基于自定义指令的陆地移动距离算法加速系统设计与实现

• 作 者: 俞光宇
• 机 构: 华中科技大学
• 出 处: 华中科技大学
• 发表日期: 2018年期
• 关键词: 图像检索 相似性度量 陆地移动距离 加速 系统 自定义指令

随着社会的信息化发展，全球数据总量正呈现出爆发式的增长。作为大数据的重要组成，图像数据挖掘的研究意义重大。在图像检索应用中，针对图像的相似性度量算法有很多，陆地移动距离(Earth Movers Distance，EMD)是公认的匹配性能优秀的度量算法。　　随着物联网的发展，海量终端被接入互联网，嵌入式平台的图像应用需求与日俱增。陆地移动距离算法的高时间复杂度和嵌入式平台功耗及性能的限制都制约了该算法在嵌入式平台的应用。因此，针对嵌入式平台的陆地移动距离加速研究应用价值巨大。　　本文基于FPGA平台的嵌入式软核处理器，通过自定义指令硬件对处理器指令集进行扩展的设计方式提高了处理器在算法特定步骤的计算能力，实现了陆地移动距离算法的加速系统。论文分析了陆地移动距离算法的时间瓶颈并设计了一条带有外部RAM访问接口的多时钟周期扩展指令。该指令包含三个操作分支：数据内存地址同步分支，最小费用路径搜索分支和费用网络更新分支。自定义指令的加入提高了处理器系统对于陆地移动距离算法的计算能力。在本文设计的加速系统中，应用程序调用自定义指令和调用软件函数的方式一致，保持了算法原有的灵活性。　　针对论文设计的陆地移动距离算法加速系统，提出了科学合理的性能测试方法。实验结果表明，在同一平台下对比软件实现，最小费用路径搜索分支获得了2.4×~3.8×的加速比；费用网络更新分支获得了5.1×~5.8×的加速比；加速系统整体实现了1.7×~2.2×的加速比。