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支持Gather/Scatter的向量存储器的设计与实现

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支持Gather/Scatter的向量存储器的设计与实现

作者：吴健虢国防科技大学

学位级别：硕士

随着数字信号处理器(DSP)应用的不断扩展,如何提高DSP的运算性能面临着新的挑战。SIMD架构能充分发掘应用的数据级并行,以较低的硬件开销和功耗预算实现较高的峰值运算性能,已成为高性能DSP的主流。SIMD架构DSP通常能高效支持地址连续... 详细信息

随着数字信号处理器(DSP)应用的不断扩展,如何提高DSP的运算性能面临着新的挑战。SIMD架构能充分发掘应用的数据级并行,以较低的硬件开销和功耗预算实现较高的峰值运算性能,已成为高性能DSP的主流。SIMD架构DSP通常能高效支持地址连续或等距跨步等规则数据的向量访存,但对广泛存在于科学计算和工程应用中的不规则数据访存却不能很好的支持。不规则访存使得SIMD DSP访存带宽效率下降,降低了处理器整体运算性能,Gather/Scatter访存技术则能有效缓解这一问题。V-DSP是课题组自主研发的高性能向量DSP内核,本文根据该DSP向量访存的需求,在支持其双向量Load/Store的基础上,设计了支持Gather/Scatter的向量存储器(GSVM),实现了不规则数据的向量访存,有效扩展了向量访存的适应范围,提高了带宽效率。本文的主要工作和创新点体现在以下几个方面:1、在分析不规则数据访存特点的基础上,提出了一种SIMD结构的冲突缓冲器阵列设计,以缓存仲裁失败的向量访问请求、保证向量访存的流水执行;搭建GatherS/Scatter访存分布模型和访存冲突量化模型,给出不同SIMD宽度下最佳的冲突缓冲器深度;有效降低了硬件开销。2、根据V-DSP超宽SIMD向量访存的特点,设计了GSVM的总体结构,设计了专用的支持多种寻址模式的Gather/Scatter访存指令及向量地址寄存器文件。3、在支持双向量Load/Store向量访存流水线的基础上,设计实现了GSVM访存流水线,包括指令译码、地址计算、访存仲裁和数据同步整理等流水站。设计采用访存请求分流的方式,有效解决了16个VPE的Gather/Scatter访存冲突问题,提高了不规则数据访存的带宽效率。4、完成GSVM部件的代码设计,基于SystemVerilog搭建了模块级验证平台完成模块级功能验证,采用断言实现设计和参考模型结果的比对,完成代码覆盖率统计,结果达到了设计目标。5、通过运行多组稀疏矩阵向量乘测试集对GSVM进行性能评估,实验结果表明GSVM相比常规的向量存储器,加速比可达2～3倍以上,能显著提升系统性能。最后基于某厂家40nm工艺、0.54ns的时钟周期约束,对GSVM进行逻辑综合,结果满足时序约束,总面积比原来增加了22%。

关键词： SIMD DSP Gather/Scatter 向量随机访存访存冲突

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多核Cache稀疏目录性能提升方法综述

计算机工程与科学 2019年第3期41卷 385-392页

作者：吴健虢陈海燕刘胜邓让钰陈俊杰国防科技大学计算机学院湖南长沙410073

受限于功耗,十多年前通用微处理器就停止追求更高的主频转而向集成更多处理器核的方向发展;同时,随着晶体管密度按摩尔定律不断提高,单片可集成的处理器核数成倍增长,片上多核、众核处理器已成为高性能微处理器发展的主流。未来千核级... 详细信息

受限于功耗,十多年前通用微处理器就停止追求更高的主频转而向集成更多处理器核的方向发展;同时,随着晶体管密度按摩尔定律不断提高,单片可集成的处理器核数成倍增长,片上多核、众核处理器已成为高性能微处理器发展的主流。未来千核级通用众核处理器支持共享存储编程模型是一种必然趋势,但传统的Cache一致性目录结构面临着查找延迟高、目录项替换频繁以及硬件代价和功耗可扩展性有限等问题。稀疏目录实现了传统目录结构硬件开销与一致性维护效率的折衷,被认为是众核处理器维护Cache一致性的一种高能效、可扩展结构。综述了近年来提高稀疏目录性能的相关研究与方法,并对其在面积、访问延迟、功耗和实现复杂性等方面进行分析,归纳出这些方法各自的优点和存在的不足,对创新设计未来高性能众核处理器共享存储体系结构具有一定的参考价值。

关键词：单片多核 Cache一致性稀疏目录相联度可扩展

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结点可扩展的哈夫曼编码电路的设计与实现

结点可扩展的哈夫曼编码电路的设计与实现

第二十一届计算机工程与工艺年会暨第七届微处理器技术论坛

作者：吴健虢陈海燕安天乐黄成龙雷元武陈俊杰湖南省长沙市国防科技大学计算机学院

哈夫曼编码作为一种数据压缩率较高的变长无损压缩编码,在图像处理和数据传输等方面具有非常重要的应用。哈夫曼编码算法软件实现相对成熟,但其运算速度慢,难以满足日益增长的数字信号处理需求。因此,借助FPGA等硬件方法,实现哈夫曼编... 详细信息

哈夫曼编码作为一种数据压缩率较高的变长无损压缩编码,在图像处理和数据传输等方面具有非常重要的应用。哈夫曼编码算法软件实现相对成熟,但其运算速度慢,难以满足日益增长的数字信号处理需求。因此,借助FPGA等硬件方法,实现哈夫曼编码算法的硬件加速具有重要意义。本文基于哈夫曼编码算法原理提出了一种结点可扩展便于硬件实现的哈夫曼编码电路结构,能以较低的硬件开销实现较高的哈夫曼编码性能。设计采用流水分站的并行全比较算法实现叶子结点权重排序,引入一维数组结构记录哈夫曼树的各结点信息,分别采用结点权重由小到大和自顶向下方式实现哈夫曼树的构建和编码,提高了编码效率。最后基于Xilinx的XC7A100TCSG324C器件设计实现了支持10个叶子结点可扩展的哈夫曼编码电路,分析了其性能和硬件开销,并针对不同应用需求提出算法优化和改进策略。

关键词：哈夫曼编码排序结点权重可扩展

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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混凝土结构疲劳损伤全过程模拟的加速算法

同济大学学报（自然科学版） 2024年第11期52卷 1649-1657页

作者：虢成功李杰同济大学土木工程学院上海200092 同济大学土木工程防灾全国重点实验室上海200092

基于混凝土随机疲劳损伤本构模型改进了循环跳跃加速算法。将外推变量从损伤变量修改为累积耗能变量,研究了跳跃阈值和外推方式对加速算法计算结果的影响。当选取合适的跳跃阈值时,可以利用较少的逐步计算结果获得更为精确的外推变量信... 详细信息

基于混凝土随机疲劳损伤本构模型改进了循环跳跃加速算法。将外推变量从损伤变量修改为累积耗能变量,研究了跳跃阈值和外推方式对加速算法计算结果的影响。当选取合适的跳跃阈值时,可以利用较少的逐步计算结果获得更为精确的外推变量信息,使得混凝土疲劳损伤全过程模拟具有更高的精度和更小的计算成本。最后,采用改进加速算法对受压素混凝土梁进行疲劳损伤全过程模拟。结果表明,改进加速算法可以准确高效地模拟混凝土结构的疲劳破坏全过程。

关键词：混凝土损伤本构模型疲劳损伤加速算法

考虑应变率效应的混凝土随机损伤本构模型研究

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力学学报 2022年第12期54卷 3456-3467页

作者：虢成功李杰同济大学土木工程学院上海200092

混凝土材料组分复杂且具有随机分布的特点,其受力力学行为不可避免地存在非线性和随机性.同时,在动力荷载作用下,混凝土材料具有不可忽视的率敏感性.为了综合反映混凝土受力力学行为中的非线性、随机性与率敏感性,本文从对材料的纳-微... 详细信息

混凝土材料组分复杂且具有随机分布的特点,其受力力学行为不可避免地存在非线性和随机性.同时,在动力荷载作用下,混凝土材料具有不可忽视的率敏感性.为了综合反映混凝土受力力学行为中的非线性、随机性与率敏感性,本文从对材料的纳-微观裂纹扩展分析入手,引入速率过程理论描述纳观裂纹的扩展速率,并研究了对应的能量耗散过程.在此基础上通过裂纹层级模型将纳观分析推演到微观尺度,建立了微观能量耗散的基本表达式.进而与微-细观随机断裂模型相结合,形成了混凝土纳-微-细观随机损伤本构模型.同时,基于速率相关势垒的分析,揭示了动力强度的提高源自加载速率和原子键断裂速率的竞争机制.据此,假定微裂纹间相互作用与应变率比值的相关关系以建立微弹簧能量耗散速率与应变率的联系,实现了从静力本构模型向动力本构模型的扩展.数值算例表明,建议模型能够同时反映混凝土材料力学行为中的非线性、随机性和率敏感性.最后通过与相关试验结果的对比,验证了建议模型的正确性.

关键词：混凝土本构模型随机损伤应变率效应

机械臂的自适应径向基函数神经网络双二次泛函最优控制

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控制理论与应用 2020年第1期37卷 47-58页

作者：廖列法杨翌虢江西理工大学信息工程学院

针对非线性机械臂系统中难以权衡控制能量与控制误差比重的最优控制问题,本文提出一种基于自适应径向基函数(RBF)神经网络二阶段叠加优化的双二次泛函最优求解模型,实现在非线性机械臂控制系统中用不大的控制能量来保持较小的控制误差... 详细信息

针对非线性机械臂系统中难以权衡控制能量与控制误差比重的最优控制问题,本文提出一种基于自适应径向基函数(RBF)神经网络二阶段叠加优化的双二次泛函最优求解模型,实现在非线性机械臂控制系统中用不大的控制能量来保持较小的控制误差的综合最优控制.在本文所提模型中,首先设计一种线性误差函数,作用于非线性控制方程,并采用自适应RBF网络逼近非线性控制方程中存在的不确定项,构成闭环反馈系统,实现对非线性系统的最优控制;其次,将待求参数复合成双二次泛函的解域,并设计一种新型的类递归神经网络求解该带约束条件的双二次型模型,实现模型求解的快速收敛并得其解.通过理论分析及数值仿真实例验证了所提模型能有效提高非线性系统的控制精度、稳定性、鲁棒性及自适应性,从而实现非线性系统的综合最优控制.

关键词：自适应控制径向基函数网络最优泛函多关节机械臂

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基于多幅深度图像的三维重构技术

华中科技大学学报（自然科学版） 2008年第2期36卷 88-91页

作者：章勤虢伟华中科技大学计算机科学与技术学院湖北武汉430074

提出基于多幅深度图像的三维重构方法.采用6幅固定视点采样图像,分别代表三维空间中立方体包围盒的6个面;通过对这些二维的采样集合进行三维信号还原,生成一个空间采样样本,可以在视点任意改变的情况下,输出近似的重构图像.该方法由于... 详细信息

提出基于多幅深度图像的三维重构方法.采用6幅固定视点采样图像,分别代表三维空间中立方体包围盒的6个面;通过对这些二维的采样集合进行三维信号还原,生成一个空间采样样本,可以在视点任意改变的情况下,输出近似的重构图像.该方法由于采样集合固定,经过采样集筛选,背景剔除筛选和棱台视锥体裁减后,可以极大减少待变换的样本集合,采用z-buffer算法解决图像折叠问题.当视点在采样点附近任意变换时,可以重构出比较满意的结果,而且该方法与场景复杂度无关.在纯软件模式下在普通PC机上达到20帧/s的速度,在通过硬件加速情况下可以达到30帧/s.

关键词：多幅深度图像三维重构立方体固定采样筛选场景复杂度

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特大跨径钢桁梁悬索桥静载试验

长安大学学报（自然科学版） 2020年第6期40卷 67-76页

作者：虢曙安湖南省交通科学研究院有限公司湖南长沙410015

为准确掌握特大跨径钢桁梁悬索桥在服役荷载作用下的力学性能与工作状态,判断其是否达到设计预定目标,以主跨跨径1 480 m的杭瑞高速公路(杭州—瑞丽)岳阳洞庭湖大桥为工程背景,通过实桥静载试验及理论分析,研究特大跨径钢桁梁悬索桥在... 详细信息

为准确掌握特大跨径钢桁梁悬索桥在服役荷载作用下的力学性能与工作状态,判断其是否达到设计预定目标,以主跨跨径1 480 m的杭瑞高速公路(杭州—瑞丽)岳阳洞庭湖大桥为工程背景,通过实桥静载试验及理论分析,研究特大跨径钢桁梁悬索桥在静力荷载作用下结构的整体力学行为。首先,明确活载非线性效应以及温度变化对桥梁力学行为的影响;其次,为了提高加载试验效率,在保证所有试验项目的荷载效率系数ηq均满足《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J20-01—2015)要求(即0.8≤ηq≤1.05)的前提下,筛选出8个静载试验加载工况;最后,揭示了加载车辆最多的组合工况分级加载下的主塔偏位、主缆挠度、钢桁梁挠度、主缆索股力、吊索索力、索塔塔脚截面应变与梁端纵向位移的变化规律,并详细对比了试验结果与数值模拟结果。研究结果表明:对于该特大跨径钢桁梁悬索桥,在相当于4倍车道荷载作用下,分别按线性二阶理论及非线性理论算得的塔偏误差(君山侧)最大,为3.39%,基于线性二阶理论引入影响线概念进行活载效应的叠加计算仍然适用;在最大车辆加载的工况下,主塔偏位、主缆挠度、钢桁梁挠度、主缆索股力(应变)的实测值与理论值的比值变化范围分别为0.75~0.80、0.65~0.97、0.58~0.96、0.78~0.88之间,最大相对残余值分别为0.04、0.09、0.1与0.04,均满足规范要求,主桥结构具有良好的整体受力性能和较大的强度安全储备。该桥研究结果可为特大跨径钢桁梁悬索桥力学性能的研究提供较好的数据支撑。

关键词：桥梁工程钢桁梁悬索桥成桥静力特性有限元分析静载试验

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熔融碳酸盐燃料电池容阻特性建模与仿真

中国电机工程学报 2009年第29期29卷 96-101页

作者：刘爱虢翁一武动力与机械工程教育部重点实验室(上海交通大学) 上海市闵行区200240

基于守恒原理和热力学特性,建立熔融碳酸盐燃料电池一维分布参数模型。建模中考虑质量、动量、能量和组分守恒原理以及电化学特性,考虑气体特性沿电池长度方向的变化,能反映燃料电池的分布参数特性。应用容阻建模和集总–分布参数方法,... 详细信息

基于守恒原理和热力学特性,建立熔融碳酸盐燃料电池一维分布参数模型。建模中考虑质量、动量、能量和组分守恒原理以及电化学特性,考虑气体特性沿电池长度方向的变化,能反映燃料电池的分布参数特性。应用容阻建模和集总–分布参数方法,将所建立的复杂偏微分方程组转化为常微分方程组,避免压力和流量的迭代计算,可满足实时动态仿真需求。利用该模型分析了熔融碳酸盐燃料电池稳态和动态特性。结果表明,这种建模方法是可行的,可用于熔融碳酸盐燃料电池的性能仿真。

关键词：熔融碳酸盐燃料电池容阻特性建模集总-分布参数方法动态特性