CN108762719A - 一种并行广义内积重构控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明的并行广义内积重构控制器,包括:中间结果计算模块,接收源数据并根据源数据计算中间结果向量,生成向量的地址,存入bank;每完成一个中间结果向量的计算生成一个完成信号,并将所述完成信号发送至最终结果计算模块,作为启动信号;最终结果计算模块,读数据进入复数乘累加器进行最终结果计算得到结果矩阵第L个元素,生成向量的地址,存入bank;数据存储地址处理模块,根据乒乓操作选择信号进行数据选择,生成正确的bank地址信号。有益效果:计算时间少且存储资源利用率大,可满足在许多信号检测应用场景中进行非均匀检测时,获取检验统计量的高实时性要求。
Description
技术领域
本发明属于非均匀检测技术领域,尤其涉及一种并行广义内积重构控制器。
背景技术
空时自适应处理(STAP)是一种对运动目标的检测技术。常规STAP算法中,必须进行杂波协方差矩阵估计。当利用二次数据进行杂波协方差矩阵的估计时,二次数据必须满足独立同分布的条件,才能减少性能损失。
在实际应用中,所检测到的信号回波不仅会被自然杂波污染,还会受到人为的非均匀干扰所污染,因此经常不满足独立同分布条件。
针对样本中的干扰目标,Melvin首先提出了非均匀检测器(NHD)的思想,通过剔除包含干扰目标的样本,来抑制其对杂波协方差矩阵估计的影响。NHD的基本思路为:根据被干扰目标污染的样本与其他样本统计特性的差异,设置相应的检验统计量来区分两种样本。
在NHD检验统计量选取方面,美国海军实验室Gerlach等人提出了广义内积(GIP)和自适应功率剩余两个准则。令XL表示初始样本中的第L个样本,则其对应的自相关矩阵表示为:其中T为杂噪协方差矩阵,令表示由L个样本组成的样本协方差矩阵,则每个样本对应的GIP值可表示为:根据每个样本对应的GIP值,可以有效剔除干扰目标。
广义内积非均匀检测方法对杂波的抑制能力与样本的数量大小有关,样本数量越大,杂波协方差矩阵数据越真实,其对杂波的抑制能力越强。软件上实现广义内积非均匀检测方法对大量样本进行计算时存在精度不高和运算时间过长的问题,以满足实际非均匀检测技术的高实时性要求。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足,提出一种并行广义内积重构控制器,更好地满足实际应用的高实时性、大点数计算的需求,具体通过以下技术方案来实现的:
所述并行广义内积重构控制器包括:
中间结果计算模块,接收源数据并根据源数据计算中间结果向量YL,生成向量YL的地址,存入bank;每完成一个中间结果向量YL的计算生成一个完成信号,并将所述完成信号发送至最终结果计算模块,作为启动信号;
最终结果计算模块,通过地址生成器连续生成矩阵X的列XL元素的地址和相应中间结果向量YL元素的地址,读数据进入复数乘累加器得到结果矩阵Z1xN第L个元素ZL,生成向量ZL的地址,存入bank;
数据存储地址处理模块,根据乒乓操作选择信号进行数据选择,同时对来自中间结果计算模块和最终结果计算模块的针对同一个bank的信号进行处理,生成正确的bank地址信号。
所述并行广义内积运算的硬件实现方法的进一步设计在于,计算YL的过程是XL和方阵T,每一列乘累加的过程,所述方阵T的行列数与矩阵X的列数相等,该乘累加的过程通过多路并行计算实现。
所述并行广义内积运算的硬件实现方法的进一步设计在于,中间结果计算模块采用四路并行的实现方式实现。
所述并行广义内积运算的硬件实现方法的进一步设计在于,中间结果计算模块的源数据存储方式为:矩阵T按列存放在bank0-bank3中,存满之后继续按列存放于bank4-bank7中;矩阵X按列存放在bank8-bank11中。
所述并行广义内积运算的硬件实现方法的进一步设计在于,中间结果计算模块的中间结果存储方式为:奇数项存放到bank12中,偶数项存放到bank13中。
所述并行广义内积运算的硬件实现方法的进一步设计在于,中间结果计算模块进行中间结果计算的流程为:在一次运算过程中,首先地址生成器生成X的一列元素XL和四列T矩阵元素地址,同时搬运对应的矩阵元素数据,输入复数乘累加器得到中间结果YL;接着由地址生成器生成中间结果存储地址,将中间结果存入bank中。
所述并行广义内积运算的硬件实现方法的进一步设计在于,最终结果计算模块进行最终结果计算的流程为:当最终结果计算模块得到中间结果计算完成信号时,地址生成器连续生成矩阵X的列XL元素的地址和相应中间结果向量YL元素的地址;同时输入到复数乘累加器得到最终结果ZL,由地址生成器生成最终结果存储地址,将最终结果存入bank中。
所述并行广义内积运算的硬件实现方法的进一步设计在于,所述复数乘法器均为延迟4个时钟周期的流水单精度浮点运算单元,复数乘法器的访存延迟设定为6个周期。
所述并行广义内积运算的硬件实现方法的进一步设计在于,所述复数乘累加器为五个,其中四个用于四路并行计算中间结果,另一个用于同步计算最终结果。
所述并行广义内积运算的硬件实现方法的进一步设计在于,每个复数乘累加器由一个复数乘法器和三个复数加法器组成,在40nm CMOS工艺下DC综合的面积为19993.56μm2。
本发明的优点
本发明提供的并行广义内积重构控制器采用计算一个中间结果后立即计算一个最终结果元素的策略,计算ZL-1的时间可以被隐藏于计算YL的时间内,计算时间少且存储资源利用率大。该并行广义内积重构控制器可满足在许多信号检测应用场景中进行非均匀检测时,获取检验统计量的高实时性要求。
附图说明
图1是并行广义内积重构控制器的架构示意图。
图2是并行广义内积数据存储示意图。
图3是并行广义内积算法计算流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实现案例对本发明进行详细说明。
如图1,本实施例的并行广义内积重构控制器以四路并行为例,主要由由三个子模块组成,分别为:中间结果计算模块、最终结果计算模块以及数据存储地址处理模块。中间结果计算模块用于计算中间结果;最终结果计算模块计算最终结果;数据存储地址处理模块处理bank地址等相关信号。
中间结果计算模块,完全流水的计算中间结果向量YL,包括生成XL列元素地址,对XL一列元素与方阵TMxM每一列进行内积乘累加运算,得到中间结果向量YL,生成向量YL的地址,存入bank。每完成一个YL的计算给出一个完成信号给最终结果计算模块,作为它的一次计算的启动信号。
最终结果计算模块,通过地址生成器连续生成矩阵X的列XL元素的地址和相应中间结果向量YL元素的地址,读数据进入复数乘累加器得到结果矩阵Z1xN第L个元素ZL,生成向量ZL的地址,存入bank。
数据存储地址处理模块,根据乒乓操作选择信号进行数据选择,同时对来自中间结果计算模块和最终结果计算模块的针对同一个bank的信号进行处理,生成正确的bank地址等信号。
如图1,存储单元包括15个bank,其中矩阵T存放于bank0-7,矩阵X存放于bank8-11,中间结果YL存放到bank12和bank13中,最终的并行广义内积矩阵存储在bank14中。运算单元包括5个复数乘累加器,复数乘累加器0-3用于四路并行计算中间结果,复数乘累加器4用于同时计算最终结果。
如图2所示是并行广义内积数据存储示意图。其源数据存储方式为:矩阵T按列存放在bank0-bank3中,存满之后继续按列存放于bank4-bank7中;矩阵X按列存放在bank8-bank11中。如此存放便于计算中间结果YL时进行4路并行运算,也可以简化相应的DMA模块的设计;中间结果YL,Y1、Y3…等奇数项存放到bank12中(后者覆盖前者),Y2、Y4…等偶数项存放到bank13当中(后者覆盖前者)。最终的广义内积矩阵存储在bank14中。
如图3,并行广义内积算法进行中间结果计算的流程为:在一次运算过程中,首先地址生成器1生成X的一列元素XL和四列T矩阵元素地址,同时搬运对应的矩阵元素数据,输入复数乘累加器得到中间结果YL,然后由地址生成器2生成中间结果存储地址,将中间结果存入bank中。
同理,并行广义内积算法进行最终结果计算的流程为:在一次运算过程中,当该模块得到中间结果计算完成信号时,地址生成器1连续生成矩阵X的列XL元素的地址,和相应中间结果向量YL元素的地址。同时输入到复数乘累加器得到最终结果ZL,然后由地址生成器2生成最终结果存储地址,将最终结果存入bank中。
本发明所述并行广义内积算法硬件实现一次完整的计算包括如下步骤:
步骤1)置L=1,从矩阵X的第一列开始计算;
步骤2)计算中间结果YL。
计算中间结果YL包括如下步骤:
步骤2-1)根据地址生成器子模块所生成的地址,依次取XL和(T1T2T3T4)的元素送入乘累加子模块进行复数乘累加运算,得到(YL1YL2YL3YL4);
步骤2-2)根据地址生成器子模块所生成的地址将(YL1YL2YL3YL4)顺序写入中间结果bank中,同时取下一组4列T矩阵元素和XL,重复1)和2),直到完成YL的计算;
步骤3)计算最终结果ZL。与1),2)同步进行,若已产生YL-1,根据地址生成器所生成的地址依次取XL-1和YL-1的元素进行复数乘累加,得到ZL-1,根据地址生成器所生成的地址将最终结果写入最终结果bank中;
步骤4)若L<N,L=L+1,跳转到步骤二,;
步骤5)依次取XN和YN的元素进行复数乘累加,得到ZN,存入bank中,完成内积运算。
本实施例的并行广义内积重构控制器中所用到的复数乘法器,复数加法器均为延迟4个时钟周期的流水单精度浮点运算单元,访存延迟为6个周期,采用EDA仿真/综合工具,工作主频达1GHz。
本实施例的并行广义内积重构控制器总计耗用五个复数乘累加器,其中四个用来四路并行计算中间结果,另一个用来同步计算最终结果。每个复数乘累加器由一个复数乘法器和三个复数加法器构成,在40nm CMOS工艺下DC综合的面积为19993.56μm2。
本实施例的并行广义内积重构控制器采用计算一个中间结果后立即计算一个最终结果元素的策略,计算ZL-1的时间可以被隐藏于计算YL的时间内,相比于计算完整中间结果后并行计算最终结果的方法,计算时间少且存储资源利用率高。
本实施例的并行广义内积重构控制器的特点为计算速度快,点数灵活可变且存储资源利用率高。可以满足在数据量较大的数字信号处理,例如即时信号检测应用场景中进行非均匀检测时,获取检验统计量的高实时性要求。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或变换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种并行广义内积重构控制器,其特征在于:包括:
中间结果计算模块,接收源数据并根据源数据计算中间结果向量YL,生成向量YL的地址,存入bank;每完成一个中间结果向量YL的计算生成一个完成信号,并将所述完成信号发送至最终结果计算模块,作为启动信号;
最终结果计算模块,通过地址生成器连续生成矩阵X的列XL元素的地址和相应中间结果向量YL元素的地址,读数据进入复数乘累加器进行最终结果计算得到结果矩阵Z1xN第L个元素ZL,生成向量ZL的地址,存入bank;
数据存储地址处理模块,根据乒乓操作选择信号进行数据选择,同时对来自中间结果计算模块和最终结果计算模块的针对同一个bank的信号进行处理,生成正确的bank地址信号。
2.根据权利要求1所述的并行广义内积运算的硬件实现方法,其特征在于:计算YL的过程是XL和方阵T,每一列乘累加的过程,所述方阵T的行列数与矩阵X的列数相等,该乘累加的过程通过多路并行计算实现。
3.根据权利要求2所述的并行广义内积重构控制器,其特征在于:中间结果计算模块采用四路并行的实现方式实现。
4.根据权利要求3所述的并行广义内积重构控制器,其特征在于:中间结果计算模块的源数据存储方式为:矩阵T按列存放在bank0-bank3中,存满之后继续按列存放于bank4-bank7中;矩阵X按列存放在bank8-bank11中。
5.根据权利要求3所述的并行广义内积重构控制器,其特征在于:中间结果计算模块的中间结果存储方式为:奇数项存放到bank12中,偶数项存放到bank13中。
6.根据权利要求1所述的并行广义内积重构控制器,其特征在于:中间结果计算模块进行中间结果计算的流程为:在一次运算过程中,首先地址生成器生成X的一列元素XL和四列T矩阵元素地址,同时搬运对应的矩阵元素数据,输入复数乘累加器得到中间结果YL;接着由地址生成器生成中间结果存储地址,将中间结果存入bank中。
7.根据权利要求1所述的并行广义内积重构控制器,其特征在于:最终结果计算模块进行最终结果计算的流程为:当最终结果计算模块得到中间结果计算完成信号时,地址生成器连续生成矩阵X的列XL元素的地址和相应中间结果向量YL元素的地址;同时输入到复数乘累加器得到最终结果ZL,由地址生成器生成最终结果存储地址,将最终结果存入bank中。
8.根据权利要求1所述的并行广义内积重构控制器,其特征在于:所述复数乘法器均为延迟4个时钟周期的流水单精度浮点运算单元,复数乘法器的访存延迟设定为6个周期。
9.根据权利要求1所述的并行广义内积重构控制器,其特征在于:所述复数乘累加器为五个,其中四个用于四路并行计算中间结果,另一个用于同步计算最终结果。
10.根据权利要求1所述的并行广义内积重构控制器,其特征在于:每个复数乘累加器由一个复数乘法器和三个复数加法器组成,在40nm CMOS工艺下DC综合的面积为19993.56μm2。
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