Μονάδα:
Κατεύθυνση Μηχανική ΥπολογιστώνΠληροφορική
Ημερομηνία κατάθεσης:
2023-03-14
Συγγραφέας:
Πλεύρης Κωνσταντίνος
Στοιχεία επιβλεπόντων καθηγητών:
Νεκτάριος Κρανίτης Αναπληρωτής Καθηγητής Τµήµα Αεροδιαστηµικής Επιστήµης και Τεχνολογίας Ε.Κ.Π.Α.
Πρωτότυπος Τίτλος:
Architecture, Design and Implementation of a Hardware Accelerator in FPGA SoC Technology for On-Board Hyperspectral Image Data Reordering in Next Generation Earth Observation Satellites.
Γλώσσες εργασίας:
Αγγλικά
Μεταφρασμένος τίτλος:
Αρχιτεκτονική, Σχεδίαση και Υλοποίηση ενός Επιταγχυντή Υλικού σε Τεχνολογία FPGA SoC για την Αναδιάταξη Υπερφασματικών Δεδομένων Εικόνας Εν-Πτήσει σε Επόμενης Γενιάς Δορυφόρους Παρατήρησης Γης.
Περίληψη:
Η αυξανόμενη ζήτηση για εξαιρετικά λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τις ανθρώπινες και γεωφυσικές διεργασίες στη Γη έχει οδηγήσει την ανάπτυξη δορυφορικών υπερφασμα- τικών αισθητήρων παρατήρησης της γης. Η υπερφασματική απεικόνιση ορίζεται ως η απεικόνιση στενών συνεχόμενων φασματικών ζωνών σε μια συνεχή φασματική περιοχή, η οποία παράγει τα φάσματα όλων των pixel στη σκηνή. Η υπερφασματική απεικόνιση έχει ήδη παγιωθεί ως τεχνολογία κλειδί σε εφαρμογές τηλεπισκόπησης, που χρησιμοποιείται σε μη στρατιωτικές εφαρμογές όπως η έξυπνη γεωργία, η γεωλογία, η περιβαλλοντική παρακολούθηση, η αντιμετώπιση καταστροφών και η ανάκτηση για να αναφέρουμε μερικές. Ωστόσο, η εκρηκτική αύξηση του όγκου δεδομένων των συστημάτων υπερφασματικής τηλεπισκόπησης υψηλής ανάλυσης και υψηλής ταχύτητας επόμενης γενιάς, ανταγωνίζεται τους περιορισμένους εν-πτήσει πόρους αποθήκευσης και το εύρος ζώνης που διατίθενται για τη μετάδοση δεδομένων σε επίγειους σταθμούς, καθιστώντας την προεπεξεργασία και συμπίεση υπερφασματικής εικόνας μια κρίσιμη και προκλητική αποστολή για την επεξεργασία δεδομένων εν-πτήσει.
Αυτή η διπλωματική εργασία συμβάλλει στην αρχιτεκτονική, το σχεδιασμό και την υλοποίηση ενός επιταχυντή υλικού υψηλής απόδοσης στην τεχνολογία FPGA, ως πυρήνα IP, για την εν-πτήσει προεπεξεργασία δεδομένων υπερφασματικής εικόνας και ειδικότερα την αναδιάταξη από διάταξη BIP σε διάταξη BSQ και αντίστροφα για χρήση σε ενσωματωμένες μονάδες επεξεργασίας δεδομένων δορυφόρων EO επόμενης γενιάς. Ο πυρήνας έχει σχεδιαστεί αναπτυχθεί και δοκιμαστεί στην πλακέτα Xilinx Zynq-7000 SoC ZC706. Ο στόχος είναι να επιτευχθεί μια αποδεκτή απόδοση, λαμβάνοντας υπόψη τον σημαντικό περιορισμό στην καθυστέρηση που δημιουργείται από τον αλγόριθμο αναδιάταξης. Ωστόσο, η υλοποίηση παρουσιάζει πολλές προκλήσεις, ώστε τα δεδομένα να μπορούν να αναδιατάσσονται γρήγορα στην αντίθετη σειρά. Το μέγεθος μιας υπερφασματικής εικόνας μπορεί να είναι απαγορευτικό για τοπική αποθήκευση μέσα στην BRAM του FPGA, και επομένως η μνήμη DDR του SoC πρέπει να χρησιμοποιηθεί για την αναδιάταξη. Για την αντιμετώπιση των παραπάνω προκλήσεων σχεδιάστηκαν και δημιουργήθηκαν στοιχεία όπως προσαρμοσμένοι Datamover και γεννήτριες διευθύνσεων για την ανάγνωση και εγγραφή δεδομένων.
Το Zynq και το MΙG θα χρησιμοποιηθούν για τη διασύνδεση μνήμης για την προσωρινή αποθήκευση των ενδιάμεσων δεδομένων κατά την αναδιάταξη και χρησιμοπιείται η διεπαφή Full-AXI για ανταλλαγή δεδομένων με την μνήμη. Ο σχεδιασμός μας χρησιμοποιεί εκτενώς το AXI Smartconnect για τη συγχώνευση πολλαπλών διεπαφών Full-AXI καθώς και τη γεφύρωση σε διαφορετικές διεπαφές. Για τις δοκιμές BIPtoBSQ, θέτοντας τις κατάλληλες ρυθμίσεις, μπορέσαμε να επιτύχουμε ρυθμό κύκλων/δείγμα 2 για τις δοκιμασμένες περιπτώσεις σε συχνότητες έως και 250 και 266 MHz για τις διατάξεις Zynq και MIG αντιστοίχως. Για την αντίστροφη περίπτωση, δοκιμάστηκαν εικόνες μικρότερου μεγέθους, για λόγους που εξηγούνται παρακάτω, και σε ορισμένες δοκιμές θέτοντας προσαρμοσμέ- νες ρυθμίσεις καταφέραμε να πετύχουμε ρυθμούς πολύ κοντά στο 2. Στην ενότητα αποτελε- σμάτων παρουσιάζουμε μια ποικιλία διαμορφώσεων και τον αντίκτυπό τους στην απόδοση.
Κύρια θεματική κατηγορία:
Τεχνολογία – Πληροφορική
Λέξεις-κλειδιά:
Επιταχυντές Υλικού, Πυρήνες IP, FPGA, Υπερφασματική Απεικόνιση, Επεξεργασία Διαστημικών Δεδομένων, αναδιάταξη BIP-BSQ
Αρ. σελίδων ευρετηρίου:
4
Αρ. βιβλιογραφικών αναφορών:
29
Αρχείο:
Δεν επιτρέπεται η πρόσβαση στο αρχείο. H πρόσβαση επιτρέπεται μόνο εντός του δικτύου του ΕΚΠΑ.
thesis_plevris_final.pdf
3 MB
Δεν επιτρέπεται η πρόσβαση στο αρχείο. H πρόσβαση επιτρέπεται μόνο εντός του δικτύου του ΕΚΠΑ.
