Programuojamos logikos taikymas duomenų apdorojimo spartinimui daiktų interneto pakraščio sluoksnyje

Ištrauka

Programuojamos logikos taikymas duomenų apdorojimo spartinimui daiktų interneto pakraščio sluoksnyje
Baigiamasis magistro projektas

Turinys
Paveikslų sąrašas 7
Santrumpų ir terminų sąrašas 8
Įvadas 9
1. Mokslinės literatūros apžvalga 10
1.1. Daiktų internetas 10
1.2. Daiktų interneto taikymo sritys 11
1.3. Daiktų interneto pakraščio sluoksnis (edge) 12
1.4. Informacijos apdorojimas daiktų interneto pakraščio sluoksnyje 13
1.5. Duomenų apdorojimo greičio vertinimas 16
2. Tyrimo metodika 22
2.1. Tyrimo uždavinių sprendimas 22
2.2. Taikymo pavyzdys 24
2.3. Duomenų apdorojimo algoritmo realizavimas 25
3. Taikymo pavyzdžio realizacija 28
3.1. PSO algoritmo realizavimas panaudojant programuojamą logiką 28
3.2. FFT algoritmo realizavimas su FPGA 34
3.3. Tikslo funkcijos realizavimas 35
3.4. Sukurto FPGA projekto architektūra 42
3.5. Programos realizavimas įterptine sistema su Linux operacine sistema 45
4. Tyrimo rezultatai 46
4.1. Greitaveikos palyginimas 46
4.2. Skaičiavimo įrangos resursų palyginimas 48
4.3. Energetinis efektyvumas 49
5. Diskusija 51
5.1. Rezultatų interpretavimas 51
5.2. FPGA projekto realizavimo procesas 51
Išvados 53
Literatūros sąrašas 54
Priedai 57
1 priedas. Sukurtas HLS C kalbos kodas realizuojantis PSO algoritmą 57
2 priedas. Sukurtas HLS C kalbos kodas realizuojantis PSO algoritmo testavimą 60
3 priedas. Sukurtas Vitis HLS projektas 61
4 priedas. Matlab kodas skirtas modeliuoti ultragarsinį signalą 62
5 priedas. Sukurtas Cmake projektas skirtas Linux ir WSL platformoms 63

Įvadas
Daiktų interneto sistemos yra fundamentali šiuolaikinės infrastruktūros dalis, sukurianti sąsają tarp
interaktyvių įrenginių ir interneto. Augant kompiuterių skaičiavimo resursams, dažnai daiktų
interneto prietaisai ne tik kaupia, bet ir apdoroja informaciją prieš siunčiant ją į debesų
kompiuteriją. Šis daiktų interneto sluoksnis, apdorojantis duomenis, yra vadinamas informacijos
apdorojimo pakraščiu (angl. edge). Duomenų apdorojimas pakraštiniame daiktų interneto
sluoksnyje sumažina skaičiavimo trukmes, internetu siunčiamų duomenų srautą ir bendrą energijos
suvartojimą.
Kylantis poreikis vis dažniau integruoti mašininį mokymą ir sudėtingus skaičiavimus į kasdieninius
išmaniuosius daiktus skatina ieškoti procesorių ir technologijų su vis didesniais skaičiavimo
ištekliais, tačiau išlaikyti įterptinėms sistemoms keliamus energetinius, ekonominius ir fizinius
reikalavimus. Taigi yra aktualu analizuoti įvairius įterptinių sistemų ir daiktų interneto realizavimo
metodus bei gilintis, kokie yra šių technologijų privalumai bei trūkumai.
Šiame darbe yra analizuojama ir tiriama, kaip pritaikyti programuojamos logikos įrenginius –
programuojamų loginių vartų masyvus – FPGA matricas (angl. Field Programmable Gate Arrays).
Šiame darbe yra pateikia sukurta sistema, skirta daiktų interneto pakraščio sluoksnio duomenų
apdorojimui su FPGA komponentais. Ši sistema yra lyginama su įprasta „Linux“ įterptine sistema
bei debesų kompiuteriją atitinkančia sistema. Darbe yra lyginama sistemų sparta, resursų sąnaudos
ir energetinis efektyvumas.
Tyrimo tikslas – įvertinti programuojamos logikos privalumus ir trūkumus atliekant daiktų
interneto pakraščiui tipinių skaičiavimų spartinimą. Palyginti programuojamą logiką su įterptinių
mikrovaldiklių ar kompiuterinių sistemų panaudojimu, siekiant sumažinti debesų serveriuose
atliekamų apdorojimų apimtis.
Projekto uždaviniai:
1) realizuoti tipinę pakraščio skaičiavimų spartinimo įterptinę sistemą, panaudojant 
programuojamą logiką ir įterptinį mikrovaldiklį;
2) optimizuoti programuojamos logikos sistemos realizaciją, atsižvelgiant į skaičiavimų 
greitaveiką ir resursų sąnaudas;
3) įvertinti ir palyginti programuojamos logikos ir įterptinių sistemų mikrovaldiklių greitaveiką;
4) įvertinti programuojamos logikos privalumus ir trūkumus pagal resursų sąnaudas ir energetinį 
efektyvumą.

1. Mokslinės literatūros apžvalga
Šiame skyriuje apžvelgiama daiktų interneto ir daiktų interneto pakraščio sluoksnio sąvokos bei
tendencijos. Analizuojami paplitę taikymo metodai bei pritaikymo sritys, kuriose yra realizuoti
modernūs daiktų interneto pakraščio sprendimai.