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路徑規(guī)劃算法的高層綜合設(shè)計(jì)研究

賴?yán)钛?/a>,  鄭锫駿 梁海成 李華偉

賴?yán)钛? 鄭锫駿, 梁海成, 李華偉. 路徑規(guī)劃算法的高層綜合設(shè)計(jì)研究[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2024, 46(11): 4132-4140. doi: 10.11999/JEIT240210
引用本文: 賴?yán)钛? 鄭锫駿, 梁海成, 李華偉. 路徑規(guī)劃算法的高層綜合設(shè)計(jì)研究[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2024, 46(11): 4132-4140. doi: 10.11999/JEIT240210
LAI Liyang, ZHENG Peijun, LIANG Haicheng, LI Huawei. Case Study of High Level Synthesis on Path Planning Algorithm[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(11): 4132-4140. doi: 10.11999/JEIT240210
Citation: LAI Liyang, ZHENG Peijun, LIANG Haicheng, LI Huawei. Case Study of High Level Synthesis on Path Planning Algorithm[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(11): 4132-4140. doi: 10.11999/JEIT240210

路徑規(guī)劃算法的高層綜合設(shè)計(jì)研究

doi: 10.11999/JEIT240210
基金項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金(62090024),廣東省自然科學(xué)基金(2022A1515011084),廣東省揚(yáng)帆計(jì)劃緊缺拔尖人才項(xiàng)目(140-14600602),計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(CARCH201912, 140-15220011)
詳細(xì)信息
    作者簡(jiǎn)介:

    賴?yán)钛螅耗?,副教授,碩士生導(dǎo)師,博士,研究方向?yàn)榧呻娐房蓽y(cè)試性設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化、容錯(cuò)計(jì)算、芯片設(shè)計(jì)

    鄭锫駿:男,碩士生,研究方向?yàn)镕PGA設(shè)計(jì)、集成電路可測(cè)試性設(shè)計(jì)

    梁海成:男,碩士,研究方向?yàn)镕PGA設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化

    李華偉:女,研究員,博士生導(dǎo)師,博士,研究方向?yàn)閿?shù)字電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化、測(cè)試驗(yàn)證、智能計(jì)算、近似計(jì)算

    通訊作者:

    賴?yán)钛蟆?a href="mailto:lylai@stu.edu.cn">lylai@stu.edu.cn

  • 中圖分類號(hào): TN47; TP391.72

Case Study of High Level Synthesis on Path Planning Algorithm

Funds: The National Natural Science Foundation of China(62090024), The Natural Science Foundation of Guangdong Province(2022A1515011084), Guangdong Province Yangfan Program for Shortage and Top-notch Talents (140-14600602), Open Project of State Key Laboratory of Computer Architecture (CARCH201912, 140-15220011)
  • 摘要: 隨著機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展,基于軟件實(shí)現(xiàn)的路徑規(guī)劃算法在實(shí)時(shí)性上已無(wú)法滿足許多應(yīng)用場(chǎng)景的需求,這就要求對(duì)算法進(jìn)行快速高效的硬件定制,從而獲得低延時(shí)的性能加速。該文以機(jī)器人路徑規(guī)劃中的經(jīng)典A*算法為對(duì)象,通過(guò)構(gòu)建面向硬件設(shè)計(jì)的C/C++數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)流程優(yōu)化,采用高層綜合(HLS)實(shí)現(xiàn)快速的硬件架構(gòu)探索和選取較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案,并完成硬件FPGA綜合。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,相較于傳統(tǒng)寄存器傳輸級(jí)(RTL)開發(fā)模式,基于HLS開發(fā)模式的路徑規(guī)劃算法在FPGA實(shí)現(xiàn)上在開發(fā)效率、硬件性能和資源占用率上都有顯著提升,驗(yàn)證了高層綜合在硬件定制中的可行性和成本優(yōu)勢(shì)。
  • 圖  1  實(shí)現(xiàn)高層綜合的基本流程

    圖  2  切片函數(shù)的讀操作示意圖

    圖  3  格點(diǎn)信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

    圖  4  開啟列表數(shù)組

    圖  5  原始算法中的開啟列表操作

    圖  6  開啟列表操作優(yōu)化

    圖  7  優(yōu)先級(jí)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的地圖路徑

    圖  8  堆棧實(shí)現(xiàn)的地圖路徑

    圖  9  隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的地圖路徑

    圖  10  地圖樣式1

    圖  11  地圖樣式2

    圖  12  地圖樣式3

    圖  13  地圖樣式4

    1  A*算法的基本流程

     (1)初始化開啟列表和關(guān)閉列表為空
     (2)將七點(diǎn)插入開啟列表中
     (3)while(開啟列表不為空)
     (4) 從開啟列表中取出最小F值的格點(diǎn)作為當(dāng)前格點(diǎn),并將之加
       入關(guān)閉列表
     (5)  foreach(當(dāng)前格點(diǎn)的相鄰格點(diǎn))
     (6)   if(該格點(diǎn)在關(guān)閉列表中或是故障格點(diǎn)) then(跳過(guò)該格點(diǎn))
     (7)   elsif(該格點(diǎn)在開啟列表中) then(比較通過(guò)當(dāng)前格點(diǎn)計(jì)算
         得出的F值是否更小,若更小則更新該格點(diǎn)的F值,設(shè)其
         父節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn),并將之插入開啟列表)
     (8)   elsif(該格點(diǎn)不在開啟列表中) then(通過(guò)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)計(jì)算該
         節(jié)點(diǎn)的F值,設(shè)其父親節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn),并將之插入開啟
         列表)
     (9)   elsif(該格點(diǎn)為終點(diǎn)) then(設(shè)其父節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn),并通
         過(guò)追蹤父節(jié)點(diǎn)鏈條至起點(diǎn),輸出起點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑,算
         法結(jié)束)
     (10) end_foreach
     (11)end_while
     (12)if(開啟列表為空) then(路徑搜索失敗)
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  1  SOC FPGA 芯片 PL 資源

    資源名稱總數(shù)
    邏輯單元 LUT87 840
    LUTRAM57 600
    觸發(fā)器 Flip-flop(FF)175 680
    BRAM128
    I/O 引腳256
    全局時(shí)鐘緩沖器 BUFG352
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  2  15×15地圖下不同開啟列表優(yōu)化比較

    數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)LUT個(gè)數(shù)FF個(gè)數(shù)BRAM個(gè)數(shù)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)(ns)
    優(yōu)先隊(duì)列2 4852 8073.018 598
    隊(duì)列2 1372 7552.544 325
    堆棧2 1482 7392.538 779
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  3  使用優(yōu)先隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的HLS和RTL開發(fā)模式比較

    FPGA開發(fā)模式運(yùn)行時(shí)間(ns)LUT個(gè)數(shù)FF個(gè)數(shù)BRAM個(gè)數(shù)
    HLS483 4453 2083 30334.5
    RTL523 0467 2537 16159.5
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  4  使用堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的HLS和RTL開發(fā)模式比較

    FPGA開發(fā)模式 運(yùn)行時(shí)間(ns) LUT個(gè)數(shù) FF個(gè)數(shù) BRAM個(gè)數(shù)
    HLS 3 305 830 1 669 1 523 25
    RTL 5 987 348 7 313 7 065 56
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  5  使用隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的HLS和RTL開發(fā)模式比較

    FPGA開發(fā)模式 運(yùn)行時(shí)間(ns) LUT個(gè)數(shù) FF個(gè)數(shù) BRAM個(gè)數(shù)
    HLS 3 389 425 1 756 1 555 25
    RTL 5 598 080 7 317 7 053 56
    下載: 導(dǎo)出CSV
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  • 加載中
圖(13) / 表(6)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2024-03-27
  • 修回日期:  2024-06-15
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2024-06-19
  • 刊出日期:  2024-11-01

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