基于片上系统的可配置卷积神经网络加速器的设计与实现

针对现阶段卷积神经网络(CNN)加速器的设计只能部署在单一现场可编程门阵列(FPGA)平台、不支持硬件平台升级迭代的问题,设计了一种基于片上系统(SoC)的可配置CNN加速器。该加速器具备以下2个特点:(1)在电路设计中将数据位宽、中间缓存空间大小、乘法器阵列(MAC)并行度作为一种可选配置参数,通过调整资源使用量,使得该加速器能够适配不同FPGA硬件;(2)提出了动态数据复用的策略,通过对比数据传输过程中不同复用方式下的总参数量差异,动态地选择复用方法,以减少数据传输的等待时间,提高乘法器阵列利用率。该方案在ZCU104板卡上进行了实验,实验结果表明,当数据位宽选择8、乘法器阵列并行度选择1024、核心运算模块工作在180 MHz时,卷积运算阵列峰值吞吐量为180 GOPs,功耗为3.75 W,能效比达到47.97 GOPs·W^(-1),对于VGG16网络,其卷积层的平均乘法器阵列利用率达到84.37%。

一种基于三角数分解的可配置2-D卷积器优化方法

多尺寸2-D卷积通过特征提取在检测、分类等计算机视觉任务中发挥着重要作用。然而,目前缺少一种高效的可配置2-D卷积器设计方法,这限制了卷积神经网络(CNN)模型在边缘端的部署和应用。该文基于乘法管理以及奇平方数的三角数分解方法,提出一种高性能、高适应性的卷积核尺寸可配置的2-D卷积器。所提2-D卷积器包含一定数量的处理单元(PE)以及相应的控制单元,前者负责运算任务,后者负责管理乘法运算的组合,二者结合以实现不同尺寸的卷积。具体地,首先根据应用场景确定一个奇数列表,列表中为2-D卷积器所支持的尺寸,并利用三角数分解得到对应的三角数列表;其次,根据三角数列表和计算需求,确定PE的总数量;最后,基于以小凑大的方法,确定PE的互连方式,完成电路设计。该可配置2-D卷积器通过Verilog硬件描述语言(HDL)设计实现,由Vivado 2 022.2在XCZU7EG板卡上进行仿真和分析。实验结果表明,相比同类方法,该文所提可配置2-D卷积器,乘法资源利用率得到显著提升,由20%~50%提升至89%,并以514个逻辑单元实现1 500 MB/s的吞吐率,具有广泛的适用性。

基于解耦方法的可配置MIPS微处理器设计

传统固定功能微处理器的设计是为了满足通用应用的需求,因此可能无法充分适应特定领域或特定任务的要求,缺乏灵活性,所以在某些特定任务下,提供的不是最优的性能。针对该问题,本文设计了一种可配置的微处理器,通过模块解耦的方法选择是否添加CP0相关模块的微处理器架构,使该微处理器在是否可以实现异常指令、特权态指令两种架构中进行切换,并且可以优化资源利用、降低功耗和减少成本。同时,可以广泛地应用在使用轻量级微处理器的场景中。

可配置化卫星电子学半物理仿真系统设计与实现

为提高商业卫星星务软件的研制效率,减少卫星部件产品研制进度对整星软件开发的影响,便于卫星批量研制生产,提出一种可配置化卫星电子学半物理仿真系统设计。该电子学仿真系统由中心计算机、通信接口部分、星上电子学单机仿真部分和系统测试部分组成,利用可配置化、通用化、高集成化和模块化设计思想,开发具有可配置化特点的中心计算机、灵活可配置多功能特点的星上电子学单机仿真模拟器、可重构的通信接口和智能化系统测试接口,集成一套可配置化卫星电子学仿真系统。以此仿真系统进行星务软件的开发测试实验,结果表明,该系统能够为整星提供半物理仿真实验数据,满足不同型号卫星星务软件的研制需求,同时具备接入实物单机进行仿真测试功能。该电子学仿真系统能够提高星务软件的研制效率,有利于卫星批量生产,具有重要的工程研制意义。

无人机集群组网中可配置多级流表的设计与实现

无人机集群的相关应用正在民用与军事领域快速发展。针对无人机集群自组织网络的应用需求,提出了一种将软件定义网络的方式与无人机集群组网结合的思路,并且在多级流表的设计基础上进一步提出了关键字段可配置多级流表的方案。该方案既可以解决硬件配置多级流表不易更改的问题,又可以满足分类并查找网络中多数不同类型业务流的需求,便于为业务流的转发提供更好的服务质量。设计的可配置多级流表在基于Xilinx ZYNQ-7100的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)平台上进行了仿真与实现,仿真结果表明该电路可以灵活配置流表的匹配字段,达到了设计预期。

基于图纸反写的二维可配置参数化设计技术

在物流装备制造业中,由于产品应用场景的多样化,其结构设计(如输送设备长度、宽度、高度等)有着较高的参数化设计要求。目前参数化设计在三维机械结构设计领域有较广泛的应用,可通过输入参数快速生成对应尺寸规格的产品。但这种设计需以完整的三维模型及预先配置的设计逻辑为前提,对设计制造企业原始数模数据和人员素质要求较高。本文结合物流装备制造业的实际业务,提出一种基于二维图纸的可配置参数化设计方法,结合自研图纸反写技术快速自动输出生产图,有效降低了传统物流装备制造业参数化设计转型的门槛与难度。

一种可配置Viterbi译码器的设计

为了满足数字通信中不同通信标准的变化,设计了一种支持多标准的Viterbi译码器。该译码器支持1/2、1/3、1/4三种不同的码率、3-9的约束长度和任意约束多项式的通信标准。为了实现多标准的译码,在加比选单元增加了数据选择器,回溯单元采用了滑窗回溯译码。译码器支持无符号数的输入,简化了欧几里得距离的计算方式。针对状态度量值不断增大的问题,增加了状态度量值防溢出的设计。基于55nm工艺进行逻辑综合,译码器的面积为0.35mm2,250MHz工作频率下,功耗为57.33mW。通过Matlab模拟通信过程中的噪声干扰,结果表明,该译码器在支持不同通信标准译码的同时,纠错能力优于传统译码器。

一种可配置带保护的模拟电压输出设计方案

面向不同传感器及做动器的模拟电压需求多元化,研究了基于微控制器、D/A转换电路、保护电路等的可配置带保护的模拟电压输出设计方案。通过对D/A转换电路及调理电路的研究,使得系统具备连续电压输出能力,并有较高的输出精度,通过对保护电路的研究,使得在接口过流等情况下可切断输出,实现过流保护。最后经过实际电路测试,该方案能够实现高精度的可配置模拟电压输出,并具备过流保护的能力。

可配置的自然资源巡查系统的设计与实现

针对日常自然资源巡查工作,需要对空间数据进行属性更新,结合各种巡查工作存在共同特性,为了方便数字化巡查管理,提出可配置的自然资源巡查系统设计方法并开发实现。系统使用开源地理信息技术集成,实现了可配置的公共功能,可针对某项巡查工作快速配置数据,减少重复开发工作。系统目前已经应用于农作物调查、基准站巡查工作中,可减少人力成本,实现数字化管理,有效为自然资源巡查工作提供支撑保障。

基于软件可配置电源模块的智能直流电源管理系统

智能直流电源管理系统是一种基于软件可配置电源模块的系统,它能够对直流电源进行有效的管理和控制。这个系统可以被广泛应用于各种领域。本文提出了一种灵活智能的直流电源管理系统,该系统基于相同的数字控制双向直流-直流模块,可以对其进行编程配置,以实现简单的系统设计和可用资源的优化使用。然后,由多个5kW双向直流-直流模块组成的实验直流电源管理系统上,验证了所提出方法的有效性,多个模块通过220V直流总线运行。

一种新型高抗辐照可配置SOI器件技术

本文介绍了一种新型的高抗辐照可配置SOI(configurable-SOI,CSOI)器件技术。CSOI器件在制备完成后,可以通过改变配置层电压,实现对总剂量辐照引起的性能退化进行补偿、对单粒子引起寄生晶体管放大进行抑制,从而提升器件的抗辐照性能。基于CSOI工艺,研制出了高抗辐照4kb SRAM验证芯片。辐照实验证实,该芯片的抗总剂量水平达到6 Mrad(Si)、单粒子翻转阈值大于118(MeV·cm^(2))/mg,达到国际先进水平,有望应用于深空探测、核应急等极端领域。

可配置的仪器菜单系统

电子测量仪器的门类和品牌均呈现多样化趋势,同时用户对仪器的使用场景和操作习惯也不同,仪器的菜单系统无法做到普适性,当菜单设计不符合用户预期时,会导致人机交互体验不佳,测量效率低下,并且由于菜单系统固化,用户无法修改菜单。文章提出了一种可配置的仪器菜单系统,仪器可以根据用户配置,动态生成个性化的菜单系统,从而符合用户的使用习惯,提升测量效率和使用体验。

基于MCIMX6Q6AVT10AC的可配置神经网络硬件设计

当前硬件在不同环境下适应性较差,为此需要提高硬件的运行性能,文章提出基于MCIMX6Q6AVT10AC的可配置神经网络硬件设计研究。将STMicroelectronics的ARM微控制器STM32F429BI作为硬件的MCIMX6Q6AVT10AC微处理器,在硬件电源管理方面集成线性调节器,以实际引脚输入/输出电源状态为基础在硬件内部生成不同区域的电压水平。为满足MCIMX6Q6AVT10AC为核心硬件的可配置需求,本研究设置了具有交织模式的16位、32位和64位3种模态内存接口以及辅助驱动装置。测试结果表明,设计硬件运行期间的正峰值衰落和负峰值衰落程度分别为8.94%和8.89%,每个周期内相位峰值失真小于15 mV,能够满足相关规范要求。

低功耗可配置CIC滤波器设计

针对超大规模集成电路的发展以及无线射频芯片中带宽可变的需求,提出一种低功耗可配置级联积分梳状(Cascade Integral Comb, CIC)滤波器结构。该结构采用半字节串行算法优化ASIC电路内部位宽,借助多路复用技术减少运算逻辑和存储逻辑单元,并在增益校正部分采用正则有符号数(Canonic Signed Digit, CSD)编码乘法代替全位宽二进制补码乘法,从而实现低功耗目的。信道带宽配置模块选取CIC滤波器采样因子,实现带宽可变功能。通过MATLAB Simulink搭建抽取滤波器模型以验证算法可行性,并采用verilog HDL完成代码设计,仿真结果表明该滤波器可实现2~16倍下采样。基于65 nm COMS标准单元工艺库进行DC综合和ASIC版图设计,与传统CIC滤波器比较,数字电路在功耗方面具有显著优势。

反熔丝FPGA可配置I/O端口可测性设计研究

反熔丝FPGA在生产阶段不能通过编程后测试对电路进行筛选,必须通过编程前测试来解决生产测试问题。在研究反熔丝FPGA多标准可配置I/O端口电路结构的基础上,提出了一种用于可配置I/O端口的可测性设计(DFT)方案,在可配置I/O端口中插入软配置电路和边界扫描链,实现对可配置端口的临时配置和扫描测试,覆盖所有支持的电平标准及各种可配置I/O功能。仿真及测试结果表明,该DFT能够满足反熔丝FPGA多标准可配置I/O端口的测试需求,能够解决可配置I/O在生产中的测试问题。

基于C#与XML的多通道射频模块可配置通用组批自动测试系统设计

以往采用定制化开发自动测试系统的方式,来满足不同类型多通道射频模块组批测试需求,该方式存在重复开发,自动测试能力建设效率低的问题。本文设计了一种基于C#与XML的多通道射频模块可配置通用组批自动测试系统。该系统的硬件部分采用标准模块化组件,以适应单工位对不同台套数、不同通道数的不同类型待测设备进行测试。软件部分基于C#编译环境,结合XML格式的配置文件,以可配置的方式设计,实现了通用性和可拓展性。经过实际在产线使用证明,该系统具有配置过程简单和通用性强的优点,使用该系统可将自动测试系统的开发周期缩短70%以上,快速响应自动化能力建设需求。

一种带DMA功能的I/O可配置I^(2)C总线接口的设计

为了利用DMA可以快速移动数据,不需要CPU任何操作来减轻MCU的工作量,并使得接口模块的每个引脚可以根据需求编程为I^(2)C引脚或通用输入输出引脚,介绍了一种带DMA功能的I/O可配置I2C总线接口设计。对I^(2)C总线的基本原理、I^(2)C模块总体结构、DMA功能和I/O可配置功能的设计实现进行了介绍。对该接口设计进行了功能仿真,分析表明实现了I^(2)C接口DMA功能和I/O可配置功能两种模式下的数据传输,完全满足设计要求。

一种可配置的模拟量采集电路架构设计

在常用模拟量采集电路的基础上,提出了一种采集范围和采集模式可配置的模拟量采集电路,在接口复用的情况下,可同时满足用户对差分电压和单端电压、小电压采集及大电压采集的需求,从而大大降低模拟量采集电路的空间占用,提高了产品的通用性。

一种低延时可配置FFT加速器的设计与实现

本文对基-2 FFT算法进行了改进,采用并行流水线结构,设计实现了一种低延时可配置的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)加速器。提出了一种新型“二分法”频率抽取的方法,按FFT运算顺序抽取数据,减少了等待时间;优化每一级FFT运算存储单元数量及旋转因子存储方式,降低了存储资源需求。基于Verilog语言完成FFT加速器的设计,采用Matlab和Modelsim完成数值计算和仿真验证,仿真结果与计算结果一致。加速器支持可配置采样点数作为输入进行运算,在时钟频率为200MHz时,完成一次1024点复数FFT运算仅需2.65μs。

支持多协议的可配置通信引擎设计

针对国内对于专用通信引擎的研究空缺,实现了一种支持多协议的可配置通信引擎设计,并以典型的数据链路层协议——高级数据链路控制(High 1evel Data Link Control,HDLC)协议的引擎块实现为例,采用System Verilog搭建仿真平台,通过C语言编写测试case,以回环验证的方式保证设计正确性。可配置引擎块以自研RSIC核为核心,采用AHB总线互连,内部集成HDLC、UART等通信协议以及DMA、TDM、GPIO等通用外设,实现通信协议的处理及数据传输,有助于解放处理器负载,提高数据处理效率,同时将HDLC与可配置通信引擎相结合,解决了多路信号的HDLC对处理器资源的占用率高等问题。