基于多类型运算单元的动态可重构基带处理架构与电路设计方法研究

论文摘要

伴随着半导体技术的革新,通信技术也得到了飞速的发展。随着数据传输率的不断提高,各种新标准的不断涌现,以及近年来软件无线电、认知无线电等概念的提出,通信系统中这种多模多标准共存的趋势还将持续相当长的一段时间。针对迅速增长的多模基带处理能力的需求,以及对通信终端性能越来越高的要求,各个研究机构和工业界都在寻求一种能够实现多种基带算法的高性能、高灵活性的处理架构。动态可重构处理架构由于其高效、灵活性的特点,正受到了越来越多的重视。它的架构特点,使其可以从根本上解决通信系统灵活性与高性能并存的需求,是一个非常有前瞻性与挑战性的课题。通过动态可重构处理架构的研究现状分析,我们发现,在特定的应用领域内,如图像处理、硬件加密、通信基带等,异构的动态可重构处理架构已经成为了一种趋势。但在架构中基本可重构运算单元的设计上,文献中缺乏对特定应用领域需求和运算特点的分析,因此其结构设计不具有针对性。其次,异构的可重构处理架构由于结构中其基本可重构运算单元的不对称性,为重构信息的压缩与发送、以及片上互联结构带来了一定的设计复杂性。再者,在动态异构可重构处理架构中,相对应的软件辅助工具与设计方法尚不成熟。论文从对基带数字信号处理算法类型的分析着手,通过对两个典型宽带通信系统——正交频分复用(OFDM)系统和扩频系统的分析,研究了一些常用的基带数字信号处理算法,并从运算类型、操作数类型等方面总结归纳了算法特点。接着,论文对基于多类型运算单元的动态可重构处理架构进行了研究。论文根据基带数字信号处理算法所归纳出的几种运算类型,有针对性地提出了四种可重构运算单元的电路结构,作为架构中的主要运算模块。在此基础上,提出了种基于多类型运算单元的动态可重构处理架构,在全局使用了多种可重构运算单元,每个可重构运算单元内使用同构的簇结构。这种系统结构与同构的架构相比,能够同时在时间和空间上进行延拓复用.具有较高的资源利用效率、较大的灵活性、以及较高的运算能力。在整体架构基于任务划分,以及对架构中模块进行分层次抽象的思想下,本论文提出了一种用于异构可重构处理架构的重构信息发送引擎,为动态可重构提供硬件基础,并根据异构架构的结构特点,对主控部分以及全局互联进行了研究。此外,本论文对针对该动态可重构处理架构的软件辅助工具链进行了研究。在基于任务划分的整体架构设计思想下,阐述了软件辅助工具链的设计思想与构成,分别对硬件自动生成工具、算法软件库建立工具、二进制代码生成工具、任务分配调度与VLIW指令生成工具进行了研究,使动态可重构处理平台同时具有在综合前和在综合后的可重构性。并在此基础上,研究了在基于多类型运算单元的动态可重构架构上进行系统设计的方法,能够进行快速系统定制,以及方便地完成算法、协议在架构上的映射实现。最后,本论文在基于多类型运算单元的动态可重构处理架构上映射实现了几个设计案例,从系统和应用灵活性的角度进一步验证了动态可重构处理架构的正确性与有效性。通过IEEE 802.11a/g (OFDM系统)和IEEE 802.11b/g(扩频系统)的物理层协议的映射,对第2章中进行基带算法分析的两种系统作了验证。通过一种基于OFDM认知无线电中的广泛应用的多零输入/输出点FFT变换分解算法——Transform Decomposition的映射,说明了本论文提出的多类型运算单元的动态可重构处理架构具有很好的可重构性,并不仅适用于第2章中分析的算法。此外,通过对协议切换所需重构时间的分析,进一步说明了架构的动态重构特性。

论文目录

• 目录
• 主要英文缩略词及中英对照表
• 图片目录
• 表格目录
• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 概述
• 1.1.2 传统解决方案及其局限性
• 1.1.3 可重构架构的概念与特点
• 1.1.4 可重构架构计算模式的特点
• 1.2 动态可重构处理结构的研究现状
• 1.2.1 细颗粒度与粗颗粒度的动态可重构处理架构
• 1.2.2 同构与异构的动态可重构处理架构
• 1.2.3 动态可重构处理架构中的软件环境
• 1.2.4 动态可重构处理架构研究现状总结
• 1.3 论文的立题依据与研究方法
• 1.3.1 论文的立题依据
• 1.3.2 论文的研研究方法
• 1.4 论文的组织结构与创新点
• 1.4.1 论文的组织结构
• 1.4.2 论文的创新点
• 参考文献
• 第2章 基带信号处理算法分析与抽象
• 2.1 正交频分复用系统
• 2.1.1 加扰与解扰
• 2.1.2 卷积编码与Viterbi解码
• 2.1.3 交织与解交织
• 2.1.4 数字调制
• 2.1.5 IFFT/FFT
• 2.2 扩频系统
• 2.2.1 CRC校验与扰码
• 2.2.2 扩频调制
• 2.2.3 扩频解调
• 2.2.4 PN序列的产生
• 2.3 基带信号处理算法类型归纳与分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第3章 动态可重构处理架构与电路设计方法研究
• 3.1 动态可重构处理架构的设计思想
• 3.2 动态可重构处理架构的整体设计概述
• 3.3 可重构运算核的结构设计与电路实现研究
• 3.3.1 可重构算术运算单元RAU
• 3.3.2 可重构逻辑运算单元RLU
• 3.3.3 可重构比特串行运算单元BSU
• 3.3.4 可重构累加与数值比较运算单元AAU
• 3.3.5 可重构运算单元的本地存储与本地互联结构
• 3.4 主控部分的结构设计与电路实现研究
• 3.5 重构信息发送引擎的结构设计与电路实现研究
• 3.5.1 重构信息发送引擎的设计思想
• 3.5.2 重构信息发送引擎的结构设计与实现
• 3.6 全局互联的结构设计与电路实现研究
• 3.6.1 动态可重构处理架构中全局互联的设计思想
• 3.6.2 基于全互联的全局互联研究
• 3.6.3 基于双总线架构的全局互联研究
• 3.7 动态可重构处理架构的验证与性能分析
• 3.7.1 验证环境简述
• 3.7.2 动态可重构处理架构中各基本功能单元的ASIC综合结果
• 3.7.3 基带数字信号处理中典型算法的实现与性能分析
• 3.7.4 重构信息发送引擎的性能分析与比较
• 3.7.5 两种全局互联性能分析与比较
• 3.7.6 动态可重构处理架构的灵活性与性能比较
• 3.8 本章小结
• 参考文献
• 第4章 动态可重构处理架构软件辅助工具与系统设计方法研究
• 4.1 动态可重构处理架构中软件辅助工具链的设计思想
• 4.2 动态可重构处理架构中软件辅助工具链的构成
• 4.3 硬件自动生成工具的设计与实现方法研究
• 4.4 算法软件库建立工具的设计与实现方法研究
• 4.5 二进制代码生成工具的实现方法研究
• 4.6 任务分配调度及VLIW指令生成工具的实现方法研究
• 4.7 在基于多类型运算单元的动态可重构架构上进行系统设计的方法研究
• 4.7.1 动态可重构处理架构在综合前的系统设计方法
• 4.7.2 动态可重构处理架构在综合后的系统设计方法
• 4.8 软件辅助工具链的设计实例及性能评估
• 4.8.1 使用硬件设计工具自动进行系统集成的实例说明
• 4.8.2 使用算法软件库元素建立工具与二进制代码生成工具进行算法映射的实例说明
• 4.8.3 基带信号信号处理中一些算法的算法软件库元素性能分析
• 4.8.4 任务分配调度算法的改进对硬件资源利用率提高的分析
• 4.9 本章小结
• 参考文献
• 第5章 几个设计实例在该动态可重构处理架构上的映射实现
• 5.1 IEEE 802.11a/g物理层协议在动态可重构处理架构上的映射实现
• 5.1.1 IEEE 802.11a/g物理层协议概述
• 5.1.2 IEEE 802.11a/g物理层协议映射过程
• 5.1.3 系统性能分析
• 52 IEEE 802.11b/g物理层协议在动态可重构处理架构上的映射实现
• 5.2.1 IEEE 802.11b/g物理层协议概述
• 5.2.2 IEEE 802.11b/g物理层协议映射过程
• 5.2.3 系统性能分析
• 5.3 应用于认知无线电的多零输入/输出点的FFT算法在动态可重构处理架构上的设计实现
• 5.3.1 基于OFDM技术的认知无线电背景概述
• 5.3.2 多零输入/输出点IFFT/FFT的算法概述
• 5.3.3 在动态可重构处理架构上映射Transform Decomposition算法
• 5.3.4 系统性能分析
• 5.4 协议切换所用重构时间分析
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 论文展望
• 博士在读期间所取得的研究成果
• 博士在读期间发表论文情况
• 博士在读期间专利中请情况
• 致谢