时域有限差分法(Finite difference time domain method,FDTD)是一种电磁学计算的基本方法,通过空间内电场和磁场的交替计算,得到整个研究空间的电磁分布情况。对于很多电磁学问题,不论从概念上还是可实现性上来讲,时域有限差分方法都是最简单的计算方法。时域有限差分法可以解决复杂的电磁计算问题,但同时要消耗大量的计算机资源,并且花费较长的计算时间。为了更快速高效地得到计算结果,可以利用硬件技术进行加速,这也是近年来FDTD方法研究领域比较受关注的部分。Xilinx公司新推出的高级综合工具VivadoHLS(High Level Synthesis),直接通过C/C++语言开发硬件系统,根据算法模型自动生成时序,相比于传统的硬件工程师设计时序更加简单高效。为了提高FDTD算法的计算速度,本文在仔细研究FDTD算法原理的基础上,从算法上分析了 FDTD的速度瓶颈,使用HLS工具进行一维和二维的FDTD的优化设计,并进行了一维和二维算例验证,结果证明了方法的有效性和优势。本文的主要工作有:首先,本文全面分析了 FDTD算法的基本原理,推导了一维和二维FDTD算法的迭代公式。研究了吸收边界条件,着重介绍了 PML边界条件,研究了 FDTD算法的数值稳定性以及高级综合工具的多种优化策略。其次,提出了一种流水的FDTD算法实现架构,将FDTD算法中的电场计算和磁场计算进行流水化,完成了一维和二维的FDTD算法C模型实现。针对提出的FDTD实现架构,使用HLS工具进行综合分析,通过调度和绑定,对算法在占用资源和处理速度方面进行优化:对数组添加partition约束以提高数据访问速度,对循环体添加unroll约束以并行执行缩短时延,对循环添加pipeline约束建立循环流水线。最后通过HLS测试台工具进行RTL功能仿真验证,并应用MATLAB对仿真数据结果进行成像。最后,选取一维和二维算例来验证所提出设计方法的正确性与高效性。结果表明,该设计具有较高的数据吞吐率,充分发挥了 FPGA的并行、流水计算优势。同时该设计实现复杂度低,成本耗费低,在时域有限差分算法的硬件加速方面,具有很高的实际应用价值。