Gömülü sistemlerde kayan nokta aritmetik hesaplamalar için verilog tabanlı ıp core kütüphanesi geliştirilmesi
The development of a verilog-based ip core library for floating-point arithmetic calculations in embedded systems
Yazar: ESİN MUTLU KORKMAZ
Danışman: DOÇ. DR. SERKAN DERELİ
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Gömülü sistemlerin karmaşık hesaplama işlemlerini gerçekleştirmek amacıyla kullanılan kayan nokta aritmetiği, günümüz teknolojisinin birçok farklı alanında kritik bir rol oynamaktadır. Özellikle sinyal işleme, görüntü işleme, yapay zeka uygulamaları ve bilimsel hesaplamalar gibi yüksek doğruluk gerektiren alanlarda sıkça tercih edilmektedir. Ancak mevcut çözümler genellikle belirli platformlara bağımlıdır ve bu çözümler performans açısından yeterince optimize edilmemiştir. Bu çalışmada, gömülü sistemlerde kayan nokta aritmetik hesaplamaları için özgün bir çözüm olarak Verilog tabanlı sentezlenebilir bir IP core kütüphanesi geliştirilmiştir.
Çalışmanın başlangıcında, gömülü sistemlerdeki hesaplama gereksinimleri ve kayan nokta aritmetiğinin önemi detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Bu analiz, mevcut literatürdeki eksiklikleri ortaya koymayı ve yeni geliştirme fırsatlarını belirlemeyi hedeflemiştir. Bu doğrultuda, özgün bir çözüm oluşturmak amacıyla tasarım ilkeleri geliştirilmiştir. Geliştirilen IP core kütüphanesi, toplama, çıkarma, çarpma ve bölme gibi temel aritmetik işlemleri destekleyen modüler bir yapıya sahiptir. Ayrıca, bu kütüphane platform bağımsız çalışmayı ve optimize edilmiş bir performansı sağlamak amacıyla çeşitli teknikler ve algoritmalar kullanılarak tasarlanmıştır. Bu özellikleri sayesinde kütüphane, farklı FPGA platformlarına kolaylıkla entegre edilebilmektedir. Ayrıca düşük enerji tüketimi ve hızlı hesaplama süreleri sunarak sistem performansını artırmaktadır.Verilog dilinde yazılmış olan bu kütüphane, gömülü sistem tasarımcılarının kayan nokta aritmetik işlemlerini hızlı, verimli ve doğru bir şekilde gerçekleştirmelerine olanak tanımaktadır. Kütüphane, çeşitli deneyler ve testlerle değerlendirilmiş olup, gerçek dünya uygulamalarında başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Bu test sonuçları, kütüphanenin gömülü sistemlerdeki performansını ve etkinliğini net bir şekilde ortaya koymaktadır. Aynı zamanda, performans optimizasyonu ve doğrulama süreçleri simülasyonlar ile titizlikle gerçekleştirilmiş olup, geniş bir kullanım alanı sağlamaktadır.
Sonuç olarak, bu çalışma, gömülü sistemlerde kayan nokta aritmetik hesaplamaları için platform bağımsız ve optimize edilmiş performansa sahip bir çözüm sunmaktadır. Geliştirilen IP core kütüphanesi, gömülü sistem tasarımcılarına verimli ve güvenilir bir kaynak sağlayarak, karmaşık hesaplama ihtiyaçlarını karşılamada önemli bir araç olarak öne çıkmaktadır. Geliştirilen bu kütüphane, gömülü sistemlerin farklı alanlarındaki gereksinimlere cevap vererek, mühendisler için güçlü bir çözüm sunmaktadır.

Abstract:
Floating-point arithmetic, a key tool for performing complex computational tasks in embedded systems, has become critically important in many modern applications, ranging from digital signal processing to artificial intelligence and machine learning algorithms. Despite its widespread usage, existing solutions are often tied to specific platforms and fail to offer optimized performance, limiting their flexibility and efficiency. This study addresses these limitations by developing a Verilog-based synthesizable IP core library as an innovative solution for floating-point arithmetic calculations in embedded systems. At the beginning of this research, the computational requirements of embedded systems and the significance of floating-point arithmetic were thoroughly examined. This analysis highlighted gaps and potential opportunities for improvement within the current body of literature, particularly in terms of platform independence and performance optimization. Based on these insights, design principles were established to create an original and optimized solution that could address these gaps. The developed IP core library features a modular architecture that supports fundamental arithmetic operations such as addition, subtraction, multiplication, and division. Furthermore, the library incorporates various algorithms and optimization techniques to ensure both platform independence and high performance, making it easily adaptable to different FPGA platforms. This library, which has been meticulously coded in Verilog, enables embedded system designers to perform floating-point arithmetic operations both quickly and efficiently. It offers significant advantages in terms of speed, resource utilization, and accuracy, ensuring that critical arithmetic computations are handled effectively in real-time systems. To verify its functionality and efficiency, the library underwent extensive testing and simulation, with successful results observed in real-world applications. These tests demonstrated the library's high performance, flexibility, and effectiveness, confirming its value in addressing the computational needs of embedded systems. In conclusion, this study provides a novel and innovative solution for floating-point arithmetic calculations tailored specifically for embedded systems. With its platform-independent design, modularity, and optimized performance, the developed IP core library offers a powerful and flexible resource for embedded system designers. It stands out as an efficient and reliable tool for meeting the complex computational demands of modern embedded systems, offering new possibilities for applications in various industries.