Genel amaçlı bir bellek arayüzü donanımının alanda programlanabilir kapı dizileri ile gerçeklenmesi
Hardware realization of a general purpose memory interface based on FPGA
Yazar: DOĞANCAN DAVUTOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT ENGİN AYTEN ; DR. NERHUN YILDIZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Sayısal video sinyalleri = Digital video signals

Özet:
Günümüzde birçok sayısal sistemde kısa süreli veya uzun süreli veri saklamaya ihtiyaç duyulmaktadır. Yüksek performanslı ve paralel hesaplama işlemleri gerektiren yapay, hücresel veya konvolüsyonel sinir ağları tasarımları, büyük veri yönetimi, görüntü işleme uygulamarı gibi alanlarda verilerin saklanıp geri çağrılabilmesi için bellek elemanlarının sıklıkla kullanılması gerekmektedir. Eğer bu saklama ve geri çağırma işlemlerinin gerçek zamanlı olarak yapılmasına ihtiyaç varsa, bellek üzerinde yapılan yazma ve okuma işlemlerine ait bant genişliğinin yeterli olması çok önemlidir. Bu noktada, bellek elemanının çalışma frekansının yüksek olması gerekliliğinin yanı sıra, bellek ile sistem arasında köprü oluşturan bellek arayüzünün de hem bellek elemanı hem de sistem tarafındaki işlemleri yerine getirebilmesi için yüksek hızda çalışması bir zorunluluktur.
Bu tez çalışmasında ortaya konulan genel amaçlı bellek arayüzü, yüksek hız ve bant genişliği gerektiren özellikle gerçek zamanlı uygulamalarda kullanılabilir olması açısından fayda sağlamaktadır. Daha önce literatürde bulunan gerçek zamanlı hücresel sinir ağları uygulamalarında, zaman türevi gerektiren işlemlerin gerçeklenebilmesi için bellek arayüzü ihtiyacı olduğu bildirilmiştir. Bu çalışmada sunulan genel amaçlı bellek arayüzünün bu eksiği gidermede kullanılması planlanmaktadır.
Tasarlanan arayüz kullanılarak, arayüzün olası kullanım alanları arasında yer alan gerçek zamanlı görüntü işleme uygulamalarında yaygın olarak kullanılan video standartlarından Full-HD 1080p çözünürlüğünde ve saniyede 60 kare işlemeye olanak sağlayacak bant genişliğine ulaşılmıştır. Arayüzün test edilme aşamasında farklı bellek türleri de kullanılmıştır. Bu belleklerden 16-bitlik DDR SDRAM bellek kullanılarak 133 MHz saat frekansında maksimum 1,98 Gbit/s bant genişliğine, 64-bitlik DDR3 SDRAM bellek kullanılarak 667 MHz saat frekansında maksimum 39,76 Gbit/s bant genişliğine ulaşılmıştır. Tekrar Full-HD 1080p çözünürlüğüne sahip gerçek zamanlı video akışı göz önüne alınırsa, 256 Mbit bellek üzerinde toplamda 15 kareye kadar saklama ve 1 Gbit bellek üzerinde toplamda 60 kareye kadar saklama kapasitesine ulaşılmıştır.

Abstract:
Today, in many digital systems, it is necessary to store data for short or long duration. Memory elements are often needed to storing and retrieving data in areas such as artificial, cellular or convolutional neural network designs, big data management, image processing applications that require high performance and parallel computation operations. If it is necessary to perform these storage and recall operations in real time, it is very important that the bandwidth of the write and read operations on the memory is sufficient. At this point, the operating frequency of the memory element is required to be high enough, as well as the memory interface that bridges the gap between memory and the system is required to operate at high speed so that it can perform both memory and system operations.
The general purpose memory interface presented in this study has many advantages in many areas that require high speed and bandwidth, especially in real time applications. Previously, it has been reported in the literature that real-time cellular neural network applications require a memory interface to perform time-derivation operations. The general purpose memory interface presented in this work is planned to be used in time-derivative CNN realizations to fulfill the need of memory interface.
Using the designed interface, the video standards that are common in real-time image processing applications, which are among the possible uses of the interface, have reached the bandwidth that allows processing at 60 fps at Full-HD 1080p resolution and at the very least. Different types of memory have been used during the testing of the interface. Using these 16-bit DDR SDRAM memories, a maximum bandwidth of 1.98 Gbit/s at 133 MHz clock frequency and a maximum bandwidth of 39.76 Gbit/s at 667 MHz clock frequency using 64-bit DDR3 SDRAM memory were achieved. If a real-time video stream with Full-HD 1080p resolution is considered, storage capacity of up to 15 frames on 256 Mbit memory and a total of 60 frames on 1 Gbit memory have been achieved.