专利名称：基于fpaa的可重构矢量-矩阵乘法器设计方法
技术领域：
本发明涉及矢量-矩阵乘法器设计技术，具体涉及可重构矢量-矩阵乘法器VMM(Vector-Matrix Multiplier)设计方法。
背景技术：
矢量-矩阵乘法运算广泛用于信号处理、图像处理、雷达、声纳、通信等复杂计算领域，能实现FIR数字滤波、图像变换、时频分析、卷积与相关性计算等功能。矢量-矩阵乘法运算可以采用通用处理器和专用硬件实现。采用通用处理器(如数字信号处理器DSP)通过软件进行矢量矩阵-乘法运算，对处理器要求高、功耗大；利用专用集成电路实现矢量-矩阵乘法运算，具有集成度高、速度快、功耗低的优点。采用专用集成电路实现矢量-矩阵乘法运算可有两种设计方案一种是全数字集成电路设计，另一种是模拟集成电路设计。 相对于全数字式集成电路设计方案，模拟矢量-矩阵乘法运算集成电路具有尺寸小、功耗低、运算速度快的优势。因此，模拟矢量-矩阵乘法运算集成电路将是实现低功耗、高集成、高速度的信号处理系统的重要工具。现场可编程模拟阵列FPAA(Field Programmable Analog Array)具有结构灵活、电路可编程、集成度高等优点，可以实现多种结构、多种功能和在线功能调节的模拟电路，可使得没有电路设计经验的研发人员也能快速地设计出预期功能的模拟电路，能缩短电子产品研发周期与研制成本。现有的模拟矢量-矩阵乘法运算集成电路一般无法在线调节矩阵系数且运算规模固定，因此，以现场可编程模拟阵列FPAA为实现平台，构建一种可重构模拟矢量-矩阵乘法运算电路，这种可重构模拟矢量-矩阵乘法运算集成电路将有很好的工程应用价值。
发明内容
本发明的目的是解决现有的模拟矢量-矩阵乘法运算集成电路一般无法在线调节矩阵系数且运算规模固定的问题，提出一种模拟可重构矢量-矩阵乘法器的设计方法，构建一种基于跨导运算放大器和浮栅晶体管的新型FPAA，设计基于FPAA的可重构模拟矢量-矩阵乘法器，实现模拟矢量-矩阵乘法器的运算规模可变和系数可调。为实现上述目的，本发明提出的基于FPAA的可重构模拟矢量-矩阵乘法器设计方法包括以下步骤首先构建一种基于跨导运算放大器和浮栅晶体管的新型FPAA ;接着设计矢量-矩阵乘法器原理图；最后提出利用SMULINK、Sim2Spice、GRASPER和RAT软件实现基于FPAA的可重构模拟矢量-矩阵乘法器的设计流程，得到可重构模拟矢量-矩阵乘法器在FPAA上的映射实现电路。FPAA的CAB (Configurable Analog Block)由基本跨导运算放大器实现，内部互连线结构为纵横交叉式，采用浮栅晶体管作为开关元素和计算元素。矢量-矩阵乘法器电路包括跨导运算放大器和可编程电流镜，可编程电流镜由浮栅晶体管组成，用于调节乘法器系数。矢量-矩阵乘法器最大运算规模由FPAA的I/O 口数目决定，通过编程控制浮栅晶体管浮栅节点电压，不仅可以进行不同规模的矢量-矩阵乘法运算，而且可以实现矢量-矩阵乘法器中矩阵系数的在线调节。因此在FPAA平台上实现可重构矢量-矩阵乘法器是简单易行的。采用SMULINK、SPICE、GRASPER和RAT软件工具进行基于FPAA的可重构模拟矢量-矩阵乘法器设计，主要包括以下步骤
(I)原理图设计在SMULINK中搭建完整的矢量-矩阵乘法器，包括输入信号矢量、VI转换器、基本VMM模块、IV转换器和输出信号矢量；(2) Spice网表生成利用sim2SPICE软件将SMULINK原理图转换为Spice网表；(3)开关列表生成利用GRASPER软件将Spice网表编译为FPAA上的开关列表，同时给出布线过程中存在的寄生问题用于手动调节参数达到预期性能；开关列表检查修正利用RAT可视化工具来查看和修改FPAA上的可编程开关状态，最终确定开关状态；(4) FPAA上的映射实现将开关列表配置到FPAA，选取与输入矢量元素个数相同数目的I/o 口，并以所选择I/O 口的输入信号作为输入矢量，经过FPAA运算，以剩余其他I/O口的输出信号作为输出矢量。本发明公开的基于FPAA的可重构模拟矢量-矩阵乘法器设计方法，提出了一种由浮栅晶体管和跨导运算放大器组成的新型FPAA，并且给出了借助SMULINK等软件工具在FPAA上实现2 X 2可重构模拟矢量-矩阵乘法器的设计流程，得到的基于FPAA的可重构模拟矢量-矩阵乘法器可以在线调节运算规模和矩阵运算系数。
图I是本发明中的2X2模拟矢量-矩阵乘法器原理图；图2是本发明中的现场可编程模拟阵列FPAA原理图；图3是本发明中基于FPAA的可重构模拟矢量_矩阵乘法器设计流程；图4是本发明中在FPAA上映射实现的2X2可重构模拟矢量-矩阵乘法器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明专利作进一步详细说明。矢量-矩阵乘法器的数学表达式为
ηy, = ^dwIjxJ，i = I, K, m.
y=i其中，Wij是乘法系数矩阵，Xj是输入矢量，Yi是输出矢量。η是输入矢量中元素个数(对应乘法器输入信号个数)，m是输出矢量中元素个数(对应乘法器输出信号个数)。矢量-矩阵乘法器运算实际上是一个乘累加过程。图I是2X2(m = η = 2)模拟矢量-矩阵乘法器电路，输入矢量包含两个电流元素，输出矢量也包括两个电流元素。模拟矢量-矩阵乘法器本质是乘累加过程，对电流信号进行放大和相加是比较容易实现的，加法只需要利用KCL法则便可以在没有任何功耗情况下得到两电流之和，电流放大可以通过电流镜实现。由于传统的电流镜电路只能实现固定放大系数，本发明采用浮栅晶体管实现可编程电流镜，可以实现矩阵系数的调节。令每个晶体管工作在亚阈值区，此时漏极电流与栅极电压的关系为
权利要求
1.基于FPAA的可重构矢量-矩阵乘法器设计方法，其特征在于，包括以下步骤首先构建一种基于跨导运算放大器和浮栅晶体管的新型FPAA ;接着设计矢量-矩阵乘法器原理图；最后提出利用SMULINK、Sim2Spice和GRASPER、RAT软件实现基于FPAA的可重构模拟矢量-矩阵乘法器的设计流程，得到可重构模拟矢量-矩阵乘法器在FPAA上的映射实现电路。
2.根据权利要求I所述的基于FPAA的可重构矢量-矩阵乘法器设计方法，其特征在于，所述的新型FPAA中，可重构模拟模块由跨导运算放大器组成，内部互连线结构为纵横交叉式，互连线结构中采用浮栅晶体管作为开关元素和计算元素。
3.根据权利要求I所述的基于FPAA的可重构矢量-矩阵乘法器设计方法，其特征在于，利用SMULINK、Sim2Spice、GRASPER和RAT软件实现基于FPAA的可重构模拟矢量-矩阵乘法器的设计包括以下步骤 原理图设计在SMULINK中搭建完整的矢量-矩阵乘法器，包括输入信号矢量、VI转换器、基本VMM模块、IV转换器和输出信号矢量； 网表生成利用sim2SPICE软件将SMULINK框图转换为Spice网表； 开关列表生成利用GRASPER软件将Spice网表编译为FPAA上的开关列表，同时给出布线过程中存在的寄生问题用于手动调节参数达到预期性能，接着利用RAT可视化工具来查看和修改FPAA上的可编程开关状态，最终确定开关状态列表； FPAA上的映射实现将开关列表配置到FPAA，选取与输入矢量元素个数相同数目的I/O 口，并以所选择I/O 口的输入信号作为输入矢量，经过FPAA运算，以剩余其他I/O 口的输出信号作为输出矢量。
4.一种根据以上设计方法得到的可重构模拟矢量-矩阵乘法器，其特征在于，通过编程控制浮栅晶体管浮栅节点电压，可以进行不同规模的矢量-矩阵乘法运算和在线调节矢量-矩阵乘法器中矩阵系数。
全文摘要
本发明公开一种基于FPAA的可重构矢量-矩阵乘法器设计方法，该方法首先设计一种基于跨导运算放大器和浮栅晶体管的新型FPAA，接着设计模拟矢量-矩阵乘法器原理电路，然后提出采用SIMULINK、Sim2Spice、GRASPER和RAT软件工具在FPAA平台上实现可重构模拟矢量-矩阵乘法器的设计流程，最后给出基于FPAA的可重构模拟矢量-矩阵乘法器的映射实现。该方法设计的可重构模拟矢量-矩阵乘法器可以实现运算规模可变和矩阵系数可调。
文档编号G06F7/52GK102929842SQ20121040478
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者王友仁, 任晋华, 陈燕 申请人:南京航空航天大学