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航天時代的嵌入式圖像處理技術(shù)

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作者:沈緒榜 時間:2007-01-29 來源: 收藏


 

摘要:本文首先簡要介紹了充滿奇想的航天時代,在此基礎(chǔ)上,從統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)模型,虛擬的并行計算陣列與仿生的物理實現(xiàn)技術(shù)三個方面,討論了天基嵌入式MPP圖像處理技術(shù)的功能,結(jié)構(gòu)與物理實現(xiàn)問題。
關(guān)鍵詞:嵌入式;圖像處理;人工智能;航天時代


充滿奇想的航天時代


1961年4月12日,蘇聯(lián)宇航員加加林乘“東方”1號載人飛船,開創(chuàng)了充滿奇想的航天時代,至今已有499名宇航員圓了飛天之夢,12名宇航員圓了登月之夢。21世紀,美國采用載人飛船不僅要在月球上建立基地,而且要完成載人火星探測。不僅如此,人們還瞄準了太空游,充滿好奇心的美國人的蒂托(2001)、奧爾森(2005),南非的沙特爾沃斯(2002)和美籍伊朗人安薩里(2006)4名富翁,花了2000萬美元在國際空間站住了8天,環(huán)繞地球120周,完成了軌道式的太空游;第5名太空游的富翁將是軟件奇才美籍匈牙利人希莫尼。
正如瑞典的物理諾貝爾獎評委會主任Sune Svanberg所說的,“一個好的科研成果有時候就來自一個靈機一現(xiàn)的想法,而不是像培養(yǎng)運動員那樣機械式的訓(xùn)練。諾貝爾獎鼓勵好奇心驅(qū)使下的自由自在的研究?!碧技{米管能承載比自身重5萬倍物體的特殊性能,使人們現(xiàn)在又產(chǎn)生了靈機一現(xiàn)的研制太空天梯的奇想,估計要50年后才會成功。
航天時代不僅促進了運載火箭技術(shù),應(yīng)用衛(wèi)星技術(shù)與深空探測技術(shù)的迅猛發(fā)展,而且也使地基因特網(wǎng)發(fā)展成了天基太空網(wǎng),延伸到了1億2千萬公里的火星,促進了天基技術(shù)等航天微電子應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展。


技術(shù)


天基技術(shù)的特點有:一是嵌入性,也就是體積、重量與功耗的要求很高;二是復(fù)雜性,要處理G級的像素幀;三是可靠性,要求適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境,壽命長;四是實時性,一般要求秒級的計算時間。為了實現(xiàn)這些特點,需要從航天嵌入式計算機的功能、結(jié)構(gòu)與物理實現(xiàn)三個方面進行研究。
(1)統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)模型
為了同時滿足能提高芯片集成度與縮短設(shè)計周期的要求,以IP核為基礎(chǔ)的設(shè)計平臺技術(shù)以及從功能到體系結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計方法得到了發(fā)展。由于非控制流的計算機體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低,現(xiàn)在的計算機體系結(jié)構(gòu)都采用控制流的體系結(jié)構(gòu),按照我們提出的計算機體系結(jié)構(gòu)的分類模型,控制流的體系結(jié)構(gòu)可分為三類:一是基于指令流的體系結(jié)構(gòu),也就是以微處理器為代表的體系結(jié)構(gòu),按照Flynn采用指令流與數(shù)據(jù)流兩個邏輯概念的分類共有SISD、SIMD、MISD、MIMD四種體系結(jié)構(gòu);二是基于數(shù)據(jù)流的體系結(jié)構(gòu),也就是以ASIC(例如Systolic array)電路為代表的體系結(jié)構(gòu),因為它只有數(shù)據(jù)流的概念所以只有SD與MD兩類,由于ASIC 電路效率雖然高,但為了克服沒有處理器靈活這個缺點,又出現(xiàn)了靜態(tài)可編程FPGA電路;三是基于構(gòu)令流(Configuration Stream)的體系結(jié)構(gòu),通常叫做可重構(gòu)的(Reconfigurable)體系結(jié)構(gòu),也就是動態(tài)可編程電路,共有SCSD、SCMD、MCSD、MCMD四類。
    這些按邏輯概念分類的體系結(jié)構(gòu)可以組合起來使用,其選擇方案可以有1023種。就具體實現(xiàn)而言方案更多,例如,不同廠家的處理器的指令集合都是不相同的。而功能與體系結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計,是通過功能到體系結(jié)構(gòu)的映射完成的,為了確保這種映射的高效與統(tǒng)一,提出了一種統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)模型,從三個方面對體系結(jié)構(gòu)進行了統(tǒng)一:一是提出了一種Unified _ISA模型,如圖1所示,能將上述三種體系結(jié)構(gòu)從指令集合上統(tǒng)一起來;二是提出了一種將高級語言與匯編語言折中的中間映射語言,能將高級語言的兼容性和可讀性,與匯編語言的程序高效性和映射直接性統(tǒng)一起來;三是通過中間映射語言的編程,能將軟構(gòu)件與硬構(gòu)件的設(shè)計統(tǒng)一起來。



圖1  Unified _ISA模型的邏輯概念圖

具體對指令流體系結(jié)構(gòu)來說,其SISD、SIMD、MISD、MIMD四類體系結(jié)構(gòu)的指令子集合是統(tǒng)一成SISD體系結(jié)構(gòu)的指令集合,對于數(shù)據(jù)流與構(gòu)令流的體系結(jié)構(gòu)是通過增加相應(yīng)的指令,統(tǒng)一成SISD體系結(jié)構(gòu)的指令集合的;換句話說,圖1中的SIMD、MIMD、ASIC與RC Device四種MPP Unit都是可以通過軟構(gòu)件描述的。這些軟構(gòu)件是可以在SIMD或MIMD體系結(jié)構(gòu)上直接執(zhí)行的,或者是可以自動映射成ASIC或RC Device電路的。
(2)虛擬的并行計算陣列
    由于G級像素幀遙感圖像處理的需要,MPP并行計算陣列得到了發(fā)展,因為圖像幀總是二維的,相應(yīng)的處理元陣列也是二維的,如圖2中所示。雖然芯片集成度已經(jīng)很高,但現(xiàn)在還不能在一塊芯片上研制G級像素幀的G個處理元的陣列,現(xiàn)在還只有采用WSI技術(shù)完成的百萬個處理元的陣列。因此,還只能采用虛擬處理元陣列技術(shù),解決MPP程序設(shè)計的方便性與程序本身的可讀性。換句話說,MPP圖像處理程序是按虛擬并行計算陣列設(shè)計的,也就是MPP程序設(shè)計時,總是假定圖2中網(wǎng)格陣列的M與N的值是與圖像幀的維數(shù)大小相等的,而實際的處理元陣列的大小m



關(guān)鍵詞: 07展望 嵌入式圖像處理

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