现。针对提出的FDTD实现架构,使用HLS工具进行综合分析,通过调度和绑定,对算法在占用资源和处理速度方面进行优化:对数组添加partition约束以提高数据访问速度,对循环体添加unroll约束以并行执行缩短时延,对循环添加pipeline约束建立循环流水线。最后通过HLS测试台工具进行RTL功能仿真验证,并应用MATLAB对仿真数据结果进行成像。最后,选取一维和二维算例来验证所提出设计方法的正确性与高效性。结果表明,该设计具有较高的数据吞吐率,充分发挥了 FPGA的并行、流水计算优势。同时该设计实现复杂度低,成本耗费低,在时域有限差分算法的硬件加速方面,具有很高的实际应用价值。
【学位授予单位】:厦门大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O441

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨晓安;罗杰;包文博;;基于Xilinx Zynq的物距测量系统设计与实现[J];现代电子技术;2014年15期
2 张茉莉;杨海钢;崔秀海;李园强;;基于数组分块的FPGA高级综合编译优化算法[J];计算机应用研究;2013年11期
3 James Hrica;;利用赛灵思Vivado HLS实现浮点设计[J];今日电子;2013年01期
4 丛秋波;;Vivado设计套件将可编程系统集成度和实施速度提升4倍[J];电子设计技术;2012年06期
5 朱永华;朱聪;郑衍衡;;基于FPGA的高性能计算中全局流水的研究[J];计算机工程与设计;2011年10期
6 杜刘革;李康;孔凡敏;;基于CUDA的图形处理器FDTD算法仿真研究[J];系统仿真学报;2011年04期
7 杨宏璋;王嘉;;用C语言建模辅助软硬件协同设计[J];信息技术;2010年08期
8 窦秀梅;赵振纲;;基于IP核的FPGA FFT算法模块的设计与实现[J];无线电工程;2008年08期
9 郑奎松;葛德彪;;总场-散射场方法在二维ADI-FDTD中的实现[J];西安电子科技大学学报;2006年02期
10 薛晓春,王雪华;用二维时域有限差分法计算机翼雷达散射截面[J];计算物理;2005年01期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 孙凤杰;周启明;;时域有限差分(FDTD)法发展综述[A];2009系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C];2009年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 思文;;Vivado设计套件将速度提高四倍[N];中国电子报;2013年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张俊涛;王园伟;庞多;;一种硬件加速OpenCV的图像处理方法研究[J];微型机与应用;2015年22期
2 党宏社;王黎;王晓倩;;基于Vivado HLS的FPGA开发与应用研究[J];陕西科技大学学报(自然科学版);2015年01期
3 禚晖;;雷达散射截面积(RCS)的FDTD研究[J];舰船电子工程;2014年11期
4 蒋相闻;招启军;;基于计算电磁学方法的旋翼雷达散射截面特性[J];航空动力学报;2014年08期
5 何琪辰;沈文枫;孙思齐;徐炜民;郑衍衡;;超混合深度可重构计算阵列调度策略的优化研究[J];计算机应用与软件;2014年06期
6 张振;孔凡敏;李康;;应用CN-FDTD分析电磁波电阻率测井仪的电磁响应[J];系统仿真学报;2013年10期
7 田爱玲;王辉;王春慧;;光学元件亚表面损伤的激光散射仿真研究[J];中国激光;2013年09期
8 高煜堃;陈红全;;基于非结构网格格点FVTD算法的电磁散射模拟[J];南京航空航天大学学报;2013年03期
9 赵琳琳;李康;孔凡敏;王斌;;补偿型随钻电磁波电阻率测井仪的仿真研究[J];系统仿真学报;2013年04期
10 邵宗有;王昭顺;刘新春;;基于CPU-GPU异构机群的FDTD并行算法加速研究[J];系统仿真学报;2013年02期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前7条
1 方洁;张可;王睿;梁栋;;改进的FFT算法及应用研究[J];四川电力技术;2007年06期
2 李伟;孙进平;王俊;李少洪;;一种基于FPGA的超高速32k点FFT处理器[J];北京航空航天大学学报;2007年12期
3 王少平,王京谦,钱玮;嵌入式系统的软硬件协同设计[J];现代电子技术;2005年02期
4 汤炜,闫玉波,李清亮,吴振森;一种新时域交替隐式差分算法在散射问题中的应用[J];物理学报;2004年12期
5 刘新,李康,孔繁敏;FDTD并行计算中的区域划分及负载平衡[J];系统仿真学报;2004年01期
6 舒辉,康绯;一个新的循环分块算法[J];计算机研究与发展;2002年10期
7 章立生,韩承德;SoC芯片设计方法及标准化[J];计算机研究与发展;2002年01期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 葛德明;;基于硬件加速的三维系统设计[J];通信电源技术;2018年04期
2 张灏;;数字信号处理系统的硬件加速设计[J];科学技术创新;2018年31期
3 周一;;浅谈深度学习的硬件加速[J];科学家;2017年16期
4 天涯衰草;;都是浏览器硬件加速惹的祸[J];电脑迷;2013年12期
5 ;无需更新驱动 开启“硬件加速”[J];电脑爱好者;2011年06期
6 俞庆华;;Mentor Graphics宣布推出规模可达15BG的Veloce Strato平台[J];汽车零部件;2017年02期
7 ;盘点Google Chrome8八大新功能[J];计算机与网络;2010年20期
8 徐天亮;王晨旭;王新胜;罗清华;刘志勇;周志权;;海洋观测通信组网安全及其硬件加速研究[J];海洋科学;2018年01期
9 胡力佳;马琪;徐向阳;;数字集成电路设计中的硬件加速验证技术[J];现代电子技术;2007年11期
10 罗勇;;轻松开启谷歌浏览器的GPU硬件加速[J];电脑迷;2011年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张纯;毛菁霞;张如鸿;孔伯虎;吴百锋;彭澄廉;陈泽文;孙晓光;;基于硬件加速的可视化算法[A];全国第16届计算机科学与技术应用(CACIS)学术会议论文集[C];2004年
2 陈乃刚;李健;曹芳;;基于FPGA的CNN单机多卡加速算法实现[A];2017电力行业信息化年会论文集[C];2017年
3 韦兴军;卢泽新;;基于TCAM的入侵检测系统硬件加速技术[A];中国电子学会第十五届信息论学术年会暨第一届全国网络编码学术年会论文集(上册)[C];2008年
4 肖永顺;陈志强;张丽;;工业CT断层重建算法的通用计算硬件加速[A];2004年CT和三维成像学术年会论文集[C];2004年
5 周治国;钟一鸣;屈崇;;无人艇的水面图像去雾技术研究与实现[A];第十二届全国信号和智能信息处理与应用学术会议论文集[C];2018年
6 郑尧;肖利民;唐文琦;姚光超;阮利;;一种面向大规模音乐库的音乐推荐方法[A];第十一届全国博士生学术年会——信息技术与安全专题论文集[C];2013年
7 刘世光;陈国军;杨鹏;张加万;孙济洲;;布料上污渍效果的真实感模拟[A];中国计算机图形学进展2008--第七届中国计算机图形学大会论文集[C];2008年
8 王阳;陶华敏;肖山竹;邓秋群;;基于流水技术的三角矩阵求逆硬件加速技术研究[A];第十九届计算机工程与工艺年会暨第五届微处理器技术论坛论文集[C];2015年
9 王强;邹丹;郭松;姜晶菲;;基于FPGA的宽度优先搜索硬件加速方法研究[A];第十七届计算机工程与工艺年会暨第三届微处理器技术论坛论文集(下册)[C];2013年
10 张亮;刘杰;韩文燕;高剑刚;;计算机多媒体加速技术研究[A];第十五届计算机工程与工艺年会暨第一届微处理器技术论坛论文集(A辑)[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 山西 王强;被忽视的“硬件加速”[N];电脑报;2003年
2 辽宁 耿呈刚;关于PowerDVD硬件加速[N];电脑报;2004年
3 米笑;丰富的防火墙和防攻击,多种VPN业务,硬件加速的IPsec和SSL等技术[N];中国计算机报;2004年
4 李刚;硬件加速也惹祸[N];中国电脑教育报;2004年
5 一片枫叶;PureVideo HD硬件加速我也行[N];电脑报;2008年
6 ;看PDF文档也玩3D硬件加速[N];中国电脑教育报;2007年
7 朱亦枫 北京;Altera为NiosⅡ处理器系统提供新C语言至硬件加速工具[N];电子资讯时报;2006年
8 周童;免费的硬件加速渲染器[N];计算机世界;2008年
9 Adaptec公司亚太区技术指导 叶文逊;重管理 要增值[N];中国计算机报;2004年
10 ;“芯”有灵犀一点通[N];中国电脑教育报;2003年
中国博士学位论文全文数据库 前9条
1 王锐;电源网格快速建模与EDA工具的硬件加速技术研究[D];合肥工业大学;2006年
2 吴安;现场影像增强中的硬件加速机制研究[D];中国科学技术大学;2017年
3 李韬;粗粒度数据流网络处理器设计关键技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
4 肖永飞;医学数据三维交互可视化方法的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
5 杨超;虚拟战场中电磁环境三维建模与绘制方法研究[D];国防科学技术大学;2010年
6 刘钧石;基于近似计算的断层图三维迭代重建与图像特征检测的研究[D];浙江大学;2015年
7 唐永鹤;基于序列图像的空间非合作目标三维重建关键技术研究[D];国防科学技术大学;2012年
8 陈鹏;虚拟战场环境中雷达作用范围表现技术研究[D];国防科学技术大学;2007年
9 王圣;高速网络TCP加速关键技术研究[D];国防科学技术大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 景亮亮;基于FPGA和深度学习算法的硬件加速设计与研究[D];成都理工大学;2018年
2 纪昆;基于多核DSP的深度学习算法硬件加速技术研究[D];国防科学技术大学;2016年
3 陈龙;目标识别的硬件加速算法研究[D];南京航空航天大学;2018年
4 陈瑞;基于Vivado HLS的时域有限差分方法硬件加速研究[D];厦门大学;2017年
5 洪启飞;面向深度学习的FPGA硬件加速平台的研究[D];电子科技大学;2018年
6 张克宁;细微运动的视觉增强及硬件加速技术研究[D];中国科学技术大学;2017年
7 吴峰;基于硬件加速设备的SSL VPN性能提升研究[D];华中科技大学;2013年
8 张媛;基于GPU硬件加速的三维重建算法研究[D];河北工业大学;2015年
9 王浩;异构多核系统中关键算法的硬件加速引擎设计[D];合肥工业大学;2016年
10 李海;基于硬件加速的虚拟场景绘制[D];大连理工大学;2005年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026