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第一章概述1

1.1 引言1

1.2用于信号和图象处理的阵列处理器1

1.2.1 应用2

1.2.2 算法3

1.2.3 体系结构4

1.2.4 工艺6

1.3VLSI体系结构设计原则7

1.3.1 VLSI工艺7

1.3.2 互连及I/O的约束10

1.3.3 规则化和模块化特性11

1.3.4 流水和并行处理11

1.3.5 全局同步系统与异步系统的比较11

1.3.6 可编程性12

1.3.7 可重构性和容错性12

1.3.8 阵列和芯片的分割12

1.3.9 分级设计和CAD技术13

1.4各章概述16

1.4.1 对VLSI阵列处理器的综合研究16

1.4.2 第二章：信号和图象处理算法17

1.4.3 第三章：算法到阵列结构的映射17

1.4.4 第四章：脉动阵列处理器18

1.4.5 第五章：波前阵列处理器19

1.4.6 第六章：系统和软件设计19

1.4.7 第七章：阵列处理器的实现20

1.4.8 第八章：在信号和图象处理中的应用21

1.5与之关系密切的其它研究学科21

1.5.1 VLSI和圆片集成21

1.5.2 VLSI和光学处理22

1.5.3 面向人工智能的VLSI超级计算24

1.5.4 通用超级计算机和阵列处理器的互补作用24

1.6 结束语25

1.7 习题26

第二章信号和图象处理算法28

2.1 引言28

2.2矩阵算法30

2.2.1 基本的矩阵运算30

2.2.2 求解线性方程组31

2.2.3 迭代法33

2.2.4 特征值和奇异值分解36

2.2.5 最小平方问题求解37

2.3数字信号处理算法39

2.3.1 离散时间系统和Z变换39

2.3.2 卷积40

2.3.3 相关41

2.3.4 数字FIR滤波器和IIR滤波器41

2.3.5 线性相位滤波器43

2.3.6 离散傅里叶变换（DFT）43

2.3.7 快速傅里叶变换（FFT）45

2.3.8 离散哈达玛变换48

2.3.9 最小均方估计49

2.3.10 托布尼兹方程组的求解（Schur算法）50

2.4图象处理算法53

2.4.1 二维卷积和相关53

2.4.2 二维滤波53

2.4.3 二维DFT、FFT和哈达玛变换54

2.5值得进一步研究的先进算法和应用54

2.5.1 分治技术54

2.5.2 动态规划方法55

2.5.3 松弛技术55

2.5.4 通过随机松弛进行模拟退火56

2.5.5 联想检索57

2.6VLSI阵列算法59

2.6.1 VLSI阵列处理器算法设计准则60

2.6.2 局部递归算法和全局递归算法62

2.7 结束语67

2.8 习题68

第三章算法到阵列结构的映射72

3.1 引言72

3.2并行算法的表达72

3.2.1 串行算法表达的矢量化72

3.2.2 并行算法的直接表达方式74

3.3规范映射方法78

3.3.1 设计步骤1：把算法映射到DG79

3.3.2 设计步骤2：将DG映射到SFG86

3.3.3 设计步骤3：将SFG映射到阵列处理器96

3.3.4 算法映射到SFG阵列的实例98

3.4DG到SFG的广义映射方法109

3.4.1 DG的方向性分类111

3.4.2 映射到没有内部I/O的阵列114

3.4.3 多重投影117

3.4.4 非线性调度和非线性分配119

3.4.5 有全局通信时到SFG的线性投影122

3.4.6 用于一般DG的使任务执行时间最少的映射122

3.5 结束语125

3.6 习题126

第四章脉动阵列处理器132

4.1 引言132

4.2脉动阵列处理器132

4.2.1 脉动阵列的定义133

4.2.2 脉动体系结构的特性135

4.3将DG和SFG映射到脉动阵列137

4.3.1 DG到脉动阵列的直接映射138

4.3.2 割集脉动化方法138

4.3.3 DG中的旋转调度矢量与SFG中割集重定时序之间的关系148

4.3.4 二进位级脉动阵列150

4.4性能分析和设计的最优化153

4.4.1 最优性准则及其基本公式154

4.4.2 DG设计步骤中的最优化157

4.4.3 SFG设计步骤中的最优化160

4.4.4 脉动化步骤中的最优化160

4.4.5 提高PE的使用效率168

4.5传递闭包和动态规划问题的脉动阵列170

4.5.1 动态规划方法170

4.5.2 传递闭包和最短路径问题的最优脉动设计170

4.5.3 代数路径问题182

4.6人工神经网络的脉动设计184

4.6.1 Hopfield模型和Hopfield-Tank模型185

4.6.2 采用级联DG的脉动设计187

4.6.3 利用ANN解决组合优化问题190

4.6.4 全局最优点的搜索方案192

4.7 结束语193

4.8 习题194

第五章波前阵列处理器202

5.1 引言202

5.2波前阵列处理器202

5.2.1 从同步阵列到异步阵列202

5.2.2 波前阵列的定义204

5.2.3 与其它阵列结构的比较204

5.3算法到波前阵列的映射207

5.3.1 计算波前的概念207

5.3.2 通过DFG模型将DG映射到波前阵列209

5.3.3 由SFG导出DFG211

5.4时序分析和最佳的队列分配213

5.4.1 DFG时序分析214

5.4.2 DFG的性能优化221

5.4.3 最佳流水周期（α＊）221

5.4.4 规则波前阵列的时序分析223

5.4.5 最小队列的RDFG225

5.5波前阵列的编程语言225

5.5.1 并发性与通信225

5.5.2 波前编程技术226

5.5.3 Occam程序语言229

5.6硬件设计235

5.6.1 波前处理器阵列中PE的设计235

5.6.2 异步通信协议236

5.7 结束语238

5.8 习题240

第六章系统与软件设计246

6.1 引言246

6.2系统的组织247

6.2.1 主机和阵列控制单元247

6.2.2 接口单元249

6.2.3 PE阵列249

6.2.4 互连网络250

6.3算法到阵列的匹配251

6.3.1 算法到固定阵列结构的映射251

6.3.2 分割255

6.4VLSI阵列处理器的容错性260

6.4.1 制造时、编译时和运行时的容错性260

6.4.2 运行中容错性的体系结构方法263

6.4.3 算法方法：加权“检验和”编码274

6.4.4 容错中的时间冗余方法279

6.5阵列处理器的程序设计语言282

6.5.1 软件与硬件设计的对比282

6.5.2 程序语言的设计要素284

6.5.3 高级语言的类型285

6.5.4 中间表示289

6.5.5 软件环境292

6.6阵列处理器的CAD293

6.6.1 阵列编译器系统的特性294

6.6.2 哈达玛变换的脉动阵列设计例子296

6.7 结束语300

6.8 习题300

第七章阵列处理器的实现307

7.1 引言307

7.2处理器层次的实现308

7.2.1 PE体系结构的考虑308

7.2.2 商业上的可编程DSP芯片312

7.2.3 专用VLSI芯片321

7.3算术运算单元的设计324

7.3.1 常规的MAC设计324

7.3.2 浮点算术运算329

7.3.3 剩余数算术运算331

7.3.4 CORDIC334

7.4系统层次的实现338

7.4.1 综合系统的体系结构考虑338

7.4.2 互连网络339

7.5阵列处理器系统的例子343

7.5.1 SIMD阵列处理机343

7.5.2 脉动阵列处理器：Warp机346

7.5.3 波前阵列处理器系统349

7.5.4 超立方体计算机355

7.5.5 其它类型的阵列处理器系统358

7.6 结束语360

7.7 习题362

第八章在信号和图象处理中的应用364

8.1 引言364

8.2谱估计、波束形成及卡尔曼滤波366

8.2.1 用于谱估计的阵列处理器367

8.2.2 用于波束形成的阵列处理器370

8.2.3 用于最小二乘估计的卡尔曼滤波379

8.3语音处理385

8.3.1 用于语音分析／综合的线性预测386

8.3.2 用于语音编码的矢量量化387

8.3.3 用于语音识别的动态时间折弯391

8.4图象处理395

8.4.1 用于图象增强的中值／秩序滤波技术396

8.4.2 用于图象恢复的弛豫技术399

8.4.3 用于图象重建的插值技术403

8.4.4 图象编码405

8.5图象分析406

8.5.1 用于特征提取的边缘检测406

8.5.2 用于直线／曲线检测的Hough变换411

8.5.3 模板匹配与联想模式识别413

8.5.4 景物分析中的区域级运算416

8.6 结束语416

8.7 习题417

参考文献425