可重构的微分方程通用解算器研究和实现

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常微分方程的初值问题广泛应用于各领域的事物变化规律和运动现象的描述中。随着对客观世界认知深度和广度的增加,实际工程应用中的微分方程结构日趋复杂化,软件实现方案已经无法满足部分应用对计算量、计算速度和精度有非常严苛的约束。因此研究微分方程的数值解计算问题的硬件设计与实现有着非常重要的实用价值和应用前景。目前,在微分方程初值问题数值解实现技术的前沿研究领域,国内外学者对多倾向于在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片上,实现经典四阶龙格-库塔算法等数值解算法的求解电路,完成特定算法下的专用微分方程求解。综合考虑微分方程求解实现对通用性、灵活性、高效性的需求,本文设计了一种可重构的微分方程通用解算器。通过将可重构技术引入解算器结构设计中,确保解算器具备针对不同复杂度的微分方程和求解算法能够定制计算路径的能力。所设计的解算器支持对不同复杂度、阶数、变量等条件的微分方程计算结构的在线重构,具备了良好的通用性;同时,可根据应用需求对数值解算法进行选择,可在线调整输入变量初值、变化系数值,具有良好的求解算法,实现灵活性;支持对初始求解条件存在差异的大批量微分方程并发求解,充分发挥了硬件计算资源并行性,体现了极高系统资源利用率。本文在FPGA平台上完成了所设计微分方程同样解算器硬件实现与验证工作,通过几种微分方程实例测试了解算器的通用性、灵活性和高效性。使用不同的数值解法对不同微分方程求解,根据结果数据准确性证明解算器的通用性;使用不同的数值解法对同一微分方程求解,根据不同条件结果准确性、计算执行时间差异证明解算器的灵活性;对不同初值条件下的大批量确定微分方程求解,根据软硬件求解时间加速比证明解算器的高效性。
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