基于fpga的fdtd计算系统设计

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1、硕士学位论文题目:基于FPGA的FDTD计算系统设计研究生谢凯元专业电路与系统指导教师郭裕顺教授完成日期2012年12月杭州电子科技大学硕士学位论文基于FPGA的FDTD计算系统设计研究生：谢凯元指导教师：郭裕顺教授2012年12月DissertationSubmittedtoHangzhouDianziUniversityfortheDegreeofMasterDesignofaFDTDcomputationalsystemwithFPGAaccelarationCandidate:XieKaiyuanSupervisor:Prof.G

2、uoYushunDecember，2012杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭

3、州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日杭州电子科技大学硕士学位论文摘要在电磁计算方法中，FDTD（Finite-DifferenceTime-Domain）即时域有限差分算法被广泛使用。FDTD实际是在空间域内对电场值和磁场值进行交替计算，而在时间域上对FDTD算法公式进行

4、迭代更新的一种计算方法。但FDTD仿真效率低的问题一直是限制其在电磁计算应用中的主要瓶颈。对于提升FDTD的计算速度，人们已尝试通过各种方法，例如大型工作站、并行计算网络、或使用C++以及OpenGL在GPU上编写FDTD算法等等，但是仍然无法满足某些电磁工程问题对FDTD提出高效计算的要求。因此，研究如何缩短FDTD计算的时间具有重大实践意义。本文以FDTD的硬件计算为背景，首先介绍了FDTD硬件加速系统的基本结构，其次介绍了加速FDTD计算的各种方法，例如采用流水线和并行计算的方式、在HPC系统平台上构建FDTD的模型空间等等。然后介

5、绍了我们在AlteraCycloneII的FPGA（EP2C35F672C6）上实现的二维FDTD算法。本设计中的FDTD算法模块由计算单元、存储单元以及控制单元组成。其中计算单元通过调用Altera公司的LPM加减器、LPM乘法器来实现，主要完成三个FDTD公式的计算和更新；存储单元是由FPGA内嵌的BlockRAM搭建，主要用于存储FDTD计算网格中的电场值和磁场值；而控制单元主要完成FDTD计算过程中各个单元电路状态之间的转换以及存储单元读写地址的控制等等。通过VerilogHDL在FPGA目标板上将该FDTD算法模块设计出来。作为

6、一个完整的FDTD计算系统，FDTD算法模块与系统主机之间的数据传输设计也是必不可少的。本文选择基于USB接口的数据传输方式，其接口芯片采用Cypress公司的CY7C68013A。在CY7C68013A的SlaveFIFO模式下完成系统主机与FDTD算法模块之间的双向数据通信。此外还在VC++6.0中开发了本计算系统的软件部分，包括其USB固件程序、USB驱动程序以及主机用户程序。在系统主机上，由用户在软件界面中将FDTD算法的激励源数据、时间步数和启动命令通过USB接口发送到FDTD算法模块中，FDTD算法模块会将计算结果写入异步FI

7、FO中。然后主机用户程序通过USB接口读取异步FIFO中的数据，获得计算结果。最后对本系统进行了实验测试，发现计算结果与软件仿真几乎完全一致，FPGA的最高工作频率可达106.26MHz，USB数据的传输速率可达16Mbyte/s。关键词：FDTD硬件计算，FPGA，USBI杭州电子科技大学硕士学位论文ABSTRACTIntheelectromagneticcomputationmethod,theFDTD(Finite-DifferenceTime-Domain)algorithmhasbeenwidelyused.FDTDisactu

8、allyakindofcomputationmethodthatcalculatestheelectricfieldandmagneticfieldvaluealternatelyinthes