發(fā)布時(shí)間：2020-07-18 01:48

【摘要】： 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(zhuān)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(wèn)題,研究了多維數(shù)據(jù)陣分析專(zhuān)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(guò)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(zhuān)用嵌入式計(jì)算結(jié)構(gòu),并通過(guò)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)據(jù)陣分析專(zhuān)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(lèi)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(wèn)題。通過(guò)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)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(kāi)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,提高分析儀器的智能化、分析方法和流程的自動(dòng)化有著積極的作用。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類(lèi)號(hào)】：TP368.12
【圖文】：

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)研究首先，課題就典型的平行因子算法核心部件進(jìn)行時(shí)間分析，得到如下圖3.1所示的六次調(diào)用平行因子算法的時(shí)間分布:廖垂鹿棘都蠢疆奎如編羹暮寒夔裹如自念黑豁黯)群i黔耀默:黔卿朋舫Ac*.ml匆處業(yè)業(yè)進(jìn)迪業(yè)進(jìn)血“四理通四叢({蕎茹動(dòng)--------一回 showparem伯nctions曰 Showbu，丫line。回 Showehildfunetions回show陣 untresutts曰show麗一 eeoverage回Show怕nction!istingpare內(nèi)(ealling伯nctions)F，.麗啞‘沂叻。儷TyPe里旦塑g如到到旦二皿里iM-允nCtionCel場(chǎng)Lin二卜 er.themo.dme，甘a.即ellt嘛N喻ber知山4D互CT3.立n，tCT3】牛C日l(shuí)!S1加856IJI巧61加匿611帕石后131巧6、:。ta.石m。!%二me29135孰}石 mePlof率________).CT3二CTZ宮CTI牛 2.2日〕s一事板硫，日.3%二XI砍(:，:，k卜力儀f:

Profile的分析無(wú)法體現(xiàn)出這一點(diǎn)。通過(guò)算法的C/C++語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)，我們可以看到算法內(nèi)部的更多細(xì)節(jié)，并可以使用 IBMRationalQuantify對(duì)它們進(jìn)行分析。下面圖3.3是 IBMRatinnalQuantify對(duì)平行因子算法C/c++實(shí)現(xiàn)中的函數(shù)調(diào)用路徑分析輸出圖。.回~::!‘卜\\，、、me即心Py\、new\~::oet‘COIUm…_夕delete洲尸州產(chǎn)/C肺勿iX:啟日枷即ROWS圖3.3算法分析的 IBMRationalQuantify函數(shù)調(diào)用路徑輸出圖在這個(gè)函數(shù)路徑圖中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)調(diào)用函數(shù)，節(jié)點(diǎn)之間的連線表示調(diào)用次數(shù)。所以，連線越密集，調(diào)用越頻繁。在系統(tǒng)初始化后，調(diào)用從主函數(shù)main開(kāi)始。從上圖中我們可以看到，矩陣乘法算子的調(diào)用是最頻繁，而在這個(gè)C/C++實(shí)現(xiàn)中，矩陣乘法算子還頻繁地調(diào)用了矩陣的取數(shù)據(jù)函數(shù)GetElement。同時(shí)，從圖中還可以看到其他的矩陣操作包括矩陣加法算子、減法算子和矩陣轉(zhuǎn)置等等，它們都頻繁地調(diào)用了矩陣的初始化和存儲(chǔ)訪問(wèn)函數(shù)。對(duì)于算法實(shí)現(xiàn)的軟件來(lái)說(shuō)

存儲(chǔ)訪問(wèn)邏輯，因而成為專(zhuān)用算法優(yōu)化的一個(gè)突破點(diǎn)。下面 IBMRationalQuantify通過(guò)統(tǒng)計(jì)函數(shù)調(diào)用次數(shù)，函數(shù)的訪問(wèn)時(shí)間以及函數(shù)子代訪問(wèn)時(shí)間而得出來(lái)的算法時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)報(bào)表。圖3.4的報(bào)表截圖中 Ftime表示函數(shù)調(diào)用時(shí)間，它不包括函數(shù)內(nèi)部調(diào)用其他函數(shù)所使用的時(shí)間，而F十Dtime表示函數(shù)及其子代時(shí)間，即函數(shù)和函數(shù)內(nèi)部調(diào)用的子代函數(shù)所用時(shí)間的總和，顯然 F+Dtime值最大的是主函數(shù)main。下面這個(gè)報(bào)表按照 Ftime占總時(shí)間的比例為函數(shù)排序，從中可以看到，矩陣數(shù)據(jù)的存取函數(shù)GetElement和SetElement因?yàn)檎{(diào)用次數(shù)非常多，因此消耗的時(shí)間也很多，所以它們排在最頂端。這是顯然的，幾乎每一個(gè)對(duì)矩陣的操作都需要訪問(wèn)矩陣數(shù)據(jù)，所以幾乎每一個(gè)矩陣相關(guān)的函數(shù)都會(huì)來(lái)調(diào)用矩陣數(shù)據(jù)的存取函數(shù)。除了這些調(diào)用次數(shù)巨大的訪存函數(shù)之外，排在前列的還有矩陣乘法操作，這再一次說(shuō)明了算法中矩陣乘法占用的時(shí)間比很大。曦的用瓜旅目.妞..系口口峨口耳IT氏6

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 劉彥;異構(gòu)多核片上系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度及應(yīng)用研究[D];湖南大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 田崢;運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)算法的研究及其嵌入式應(yīng)用[D];湖南大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2760230