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现场可编程逻辑门阵列（FPGA）技术的应用研究

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现场可编程逻辑门阵列（FPGA）技术的应用研究

作者：白冰洋西北工业大学

学位级别：硕士

随着电子技术的飞速发展,工业生产和日常生活中的智能设备日益增多,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快,对... 详细信息

随着电子技术的飞速发展,工业生产和日常生活中的智能设备日益增多,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快,对设计开发提出了更高的要求。现场可编程逻辑门阵列(FPGA)具有开发周期短、成本小、风险低和现场可灵活配置等优点,可以在更短的时间实现更复杂的功能,使得基于FPGA的开发平台的研究成为工业界和学术界日益关注的问题。基于FPGA的高集成度、高可靠性,可将整个设计系统下载于同一芯片中,实现片上系统,从而大大缩小其体积,因此以FPGA为代表的可编程逻辑器件应用日益广泛。在国外,FPGA技术发展与应用已达到相当高的程度;而在国内,FPGA技术发展仍处在起步阶段,与国外相比还存在较大的差距。本文提出了一种FPGA通用接口开发平台的设计思路,研制了一种FPGA快速实验开发装置,对研制过程中遇到的软、硬件问题加以归纳总结,提高了系统运行效率。分别研究了基于FPGA器件Altera公司的FLEX6000的字符型LCD、PC机ISA总线,基于FLEX10K的图像点阵型LCD、PC机PCI总线接口中。最后通过一个通用实验装置系统的设计和实现,综合上述应用,介绍了FPGA实验系统的软件开发环境,实现了基于FGPA的交通信号灯逻辑控制和电子钟,研究了FPGA技术在通用接口控制器设计中的应用。

关键词：现场可编程逻辑门阵列通用接口开发平台实验装置系统

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基于现场可编程逻辑门阵列的超声波管道测厚

北京化工大学学报（自然科学版） 2012年第4期39卷 106-110页

作者：陈忠元陈娟邵芬红北京化工大学信息科学与技术学院北京100029 北京化工大学北方学院河北燕郊065201

根据超声波基本原理以及现场可编程逻辑门阵列(FPGA)技术设计了超声波测厚仪及超声波轮式探头,并且实现了基于FPGA的信号处理的软件编程。对管径φ139.7mm,标称壁厚h 7.72mm的标准样管的测量实验结果表明:本文所设计的系统可靠性好,抗... 详细信息

根据超声波基本原理以及现场可编程逻辑门阵列(FPGA)技术设计了超声波测厚仪及超声波轮式探头,并且实现了基于FPGA的信号处理的软件编程。对管径φ139.7mm,标称壁厚h 7.72mm的标准样管的测量实验结果表明:本文所设计的系统可靠性好,抗干扰能力强,测量精度高,测量误差小于0.1 mm。

关键词：超声波轮式探头现场可编程逻辑门阵列超声波测厚数字锁相环技术

用于下一代汽车专用集成电路(ASIC)的嵌入式现场可编程逻辑门阵列(eFPGA)

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世界电子元器件 2020年第8期 12-14页

对于最近研究过新车的任何人来说,很难不注意到汽车电子产品的发展是多么的迅速。仅仅将三年前的汽车安全性技术与今天的技术进行对比,您就会发现摄像头数量已显著增加,以支持诸如全景可视、驾驶员注意力分散监测器、立体视觉摄像头、... 详细信息

对于最近研究过新车的任何人来说,很难不注意到汽车电子产品的发展是多么的迅速。仅仅将三年前的汽车安全性技术与今天的技术进行对比,您就会发现摄像头数量已显著增加,以支持诸如全景可视、驾驶员注意力分散监测器、立体视觉摄像头、前向摄像头和多个后视摄像头等应用。除了摄像头,系统功能也增强了,包括自动紧急制动、车道偏离警告、后方盲点检测和交通标志识别等。

关键词：现场可编程逻辑门阵列汽车电子产品汽车安全性车道偏离注意力分散立体视觉交通标志识别后视摄像

基于现场可编程逻辑门阵列的STM32单片机自动下载通用串行总线的设计

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信息记录材料 2022年第3期23卷 108-111页

作者：张君涵唐灏张玉华河海大学江苏常州213000

通常对STM32单片机的烧录方式有在系统编程(in-system programming,ISP)与在电路编程(in-circuit programmer,ICP)两种方式,而两种方式都需要安装特定驱动与专业软件的电脑执行,这无疑对受环境限制无法使用电脑或没有一定专业知识的用... 详细信息

通常对STM32单片机的烧录方式有在系统编程(in-system programming,ISP)与在电路编程(in-circuit programmer,ICP)两种方式,而两种方式都需要安装特定驱动与专业软件的电脑执行,这无疑对受环境限制无法使用电脑或没有一定专业知识的用户造成困扰。本项目利用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)和STM32协同开发一款可下载固件的通用串行总线(universal serial bus,USB)。受FOTA技术(固件更新技术)的启发,该项目把从电脑端编译好的二进制文件或十六进制文件通过STM32 hal库生成的虚拟USB下载到作为闪存(Flash)的W25Q64芯片里,通过STM32与FPGA的通信,把数据从Flash里取出,通过串口发送给FPGA,把FPGA作为随机存储器(Access Memory,RAM)实现数据流速度可调节的输出。

关键词：现场可编程逻辑门阵列通用串行总线自动下载

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基于现代硬件的并行内存排序方法综述

计算机学报 2017年第9期40卷 2070-2092页

作者：郭诚欣陈红孙辉李翠平吴天贞中国人民大学数据工程与知识工程国家教育部重点实验室北京100872 中国人民大学信息学院北京100872

研究了现代硬件上的并行内存排序方法,对其研究现状与进展进行了综述.首先简要阐述了经典排序算法以及排序网络的优缺点,分析其并行优化的适用性,然后从现代CPU处理器设备(多核、配备大内存)、图形处理器(GPU)、现场可编程逻辑门阵列(FP... 详细信息

研究了现代硬件上的并行内存排序方法,对其研究现状与进展进行了综述.首先简要阐述了经典排序算法以及排序网络的优缺点,分析其并行优化的适用性,然后从现代CPU处理器设备(多核、配备大内存)、图形处理器(GPU)、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)等新型处理器设备介绍现有排序方法的研究成果.处理器设备的架构不同,对排序算法的优化策略也不同,现代CPU主要利用线程的本地存储层次优化数据在存储单元中的排列,以减少访存次数及减少访存缺失,同时利用单指令多数据流技术(SIMD),以提高算法的数据级并行度;GPU则需要将多个线程组织成线程块,依靠共享内存提高线程块的访存速度,而在线程块内则使用单指令多线程(SIMT)技术提高线程的执行效率;FPGA则更靠近于硬件底层,受到自身的资源限制,FPGA的优化策略主要依靠硬件描述语言或高级综合语言优化电路的设计,提高资源利用率的同时增加FPGA的吞吐量.现有的成果表明,GPU的并行内存排序性能优于CPU端上的并行内存排序性能.作者最后对未来的研究方向进行了展望.

关键词：现代硬件处理器排序算法存储访问层次并行优化图形处理器现场可编程逻辑门阵列

基于FPGA硬件控制平台的单模光纤自适应耦合技术

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中国激光 2017年第4期44卷 176-183页

作者：黄冠耿超李枫李新阳中国科学院自适应光学重点实验室四川成都610209 中国科学院光电技术研究所四川成都610209 中国科学院大学北京100049

提出了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)硬件控制平台将空间激光耦合至单模光纤(SMF)的自适应耦合技术。将自适应光纤耦合器作为激光接收器件和像差校正器件,使用基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的FPGA硬件控制平台实现SMF端面对聚焦光... 详细信息

提出了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)硬件控制平台将空间激光耦合至单模光纤(SMF)的自适应耦合技术。将自适应光纤耦合器作为激光接收器件和像差校正器件,使用基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的FPGA硬件控制平台实现SMF端面对聚焦光斑的自适应跟踪,算法的双边迭代速率达到了3kHz。实验结果表明,该控制系统可补偿SMF接收端面最大约9μm的静态对准偏差(对应空间光束的最大可校正静态角偏差为600μrad),对于模拟大气湍流造成的耦合效率下降具有150Hz的校正带宽。

关键词：光通信自由空间激光通信单模光纤耦合自适应光纤耦合器现场可编程逻辑门阵列随机并行梯度下降算法

永磁同步电机全速范围无位置传感器控制及FPGA实现

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电机与控制学报 2020年第7期24卷 121-129页

作者：吴春陈子豪傅子俊浙江工业大学信息工程学院杭州310023 杭州士兰微电子股份有限公司杭州310012

针对高可靠性和对计算速度要求较高场合,提出一种采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)实现的永磁同步电机(PMSM)全速范围无位置传感器控制策略,包括电流闭环预定位、恒电流变频(I/F)启动、平滑切换策略和龙伯格状态观测器。电流闭环预定位... 详细信息

针对高可靠性和对计算速度要求较高场合,提出一种采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)实现的永磁同步电机(PMSM)全速范围无位置传感器控制策略,包括电流闭环预定位、恒电流变频(I/F)启动、平滑切换策略和龙伯格状态观测器。电流闭环预定位在定位阶段可以限制电流幅值,并采用I/F启动将PMSM拖动至一定转速后平滑切换至龙伯格状态观测器闭环控制,所述龙伯格状态观测器建立在估计直交轴坐标系的扩展反电动势模型上。所提策略全部采用Verilog硬件描述语言进行编程,并采用状态机思想,降低FPGA逻辑单元消耗。实验结果表明,在全转速范围内所提策略在额定负载启动、速度阶跃、突加突减负载等情况下,具有良好的动、静态性能。

关键词：永磁同步电机无位置传感器控制龙伯格状态观测器电流闭环预定位位置平滑切换现场可编程逻辑门阵列

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利用数据稀疏性的LSTM加速器设计

电子学报 2021年第2期49卷 209-215页

作者：高琛张帆高彦钊信息工程大学河南郑州450002

针对长短时记忆神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM)模型计算开销大、冗余计算较多的问题,本文提出一种利用输入数据稀疏性的LSTM加速器设计方案.本方案基于Delta网络算法,对输入序列的稀疏性进行构建,在避免数据不规则加载的前提下... 详细信息

针对长短时记忆神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM)模型计算开销大、冗余计算较多的问题,本文提出一种利用输入数据稀疏性的LSTM加速器设计方案.本方案基于Delta网络算法,对输入序列的稀疏性进行构建,在避免数据不规则加载的前提下,对冗余矩阵向量乘法运算进行过滤;针对矩阵向量乘法计算模式进行建模,寻找最高效的并行阵列计算架构设计.在MNIST标准数据集上的实验表明,当Delta网络算法的过滤门限不超过0.5时,LSTM神经网络算法检测准确率不变,计算性能提高了21.53倍.

关键词：长短时记忆神经网络现场可编程逻辑门阵列稀疏性矩阵向量乘法

面向处理器功能验证的硬件化System Verilog断言设计

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计算机研究与发展 2024年第6期61卷 1436-1449页

作者：张子卿石侃徐烁翔王梁辉包云岗处理器芯片全国重点实验室(中国科学院计算技术研究所) 北京100190 中国科学院大学计算机科学与技术学院北京100049 上海科技大学信息科学与技术学院上海201210 中国科学技术大学计算机科学与技术学院合肥230027

功能验证在处理器芯片开发流程中所占用的时间超过70%,因此优化提升功能验证环节的效率非常必要.软件仿真等传统验证方法提供了包括断言等多种验证机制,以提升验证的细粒度可见性和自检查能力,但是软件仿真运行速度较慢,在高效性方面有... 详细信息

功能验证在处理器芯片开发流程中所占用的时间超过70%,因此优化提升功能验证环节的效率非常必要.软件仿真等传统验证方法提供了包括断言等多种验证机制,以提升验证的细粒度可见性和自检查能力,但是软件仿真运行速度较慢,在高效性方面有明显不足.基于FPGA的硬件原型验证方法能极大地加速验证性能,但其调试能力较弱,虽能快速发现漏洞,但难以定位漏洞出现的具体位置和根本原因,存在有效性不足难题.为同时解决上述功能验证有效性与高效性的问题,提出一种将不可综合的断言语言SVA(SystemVerilog Assertion)自动转换成逻辑等效但可综合的RTL电路的方法,聚焦于断言这一类对设计进行非全局建模、纵向贯穿各抽象层级的验证方式,对基于全局指令集架构(instruction set architecture,ISA)模型的验证能力进行补足.同时,结合FPGA细粒度并行化、高度可扩展的优势,对处理器的验证过程进行硬件加速,提升了处理器的开发效率.实现了一个端到端的硬件断言平台,集成对SVA进行硬件化的完整工具链,并统计运行在FPGA上的硬件化断言的触发和覆盖率情况.实验表明,和软件仿真相比,所提方法能取得超过2万倍的验证效率提升.

关键词：断言处理器验证硬件仿真现场可编程逻辑门阵列原型验证